鈦在海水淡化領(lǐng)域中的應(yīng)用

紀(jì)騰飛趙斌 金躍峰 劉釗

（西部金屬材料有限公司)

鈦在海水淡化領(lǐng)域中的應(yīng)用

紀(jì)騰飛*趙斌 金躍峰 劉釗

（西部金屬材料有限公司)

對鈦及鈦合金的特點進(jìn)行了分析，對其應(yīng)用中存在的問題進(jìn)行了討論，并對其在海水淡化領(lǐng)域中的推廣應(yīng)用提出了建議。

鈦鈦合金海水淡化換熱管耐蝕性蒸餾

0 引言

淡水資源是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。由于淡水資源僅占地球總水量的2.53%，而且空間分布極不均勻，如今淡水資源短缺已經(jīng)成為全球性問題。使用海水淡化技術(shù)開辟新的淡水資源，增加淡水供應(yīng)總量，已經(jīng)成為世界各國解決淡水匱乏的一種重要途徑。由于海水的腐蝕性很強(qiáng)，海水淡化設(shè)備的設(shè)計和制造必須使用能夠承受海水腐蝕的材料。鈦及鈦合金由于耐海水腐蝕性能良好，在世界范圍內(nèi)取得了廣泛的應(yīng)用。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及淡化海水需求量的日益增大，其應(yīng)用的深度和廣度都將日趨擴(kuò)大[1]。

1 鈦及鈦合金的特點

鈦及鈦合金由于其耐蝕性強(qiáng)、密度低、比強(qiáng)度高，同時具有較高的抗沖擊性能、良好的加工成型性能，因此被譽(yù)為“海洋金屬”，在海水淡化工程中具有良好的適用性。其特點如下：

（1）比強(qiáng)度高

鈦及鈦合金密度較小，約為碳鋼密度的40%，但是具有較高的強(qiáng)度，因此使用鈦及鈦合金制作的設(shè)備能夠在相同的承壓條件下，大幅度地減輕設(shè)備重量。

（2）對海水耐蝕性好

由于鈦及鈦合金能夠自發(fā)地在與大氣接觸的地方形成致密的氧化膜，并且氧化膜具有自愈合性，在其出現(xiàn)破損時能夠及時地進(jìn)行自身修復(fù)，因此鈦在氯化物水溶液中具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時可減少腐蝕裕量；同時由于不需要防腐涂料，可簡化工藝及降低成本。

（3）較高的抗沖擊性能

由表1可見，鈦及鈦合金具有較高的抗沖擊性能。若使用鈦及鈦合金制作承壓管道，則可有效地提高其抗水周期性沖擊的能力。

表1 幾種金屬材料的抗沖擊性能[5]

（4）良好的成型及加工性能

鈦及鈦合金具有良好的塑性和韌性，可以使用傳統(tǒng)加工技術(shù)生產(chǎn)板材、管材、鍛件及鑄件；焊接性好，使用普通的鎢極氣體保護(hù)焊即可，焊縫的強(qiáng)度和塑性均接近母材。

（5）可回收及再利用

退役的鈦制設(shè)備可以根據(jù)具體腐蝕情況及設(shè)備材料現(xiàn)狀進(jìn)行全面評估，并依據(jù)相應(yīng)的設(shè)計規(guī)范降級使用；鈦及鈦合金設(shè)備在經(jīng)過長時間使用后，還可對其材料進(jìn)行回收再利用或者降級使用，這樣就可減少設(shè)備在整個服役期的綜合成本。因此從可持續(xù)性及環(huán)保的角度出發(fā)，選用服役期間不易受海水腐蝕的鈦合金是一個趨勢。

2 海水淡化技術(shù)中鈦及鈦合金的應(yīng)用

按照分離方法的不同，可以將海水淡化技術(shù)分為熱法和膜法兩大類。膜法主要包括反滲透和電滲析；熱法包括低溫多效蒸餾、多級閃蒸等。目前應(yīng)用最為廣泛的是低溫多效蒸餾、多級閃蒸及反滲透技術(shù)。截至2006年年底，反滲透海水淡化產(chǎn)量占全球海水淡化總產(chǎn)量的51%，多級閃蒸所占比例為32%，而低溫多效蒸餾所占比例為8%[2]。

2.1 多級閃蒸及低溫多效蒸餾

多級閃蒸（MSF）是將加熱到一定溫度的海水引入閃蒸室進(jìn)行急劇蒸發(fā)的海水淡化技術(shù)，產(chǎn)生的蒸汽冷凝后即為淡水。圖1為多級閃蒸原理示意圖。

低溫多效蒸餾（MED）是利用傳熱管的潛熱來蒸發(fā)經(jīng)過預(yù)熱的海水，管內(nèi)的蒸汽被冷凝成淡水，管外蒸發(fā)得到的二次蒸汽進(jìn)入下一效傳熱管被冷凝，濃縮海水則被排出。

無論是多級閃蒸或是低溫多效蒸餾，傳熱管對材料的耐蝕性要求較高，必須采用價格昂貴的銅合金、特種不銹鋼及鈦合金管材。隨著蒸餾法裝置性能的不斷升級與優(yōu)化，具有優(yōu)異耐腐蝕性能的鈦管獲得了越來越多的應(yīng)用。

圖1 多級閃蒸原理

世界各國鈦傳熱管在蒸餾法海水淡化中的應(yīng)用例子如表2所示。

表2 鈦傳熱管在蒸餾法海水淡化中的應(yīng)用

2.1.1 鈦傳熱管的應(yīng)用特點

（1）管壁厚度

傳熱管一般為小管徑，壁厚較薄。銅合金材料管一般采用0.75 mm以上的壁厚。由于鈦及鈦合金管材的強(qiáng)度較高，因此廣泛使用0.4～0.7 mm的薄壁鈦焊管。

（2）傳熱系數(shù)

鈦及鈦合金的傳熱系數(shù)較低，僅為0.16 W/（m2·K），為鋁黃銅的1/6、銅鎳合金的1/1.7[2]。但由于鈦優(yōu)異的耐腐蝕性能，所以其壁厚可以大大減薄，相對來說，亦即提升了傳熱效率。

（3）經(jīng)濟(jì)性

目前我國已經(jīng)形成了成熟的鈦材制造、加工技術(shù)，大部分鈦材無需依賴進(jìn)口。單從質(zhì)量上進(jìn)行核算，鈦管價格是銅管的數(shù)倍。若考慮實際應(yīng)用，鈦管的厚度比銅管要薄，并且鈦管的密度僅為銅管的1/2，因此采用薄壁鈦管的整體價格與銅合金基本相當(dāng)。也就是說，鈦管在綜合性能方面具有較強(qiáng)的競爭力。

2.1.2 存在的問題

鈦管雖然在蒸餾法中有著優(yōu)異的特性，但在實際設(shè)備制造及應(yīng)用中仍然存在以下方面的問題。

（1）電位腐蝕

鈦材具有較低的電位，在與其他金屬配合使用時，尤其是與其他金屬直接接觸的部位，容易促使其他金屬的電位腐蝕，導(dǎo)致其他金屬部件出現(xiàn)失效。應(yīng)極力避免這種情況。

（2）震動

若使用薄壁鈦管，由于其剛性較厚壁管有所降低，因此必須通過增加支撐結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)其剛性，同時還應(yīng)該防止由于震動而引起的破損、泄漏及變形等問題。

（3）鈦焊管制備技術(shù)

近幾年，我國建成了若干條鈦帶生產(chǎn)線，目前已能夠生產(chǎn)純鈦及部分鈦合金鈦帶，為鈦及鈦合金焊管的大規(guī)模生產(chǎn)打下了堅實的基礎(chǔ)。但與發(fā)達(dá)國家相比，我國的海水淡化裝置的生產(chǎn)規(guī)模比較小，整體水平還有待提高。與發(fā)達(dá)國家相比，我國鈦管技術(shù)的差距主要表現(xiàn)在起步晚、工藝不夠成熟、鈦管成材率低、穩(wěn)定性差等方面，對鈦管生產(chǎn)技術(shù)和設(shè)備的掌控還需進(jìn)一步完善[3]。

2.2 反滲透

反滲透（RO）法利用的是反滲透膜的選擇透過性，在一定的壓力下使溶劑（水）通過半透膜進(jìn)入膜的低壓側(cè)，而溶液中的其他組分（鹽）被阻擋在膜的高壓側(cè)，并隨濃縮水排出，從而實現(xiàn)有效分離的淡化方法。圖2為反滲透法原理示意圖。

圖2 反滲透法原理

2.2.1 適用場合

目前文獻(xiàn)中并未出現(xiàn)反滲透法使用鈦及鈦合金的先例，但是在某些特定場合，鈦及鈦合金材料能夠達(dá)到傳統(tǒng)的不銹鋼材料無法達(dá)到的效果。

（1）腐蝕嚴(yán)重的場合

對于目前使用較為普遍的S316L不銹鋼管道而言，在10℃海水中浸泡3個月后，平均腐蝕速率≤0.01 mm/a，而焊接接頭處的腐蝕速率達(dá)到了0.015 mm/a[4]。不銹鋼在海水中氯離子的作用下，容易出現(xiàn)點蝕及晶間腐蝕，導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)斷裂失效。在中東和地中海地區(qū)，部分海水淡化廠采用316L、904L等奧氏體不銹鋼管道。但由于海水溶氧在濃水側(cè)積聚，引起接管處縫隙腐蝕，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)運行。而鈦及鈦合金在相同條件下具有極強(qiáng)的耐蝕性，使用鈦或鈦合金管道能夠有效地降低管道腐蝕。

（2）無法維修的場合

在某些無法實現(xiàn)或較難實現(xiàn)設(shè)備維修及維護(hù)的場所，或者因為空間狹小而無法對部分管道進(jìn)行更換的情況，為了保證設(shè)備的可靠性，減少維修所引發(fā)的風(fēng)險，應(yīng)使用鈦及鈦合金材料替代傳統(tǒng)的不銹鋼材料。

（3）總質(zhì)量需要控制的場合

對于總質(zhì)量有要求的設(shè)備，使用鈦及鈦合金材料能夠在滿足強(qiáng)度要求的情況下，大幅地減輕設(shè)備的總質(zhì)量，實現(xiàn)設(shè)備的輕量化。

（4）長壽命要求的場合

由于海水常混有泥沙、海生物，它們在傳熱管內(nèi)及管端附著，會侵蝕合金管。而鈦管不會出現(xiàn)這種問題，特別是為了殺死海水中細(xì)菌，不得不注入氧時，更需使用耐蝕性好的鈦管。對于設(shè)備全服役壽命有較高要求的場合，可使用鈦及鈦合金材料。

2.2.2 存在的問題

（1）無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

目前國內(nèi)無反滲透海水淡化用鈦合金管道系統(tǒng)的材料選用、制造、檢測的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)規(guī)范，鈦管管道的規(guī)格及尺寸僅能參考其他材料的設(shè)計方法設(shè)計和選用，因此對鈦及鈦合金的應(yīng)用造成了一定的阻礙。

（2）無應(yīng)用實例，數(shù)據(jù)較少

目前鈦及鈦合金材料在反滲透海水淡化工程中無大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的實例，因此缺乏實際應(yīng)用數(shù)據(jù)，無法有效地對其性能進(jìn)行綜合評價。

（3）成本較高

目前鈦及鈦合金材料的價格略貴于其他常用材料，這是阻礙鈦及鈦合金推廣的最大原因，直接影響了鈦材料在海水淡化領(lǐng)域的推廣使用[5]。若將鈦與雙相不銹鋼進(jìn)行對比，鈦材的密度僅為雙相不銹鋼的56%，使用相同規(guī)格的鈦材料，其質(zhì)量僅為雙相不銹鋼的1/2，因此采用鈦材的成本基本與雙相不銹鋼相當(dāng)，但耐蝕性更加優(yōu)良。

3 展望及建議

目前，我國海水淡化技術(shù)已經(jīng)較為成熟，已建成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的千噸級和萬噸級示范工程,是完全獨立掌握海水淡化技術(shù)的少數(shù)幾個國家之一。隨著海水淡化技術(shù)的發(fā)展以及海水淡化市場的開拓，鈦及鈦合金材料有著良好的應(yīng)用前景。

為了更好地將鈦及鈦合金應(yīng)用于海水淡化領(lǐng)域，提高我國的海水淡化技術(shù)水平，促進(jìn)海水淡化事業(yè)的發(fā)展，提出以下幾點建議：

（1）加強(qiáng)海水淡化研發(fā)、應(yīng)用單位與鈦材、鈦設(shè)備生產(chǎn)制造單位的合作，大量收集鈦合金在反滲透海水淡化系統(tǒng)中的應(yīng)用數(shù)據(jù)，共同建立鈦合金反滲透海水淡化的標(biāo)準(zhǔn)體系。

（2）加強(qiáng)傳統(tǒng)鈦合金材料及鈦設(shè)備生產(chǎn)技術(shù)、裝備的改造和升級，發(fā)展傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)潛力，提高生產(chǎn)素質(zhì)和市場競爭力。

（3）加大力度發(fā)展深加工技術(shù)，實施精品戰(zhàn)略，促進(jìn)鈦合金產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化，增強(qiáng)鈦合金附加價值，打造具有國際競爭力的優(yōu)秀品牌。

[1]王非.我國海水淡化的現(xiàn)狀與鈦的應(yīng)用[J].鈦工業(yè)進(jìn)展，2013，30(5):6-7.

[2]阮國嶺.海水淡化工程設(shè)計[M].北京：中國電力出版社，2013.

[3]李獻(xiàn)軍，王鎬，馮軍寧，等.鈦焊管生產(chǎn)技術(shù)及其在我國海水淡化產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用前景[J].中國鈦業(yè)，2014 (1)：9-13.梁軍，張海兵，劉廣義，等.不銹鋼管道在海水中的

[4]腐蝕研究[J].材料開發(fā)與應(yīng)用，2014（5）：32-39.郝曉華.海水淡化——有色金屬應(yīng)用的朝陽領(lǐng)域[J].

[5]世界有色金屬，2006（12）：12-15.

Application of Titanium in Seawater Desalination

Ji Tengfei Zhao Bin Jin Yuefeng Liu Zhao

The characteristics of titanium and titanium alloys are summarized.The problems in the application are discussed,and some suggestions for popularizing titanium and titanium alloys in seawater desalination are put forward.

Titanium;Titanium alloy;Seawater desalination;Heat exchange tube;Corrosion resistance; Distillation

TQ 050.4

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.02.003

2016-03-13)

*紀(jì)騰飛，男，1986年生，助理工程師。西安市，710201。