雙相不銹鋼在海水淡化中的應(yīng)用研究

王 東，張東銘，史曉東，寇彥德，張巖崗

引言

隨著我國(guó)水資源短缺的現(xiàn)狀日益加劇，海水淡化正在成為我國(guó)解決淡水資源短缺這一困境的重要途徑之一。近年來(lái)，我國(guó)一直在積極推進(jìn)海水利用，特別是在2016年12月30日，國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家海洋局聯(lián)合發(fā)布關(guān)于印發(fā)《全國(guó)海水利用“十三五”規(guī)劃》的通知，提出規(guī)劃的總體目標(biāo)是：到2020年，海水利用實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，產(chǎn)業(yè)鏈條日趨完備；“十三五”末，全國(guó)海水淡化總規(guī)模達(dá)到220萬(wàn)噸/日以上。

海水淡化，也就是通過(guò)對(duì)海水進(jìn)行脫鹽來(lái)獲得價(jià)格合理，水質(zhì)良好的淡水資源。目前，世界上比較成熟的海水淡化工藝主要有5種，分別是低溫多效蒸餾法、反滲透法、多級(jí)閃蒸法、電滲析法以及汽化壓縮法[1]。其中，前三種工藝為近年來(lái)國(guó)內(nèi)外均發(fā)展比較成熟且實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的海水淡化工藝。

無(wú)論采用何種海水淡化工藝，海水淡化裝置及工藝管線的主體材料的選擇都將是降低海水淡化成本、提高裝置使用壽命、實(shí)現(xiàn)海水利用的規(guī)?；约皣?guó)產(chǎn)化的關(guān)鍵所在。

雙相不銹鋼因具有良好的力學(xué)性能以及在典型極端環(huán)境下優(yōu)異的耐腐蝕性能，國(guó)內(nèi)外新建的海水淡化工程均開(kāi)始采用性能更為優(yōu)異的雙相不銹鋼來(lái)替代傳統(tǒng)的奧氏體不銹鋼——316L不銹鋼，以提高海水淡化裝置的耐腐蝕性和使用壽命。此外，隨著生產(chǎn)雙相不銹鋼的先進(jìn)工藝裝備的投產(chǎn)應(yīng)用，國(guó)內(nèi)雙相不銹鋼工藝、品種、規(guī)格都在日益完善，如太鋼已具備成熟的生產(chǎn)3000 mm寬的中厚板、2000 mm寬的熱軋卷板和0.6mm×1500mm的冷軋板卷的生產(chǎn)能力[2]，雙相不銹鋼相比于傳統(tǒng)奧氏體不銹鋼的價(jià)格優(yōu)勢(shì)將越來(lái)越明顯，這對(duì)雙相不銹鋼在海水淡化裝置中的成本控制以及規(guī)?；瘧?yīng)用將具有重要的意義。

1 典型用于海水淡化雙相不銹鋼的性能

雙相不銹鋼（Duplex Stainless Steel，簡(jiǎn)稱DSS），是指微觀組織由奧氏體和鐵素體兩相以接近1：1的比例組成的不銹鋼，兩相獨(dú)立存在且含量較少的相不低于30%。由于雙相不銹鋼特殊的兩相微觀組織，雙相不銹鋼兼具奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)[3]。相對(duì)于奧氏體不銹鋼，其強(qiáng)度高且耐晶間腐蝕和耐氯化物應(yīng)力腐蝕性能明顯提高；相對(duì)于鐵素體不銹鋼，其塑性和韌性更高，室溫脆性、耐晶間腐蝕性能和焊接性能均明顯提高。

海水淡化裝置中常用的結(jié)構(gòu)材料有低碳鋼（包括涂鍍低碳鋼）、不繡鋼、鈦、銅合金、鋁合金、塑料和橡膠等[4]。由于強(qiáng)度、耐腐蝕性能以及成本方面的優(yōu)勢(shì)，雙相不銹鋼正在逐漸取代原有海水淡化裝置中的奧氏體不銹鋼、銅合金和鈦材。

表1列出了海水淡化裝置常用的雙相不銹鋼的種類和化學(xué)成分，為了方便對(duì)比，同時(shí)也列出了海水淡化裝置用奧氏體不銹鋼的種類和化學(xué)成分[5]。

表1 列出了海水淡化裝置常用的雙相不銹鋼的種類和化學(xué)成分

其中，S32101和S32304作為節(jié)約型雙相不銹鋼，S32205作為普通型雙相不銹鋼，S32750作為超級(jí)不銹鋼，被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于各種海水淡化工程。其中，S32750超級(jí)不銹鋼具備與6Mo接近的耐腐蝕性能，但由于其較低的貴金屬M(fèi)o的含量，在成本上比6Mo超級(jí)奧氏體不銹鋼更有優(yōu)勢(shì)。

S32101雙相不銹鋼是一種新型的節(jié)約型雙相不銹鋼，在海水淡化環(huán)境下其耐腐蝕性與316L不銹鋼接近，且優(yōu)于304L不銹鋼，其強(qiáng)度是304L和316L不銹鋼的兩倍，其機(jī)械性能也要優(yōu)于304L和316L不銹鋼。S32101是蒸發(fā)器殼體以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的理想材料，相對(duì)于304L不銹鋼，具有良好的耐腐蝕性，相對(duì)于316L不銹鋼，在價(jià)格上更有優(yōu)勢(shì)。中東地區(qū)的多座MSF海水淡化裝置都應(yīng)用了S32101雙相不銹鋼。

S32304雙相不銹鋼的耐腐蝕性在大多數(shù)介質(zhì)中與316L不銹鋼接近，但S32304雙相不銹鋼具有更高的強(qiáng)度性能，可以使用較少的材料便可以達(dá)到相同的強(qiáng)度要求，可以節(jié)省材料以實(shí)現(xiàn)降低成本的目的。中東地區(qū)的多座MED海水淡化裝置都采用了S32304雙相不銹鋼。

S32205雙相不銹鋼擁有優(yōu)異的耐應(yīng)力腐蝕性能，且耐點(diǎn)蝕和耐縫隙腐蝕性能與904L不銹鋼接近，因此，S32205雙相不銹鋼是制造MED和MSF蒸發(fā)器的理想材料。自2003年利比亞Melittah海水淡化廠首次采用S322025雙相不銹鋼制造MSF裝置以來(lái)，S32205雙相不銹鋼被廣泛用于蒸發(fā)器的制造。

S32750超級(jí)雙相不銹鋼具備優(yōu)異的強(qiáng)度特性，在多種環(huán)境下具備優(yōu)異的耐腐蝕性，其耐腐蝕性與6Mo超級(jí)奧氏體不銹鋼接近。Singapore的Perth海水淡化廠能源回收系統(tǒng)采用高強(qiáng)度和高耐腐蝕性的S32750超級(jí)雙相不銹鋼，海水反滲透(SWRO)裝置的高壓管線也采用可以經(jīng)受住較高的腐蝕和壓力的S32750超級(jí)雙相不銹鋼。

2 DSS用于低溫多效海水淡化（MED）工藝

低溫多效海水淡化技術(shù)是20世紀(jì)80年代成熟起來(lái)的高效淡化技術(shù)，海水的運(yùn)行溫度最高不超過(guò)70℃，可以減緩設(shè)備的腐蝕和結(jié)垢。加熱蒸汽從蒸發(fā)器的第一效進(jìn)入傳熱管，同時(shí)，經(jīng)預(yù)熱的海水被噴淋裝置噴灑到傳熱管壁外側(cè)，吸收管內(nèi)加熱蒸汽的潛熱后蒸發(fā)，管內(nèi)的加熱蒸汽被冷凝。蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽作為加熱蒸汽進(jìn)入下一效的傳熱管內(nèi)被冷凝，濃縮后的海水被排放。依次重復(fù)上述過(guò)程，則可實(shí)現(xiàn)加熱蒸汽能量的多級(jí)利用，達(dá)到產(chǎn)水量多倍于蒸汽消耗量的效果[6]，圖1為其現(xiàn)場(chǎng)裝置圖。

圖 1 低溫多效海水淡化裝置

316L不銹鋼在復(fù)雜環(huán)境下具有良好的耐腐蝕性，但在海水環(huán)境下長(zhǎng)期工作其點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕情況很難得到有效控制。蒸發(fā)器底板、管板、管支撐板以及冷凝器管板、管支撐板等直接與海水接觸的殼體及內(nèi)部材料均可以選用合適型號(hào)的雙相不銹鋼來(lái)替代作為蒸發(fā)器傳統(tǒng)材料的316L不銹鋼，以保證負(fù)壓狀態(tài)下蒸發(fā)器的耐蝕性、強(qiáng)度以及焊接加工性能。其中，蒸發(fā)器底板可選用厚度為7 mm的S32205雙相不銹鋼，蒸發(fā)器管板及管支撐板可分別選用厚度為22 mm和6 mm的S32304雙相不銹鋼，冷凝器管板可選用厚度為22 mm的S32205雙相不銹鋼，冷凝器管支撐板可選用厚度為10 mm的S32304雙相不銹鋼.

此外，在橫管降膜蒸發(fā)器中，通常換熱管的上三排一般選用耐腐蝕性能、耐高溫性能優(yōu)異的TA2鈦管，其他排選用耐海水腐蝕性能良好、導(dǎo)熱性能好的銅鋁合金管?？紤]到鈦管的昂貴價(jià)格以及銅鋁合金管較差的耐沖擊腐蝕以及電偶腐蝕性能，S32750超級(jí)雙相不銹鋼管將是替代鈦管或銅鋁合金管的理想材料。

3 DSS用于反滲透海水淡化（RO）工藝

反滲透法是利用半透膜（只允許溶劑分子透過(guò)不允許溶質(zhì)分子透過(guò)），在濃溶液一側(cè)施加一個(gè)高于其自然滲透壓的外界壓力，水分子在外界壓力的驅(qū)動(dòng)下透過(guò)半透膜進(jìn)入到稀溶液一側(cè)，得到凈化海水[7]，圖2為其高壓管線的現(xiàn)場(chǎng)裝置圖。

圖2 反滲透海水淡化裝置高壓管線

在反滲透海水淡化裝置中，雙相不銹鋼主要用于高壓環(huán)境，如經(jīng)高壓泵及能量回收裝置提升后的高壓原海水以及反滲透除鹽后的高壓濃海水。在雙相不銹鋼還沒(méi)有規(guī)?；瘧?yīng)用于海水淡化工程時(shí)，316L不銹鋼一直是反滲透海水淡化系統(tǒng)的高壓環(huán)境下的主要材料。近幾年，隨著雙相不銹鋼的推廣，國(guó)內(nèi)外的海水淡化工程普遍選用雙相不銹鋼作為高壓部分過(guò)流設(shè)備和管路的首選材料。

高壓泵的葉輪、高壓管線、濃水管線、中高壓泵、能量回收裝置等，材質(zhì)一般為254SMO超級(jí)奧氏體不銹鋼或S32750超級(jí)雙相不銹鋼，但后者較為經(jīng)濟(jì)，有成本上的優(yōu)勢(shì)。其中，高壓管線選用耐點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕強(qiáng)的S32750超級(jí)雙相不銹鋼。

對(duì)于一級(jí)反滲透裝置（SWRO）的管線，其含鹽量差異較大，需有針對(duì)性的選取合適的雙相不銹鋼，但一般S32205可基本滿足需要。對(duì)于二級(jí)反滲透裝置(BWRO)的管線，若其供給鹽水的TDS在300～500 ppm之間，則可以選用等級(jí)較低的雙相不銹鋼，考慮到其溫度及氯離子濃度，一般選用S32101或S32304經(jīng)濟(jì)型雙相不銹鋼，若供給鹽水的TDS大于500 ppm，則需選用S32205普通型雙相不銹鋼。

4 DSS用于多級(jí)閃蒸海水淡化（MSF）工藝

多級(jí)閃蒸是將原料海水加熱到一定溫度后引入到閃蒸室，閃蒸室的壓力低于熱鹽水溫度所對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓，當(dāng)熱鹽水進(jìn)入閃蒸室即成為過(guò)熱水而迅速部分汽化，從而使熱鹽水溫度下降，所產(chǎn)生的蒸汽冷凝即獲得所需的淡水[8]，圖3為多級(jí)閃蒸現(xiàn)場(chǎng)裝置圖。

圖3 多級(jí)閃蒸海水淡化裝置

早在1973年IDA公司就提出使用S32205雙相不銹鋼來(lái)制造MSF蒸發(fā)器殼體，但直到2004年使用S32205建造的MSF才在利比亞的Melittah投產(chǎn)，此后國(guó)內(nèi)外的多級(jí)閃蒸海水淡化裝置均開(kāi)始普及使用S32205來(lái)制造MSF殼體。

5 用于儲(chǔ)水罐及輸水管線

在氯離子濃度超過(guò)100 ppm的環(huán)境下，304L不銹鋼的抗腐蝕能力不夠，而316L不銹鋼的成本又太高，故大型海水淡化儲(chǔ)水罐材料一般選用低碳鋼包覆的混凝土或環(huán)氧樹(shù)脂做內(nèi)襯。目前，強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好的雙相不銹鋼正在成為更有競(jìng)爭(zhēng)力的儲(chǔ)水罐材料來(lái)取代原有的大型儲(chǔ)水罐材料。

儲(chǔ)水罐在儲(chǔ)水狀態(tài)下需要承受隨水位深度增加而變大的內(nèi)部壓力的作用，故儲(chǔ)水罐沿高度從上往下壁面厚度需逐漸變大。在大風(fēng)或空水狀態(tài)下，儲(chǔ)水罐需要保證其足夠的穩(wěn)定性以及抗彎曲變形的能力，S32101雙相不銹鋼可以滿足儲(chǔ)水罐對(duì)材料強(qiáng)度性能的要求。雖然使用S32101雙相不銹鋼的一次投資成本比內(nèi)襯碳鋼要高，但碳鋼儲(chǔ)水罐的日常的維護(hù)以及包覆層的修復(fù)成本并不低，綜合考慮S32101雙相不銹鋼在成本上更具有優(yōu)勢(shì)。

一般情況下，海水淡化的產(chǎn)品水直接供應(yīng)本地的工業(yè)用水及居民用水使用，但當(dāng)海水淡化裝置距用水用戶較遠(yuǎn)時(shí)，就需要用輸水管線進(jìn)行送水。與混凝土管線相比，不銹鋼管線在復(fù)雜地質(zhì)條件下更具安全性，抗震能力強(qiáng)；與包覆碳鋼管線相比，維護(hù)成本低。一般情況下，可以滿足海水淡化產(chǎn)品水對(duì)耐腐蝕性能的要求。

6 結(jié)論

隨著雙相不銹鋼的生產(chǎn)工藝和性能不斷的完善和發(fā)展，其優(yōu)越的耐腐蝕性能以及強(qiáng)度性能已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用于膜法以及熱法海水淡化裝置，大量的工程經(jīng)驗(yàn)表明雙相不銹鋼在海水淡化的典型極端環(huán)境下的適用性、安全性、可靠性以及經(jīng)濟(jì)性。雙相不銹鋼在海水淡化領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用必將對(duì)控制海水淡化成本、提高海水淡化裝置使用壽命、實(shí)現(xiàn)海水的規(guī)?；闷鸬街卮蟮耐苿?dòng)作用。

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[1]國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)課題：典型極端環(huán)境下超級(jí)不銹鋼服役行為及其制備技術(shù)。課題編號(hào)：2015AA034301

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