膜法海水淡化工程中材質(zhì)及設(shè)備的選型

肖 威，王 楠，李 丹

（北京碧水源科技股份有限公司，北京109591）

在我國(guó)淡水資源日益緊缺的前提下， 海水淡化具有非常廣泛的應(yīng)用前景。 海水淡化方法主要分為熱法、膜法、化學(xué)法三大類〔1〕。 隨著膜價(jià)格及相關(guān)運(yùn)行成本的降低， 使得膜法海水淡化工藝得以實(shí)際應(yīng)用。其中，高效率的高壓泵及能量回收裝置的應(yīng)用大大降低了膜法的能耗，目前，反滲透單元能耗在3 kW·h/m3以下，總能耗為4 kW·h/m3左右〔2〕，青島董家口經(jīng)濟(jì)區(qū)海水淡化PPP 項(xiàng)目（以下簡(jiǎn)稱董家口海水淡化項(xiàng)目）設(shè)計(jì)能耗為3.51 kW·h/m3。 目前，實(shí)際應(yīng)用過程中，由于海水含鹽量高，對(duì)材料及設(shè)備的腐蝕性強(qiáng)，在設(shè)計(jì)及采購過程中，應(yīng)重點(diǎn)考慮材料的抗壓抗腐蝕性能。此外，膜法海水淡化需要很高的滲透壓，膜單元是主要的能耗單元，必須使泵的選擇位于其工作范圍內(nèi)的最佳工況點(diǎn)。 結(jié)合董家口海水淡化工程設(shè)計(jì)及采購經(jīng)驗(yàn)， 本研究推薦了在不同工藝段金屬材料及非金屬材料的材料選擇，并給出了泵選型中一些需要特別關(guān)注的要點(diǎn)。

1 董家口海水淡化項(xiàng)目介紹

項(xiàng)目地點(diǎn)為青島董家口經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)。項(xiàng)目概況：（1）設(shè)計(jì)水量：近期為10 萬m3/d，遠(yuǎn)期為30 萬m3/d；（2）進(jìn)水水源為黃海海水；（3）產(chǎn)水水質(zhì)：氯離子質(zhì)量濃度小于40 mg/L，pH 為6.5～7.5；（4）濃水排放：廠區(qū)調(diào)節(jié)后按相關(guān)要求近海排放。 工藝流程見圖1。

2 腐蝕原因及對(duì)應(yīng)材質(zhì)的選擇

海水腐蝕的主要影響因素有：溶解氧量、溫度、pH、含鹽量、流速、海生物、細(xì)菌、污染及異種金屬接觸等。 常見的腐蝕類型主要有點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕、晶間腐蝕〔3〕。

絕大多數(shù)常用的非金屬材料對(duì)海水都有優(yōu)良的耐蝕性，如陶瓷、玻璃、石墨、橡膠、玻璃鋼、UPVC、PE 等。

高壓管路系統(tǒng)及較大的水泵等設(shè)備，由于輸送介質(zhì)壓力（最高達(dá)7 MPa）、材料機(jī)械強(qiáng)度等問題無法采用合適的非金屬材料，需使用耐海水的金屬材料。

圖1 董家口海水淡化項(xiàng)目工藝流程

2.1 非金屬材料

在董家口海水淡化項(xiàng)目中， 對(duì)于海水低壓管道系統(tǒng)，根據(jù)管徑以及加工精度的需要，多采用UPVC、FRP、HDPE 等材質(zhì)。 閥門的閥座等采用了EPDM 橡膠材質(zhì)。 董家口海水淡化項(xiàng)目中低壓管道選材及分析見表1。

表1 董家口海水淡化項(xiàng)目中低壓管道選材及分析

2.2 金屬材料及耐點(diǎn)蝕當(dāng)量（PRE 值）

奧氏體不銹鋼是水處理中常用的材質(zhì)， 但在海水中氯離子質(zhì)量濃度可達(dá)16 000～19 000 mg/L。常用的如304、316 等不銹鋼均存在較大的腐蝕問題，不適合直接應(yīng)用。 不銹鋼材料主要發(fā)生的腐蝕形式為點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕〔4〕。

點(diǎn)蝕：在海水中，大部分不銹鋼表面由于鈍化膜的保護(hù)，不腐蝕或腐蝕輕微，但在表面上個(gè)別微小區(qū)域內(nèi)，氯離子破壞鈍化膜后，暴露的金屬發(fā)生陽極反應(yīng)，使腐蝕迅速向內(nèi)發(fā)展，形成蝕孔，最終導(dǎo)致材料穿孔。 除海水外，不銹鋼在鹽酸、次氯酸鈉等介質(zhì)中也易發(fā)生點(diǎn)蝕。鹽酸、次氯酸鈉主要應(yīng)用在清洗系統(tǒng)中，除了藥液濃度外，pH、溫度、接觸時(shí)間等也是影響腐蝕的重要因素。

縫隙腐蝕：是點(diǎn)蝕的一種特殊形態(tài)，發(fā)生在縫隙內(nèi)。有效防止方法是選用合適的材質(zhì)、盡量避免采用尖縫結(jié)構(gòu)和避免滯留區(qū)。

晶間腐蝕： 海淡項(xiàng)目中易發(fā)生晶間腐蝕的地方主要有反滲透產(chǎn)品水以及壓縮空氣管道等采用奧氏體不銹鋼的管道及設(shè)備。奧氏體不銹鋼（316、304）在熱處理過程中，例如水泵鑄造、不銹鋼材質(zhì)焊接等過程中，不銹鋼中的鉻易形成碳化鉻析出。從而導(dǎo)致晶間腐蝕的發(fā)生。選材過程中，應(yīng)選擇低碳含量的奧氏體不銹鋼，如304L、316L 等。

應(yīng)力腐蝕： 由金屬材料在應(yīng)力與化學(xué)介質(zhì)協(xié)同作用下引起的金屬斷裂現(xiàn)場(chǎng)。 海淡項(xiàng)目中應(yīng)力腐蝕容易發(fā)生在止回閥彈簧部位。 由于彈簧鋼本身對(duì)材料的機(jī)械性能有特殊的要求， 可用于海水的彈簧鋼材質(zhì)較少。 目前已知可適用于海水系統(tǒng)止回閥的彈簧材質(zhì)為Inconel625 合金。

一種不銹鋼材料是否適用于海水， 可以通過耐點(diǎn)蝕當(dāng)量（PRE）進(jìn)行簡(jiǎn)單判斷。 PRE 的計(jì)算公式：PRE=Cr%+3.3Mo%+16N%，Cr%、Mo%、N%分別指不銹鋼中的鉻、鉬、氮元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

通常要求直接用于海水的不銹鋼，其PRE 值大于40。 因此需選用超級(jí)雙相鋼2507 或其他PRE 值大于40 的超級(jí)奧氏體不銹鋼、哈氏合金等。 常見的如奧氏體不銹鋼316L 等，如要應(yīng)用于海水中，應(yīng)加襯或做陰極保護(hù)等防腐措施。

表2 各種不銹鋼的PRE 值

表3 董家口項(xiàng)目金屬選材及分析

3 反滲透高壓泵的選型

預(yù)處理及超濾系統(tǒng)的水泵除材質(zhì)以外， 設(shè)計(jì)選型與通常的水處理項(xiàng)目并無太大不同， 本研究介紹以海水反滲透系統(tǒng)中的高壓泵為主。 目前海水反滲透系統(tǒng)中使用的高壓泵主要分為柱塞泵和多級(jí)離心泵兩種類型。柱塞泵效率通常較離心泵高，但由于結(jié)構(gòu)原因，流量通常較小，且價(jià)格昂貴，主要都在小型項(xiàng)目中應(yīng)用。 大中型海水反滲透高壓泵，基本上都采用多級(jí)離心泵。 董家口項(xiàng)目中高壓泵流量為920 m3/h，采用多級(jí)離心泵。

3.1 大型海水反滲透高壓泵常見形式

大型海水反滲透高壓泵多采用多級(jí)離心泵。 較知名的海淡高壓泵廠家，如蘇爾壽、凱士比等主要有節(jié)段式、軸向剖分式兩種形式的多級(jí)離心泵。外觀見圖2。

圖2 節(jié)段式多級(jí)離心泵和軸向剖分式多級(jí)離心泵

這2 種泵均可不拆裝管路進(jìn)行檢修。 節(jié)段式具有價(jià)格較低、供貨時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)。軸向剖式由于其不需要平衡盤的設(shè)計(jì)， 多數(shù)情況下效率會(huì)略高于節(jié)段式。 但其雙相鋼泵殼為整體鑄造，造價(jià)較高、供貨期也較長(zhǎng)。

3.2 水泵的效率

膜法海水淡化項(xiàng)目的運(yùn)行成本中， 電能消耗可占到50%以上，而高壓泵作為主要能耗設(shè)備，其電耗約占系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用的35%〔5〕。 因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及水泵選型過程中， 提高效率必需是重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。董家口項(xiàng)目共用5 臺(tái)海水反滲透高壓泵，單臺(tái)電機(jī)功率達(dá)2 100 kW。 水泵需要系數(shù)取0.7，那么效率每提高一個(gè)百分點(diǎn)，每年可節(jié)省約40 萬元電費(fèi)。 董家口海水淡化項(xiàng)目直接運(yùn)行成本占比：電耗為69%、藥耗為12%、膜更換為8%、維護(hù)為7%、管理為4%。

在董家口海水淡化項(xiàng)目設(shè)備比選過程中， 水泵的效率作為了一項(xiàng)重點(diǎn)性能進(jìn)行了比較。 前期設(shè)計(jì)選型階段，即將主要水泵效率達(dá)到80%以上作為基本要求， 海水反滲透系統(tǒng)高壓泵最終選型的效率達(dá)到86.1%，部分水泵更是達(dá)到了90%以上。

3.3 工況點(diǎn)及曲線

由于海洋情況復(fù)雜，海水溫度、濃度在全年的范圍內(nèi)都可能有較大的變化。 高壓泵實(shí)際工作揚(yáng)程可能會(huì)有數(shù)百米的巨大變化。 董家口項(xiàng)目設(shè)計(jì)水溫為2～28 ℃。隨著水溫的變化，高壓泵需要在400～630 m間的不同揚(yáng)程下運(yùn)行。

在水泵的選型過程中， 應(yīng)使水泵在各種工況點(diǎn)下，始終在高效區(qū)內(nèi)運(yùn)行。董家口項(xiàng)目海淡高壓泵不同工況點(diǎn)下曲線及效率見圖3。

圖3 董家口項(xiàng)目海淡高壓泵不同工況點(diǎn)下曲線及效率

3.4 電機(jī)安全系數(shù)的選擇

水泵電機(jī)額定功率應(yīng)大于水泵最大設(shè)計(jì)軸功率。在《離心泵 技術(shù)條件（Ⅱ類）》（GB/T 5656—2008）中根據(jù)不同的電機(jī)功率，安全系數(shù)最低要求為1.1～1.37?！督o排水手冊(cè)第3 冊(cè)城鎮(zhèn)給水》中要求的水泵安全系數(shù)為1.05～1.5。 安全系數(shù)選擇過高將導(dǎo)致不必要的成本增加；過低會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行不穩(wěn)定，甚至可能燒壞電機(jī)。

電機(jī)安全系數(shù)的選擇， 應(yīng)視項(xiàng)目的運(yùn)行管理水平、自動(dòng)化程度進(jìn)行判斷。 運(yùn)行管理水平高，自動(dòng)化程度高，流量控制的水泵，安全系數(shù)可以依據(jù)規(guī)范的最低要求來選擇。 相反，對(duì)于運(yùn)行工況復(fù)雜、自動(dòng)化程度低、運(yùn)行管理水平低、單純壓力或液位控制，應(yīng)適當(dāng)提高水泵電機(jī)的安全系數(shù)。

董家口項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中， 考慮到大型海水淡化項(xiàng)目中，自動(dòng)化程度及運(yùn)行管理水平較高，且水泵本身已經(jīng)按照最不利的工況進(jìn)行設(shè)計(jì)。 因此電機(jī)安全系數(shù)按照《離心泵 技術(shù)條件（Ⅱ類）》（GB/T 5656—2008）中規(guī)定的最低要求來選擇。

4 結(jié)論

（1）預(yù)處理、超濾系統(tǒng)、反滲透低壓海水系統(tǒng)、反滲透低壓濃水排放系統(tǒng)等低壓海水系統(tǒng)中， 應(yīng)盡量選擇非金屬材質(zhì)。 低壓管道可使用鋼襯塑、UPVC、FRP、HDPE 等材質(zhì)。 對(duì)于水泵、儀表、高壓管路系統(tǒng)等必需采用金屬材料的地方，應(yīng)選擇PRE 大于40的不銹鋼材質(zhì)。

（2）海水淡化項(xiàng)目水泵選型過程中，效率應(yīng)做為一項(xiàng)重要指標(biāo)來考慮。 水泵的不同工況點(diǎn)應(yīng)盡量都處在高效區(qū)內(nèi)。