海水淡化工程中管道材料选用

海水淡化工程中管道材料选用
周敏
(中国石油CPE 大连分公司,大连116001)
摘　要:低温多效蒸发和反渗透海水淡化技术在沿海城市陆续应用,本文在结合海水的腐蚀因素和海水中常用的防腐蚀材料选择的基础上针对海水淡化工程中管道材料的选用原则进行了论述。

关键词:海水;淡化;管道;材料
中图分类号:T G174.2 文献标识码:B 文章编号:10052748X (2006)1020536204
PIPIN G MA TERIAL SEL EC TION IN SEAWA TER D ESAL TIN G EN GIN EERIN G
ZH OU Min
(China Petroleum Engineering Co.,Ltd.Dalian Company ,Dalian 116001,China )
K ey w ords :Seawater ;Desalt ;Piping ;Material
1　引　言
近两年来,CPE 大连分公司已成功地完成了两项海水淡化技术的工程设计。

一项是以某设备冷却海水做原水的三级反渗透法海水淡化技术,另一项是利用低温余热(热水或低压蒸汽)做热源、新鲜海水做原水的低温多效蒸发海水淡化技术,产品水均用于该企业电厂锅炉的补给水,水质达到一级除盐水标准。

国内外对耐海水腐蚀材料进行了大量的研究和开发,可供选用的材料很多,如何结合不同工艺、不同条件和环境特征以及市场供货情况,选择性价比较优的管道材料是海水淡化工程管道设计的首要任务。

2　海水腐蚀因素与防腐蚀方法
2.1　海水腐蚀的主要影响因素
海水是一种复杂的天然平衡体系,是腐蚀性电解质溶液,具有高的盐量、导电性和生物活性。

因此海水具有较强的腐蚀性,而其腐蚀过程和现象极其复杂。

金属在不同区域的海水环境中腐蚀规律差别很大,在不同因素的多重作用下表现出的腐蚀特征也不同。

中国科学院金属研究所通过已取得的腐蚀数据
收稿日期:2006201220进行数学建模,研究了海水环境因素对碳钢和低合金钢的影响,表明海水腐蚀的主要影响因素是溶解氧浓度、p H 值和平均盐度[1]。

大多数金属在海水中的腐蚀是溶解氧的去极化反应。

碳钢在海水中的电化学反应的阴极过程通常受氧扩散速度控制,供氧充分,腐蚀速度则快;海水是含盐量很高的电解质溶液,Cl -是活性阴离子,Cl -浓度增加则该金属阳极溶解反应的交换电流密
度增加,使钝化膜遭到局部破坏,发生孔蚀、缝隙腐蚀等局部腐蚀;海水的p H 值呈弱碱性时,对金属氧化物保护膜破坏性不大,因而降低了海水的腐蚀。

2.2　防腐蚀方法
抗海水腐蚀的一种有效方法是使金属表面钝化的表面处理技术,钝化使金属或合金管壁表面生成一层保护性致密的钝化膜,从而提高材料的耐腐蚀能力;另一种是管壁涂层或衬里的涂镀层保护技术。

海水环境中,主要发生点蚀、缝隙腐蚀与应力腐蚀破裂等。

有些纯相金属的耐腐蚀性来自自身表面钝化,而不锈钢的耐腐蚀性取决于铬与氧反应,生成一层氧化铬的钝化膜;碳钢和低合金钢在海水环境中是不发生钝化的,可采取内壁涂敷防腐剂、渗锌、渗铝、热浸铝技术,使钢管表面形成一层致密的保护膜。

3　耐海水腐蚀材料
比较广泛采用的耐海水腐蚀材料有铜合金、钛
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635・第27卷第10期2006年10月
腐蚀与防护
CORROSION &PRO TECTION
Vol.27　No.10October 2006
及其合金、特种不锈钢、塑料等。

3.1　铜合金
铜合金一般作为清洁海水中冷却器管子的材料,主要有海军铜、铝黄铜等,表面生成一层氧化亚铜保护膜可提高铜管的耐蚀性,铜管主要产生冲蚀与沉积腐蚀现象,因此工程上常采取定期注入硫酸亚铁镀膜的方法来减缓腐蚀。

大连石化海水冷却器上使用海军铜已有成熟的经验,管板换热管焊口的焊接问题已经解决。

3.2　钛及钛合金
钛在海洋大气、海水环境中具有优异的耐腐蚀性能,这是因为钛自身有稳定的钝化膜。

钛和钛合金耐湿氯气、氯化物溶液的腐蚀性也非常优良,使用温度小于110℃不会发生腐蚀或吸氢[2],但价格相对昂贵。

以色列在低温多效海水淡化技术中卧式蒸发器设备的上层管束就专门采用钛管;大连石化曾在一催化装置海冷器上使用过钛材质,20余年仍运行良好,没有微生物附着,在三催化装置使用复合Ti管,价格相对便宜一些,目前使用良好。

3.3　碳钢、低合金钢
采用防腐涂层、选用普通碳钢是经济合理的,其使用寿命的长短取决于防腐层的附着力和涂装的施工质量。

上世纪九十年代初,低合金钢10CrMoAl开始大规模推广使用。

大连石化在海水冷却器管束、海水冷却槽钢板和海水管线上使用10CrMoAl效果良好。

上海石化海水管道中应用10CrMoAl效果也良好。

但也有报道说,在湛江电厂选用的10CrMoAl 材料,投入运行没多久就有渗漏现象,管道很快就全部报废[3]。

因此10CrMoAl的使用效果存在异议。

3.4　不锈钢
据文献报道[4],不锈钢在海水浸泡试验后其耐海水腐蚀性的优劣顺序与其腐蚀电位正负顺序一致。

钝化能力强的不锈钢在海水中的腐蚀电位趋于稳定的时间较长,稳态电位较正,其耐腐蚀性较好。

也常根据在海水中抗点蚀系数来衡量不锈钢耐局部腐蚀能力。

下面列举了不同的不锈钢钢牌号,其化学组成见表1(按照钝化能力逐渐增强的顺序排列)。

哈氏合金(HRS23)是一种镍钼铬合金。

镍基合金在海水中具有抗全面腐蚀、点蚀和缝隙腐蚀的能力,可以胜任一般不锈钢和其它金属无法解决的严
表1　不锈钢牌号及其化学成分(%)钢种牌号C Cr Ni Mo Ti W Cu N
2Cr130.19913.74
F1790.00916.370.240.18
000Cr18Mo20.00318.92 1.92
1Cr18Ni9Ti0.07817.608.390.57
00Cr19Ni100.0118.909.28
316L0.02117.5213.6 2.57
904L0.012025 4.5 1.50.06
254SMO0.022018 6.10.70.2 00Cr25Ni7Mo3N0.02124.167.21 2.870.480.17 HRS230.02826.1150.4 3.58
重海水腐蚀问题[5]。

双相钢的耐孔蚀性能、耐腐蚀性能优于超低碳合金钢(316L),国内正在大力研制、生产、使用该种特钢。

3.5　塑料材料
聚乙烯化学性质非常稳定,耐海水侵蚀,无电化学腐蚀。

钢骨架增强聚乙烯塑料复合管是以高密度聚乙烯为基材,以氩弧对接焊多孔薄壁钢管、点焊优质低碳丝网或帘子线的混合线束编织网为增强层,在自动控制生产线上将骨架与基体连续挤出,均匀地复合在一起而加工成的新型双面防腐压力管道。

另一种碳钢衬聚乙烯复合管(简称钢塑管)同样适合海水输送。

钢管衬塑就是将塑料管挤出成型并外涂粘结层后套入钢管内与钢管一起加热、加压并冷却定型,将塑料管与钢管牢固的复合在一起。

另外的一种加工工艺是在一定加热温度下用探头喷涂塑料至钢管内壁。

玻璃钢也是一种塑料,玻璃钢夹砂管是一种新型复合管材,所用的原材料是不饱和聚脂和玻璃纤维通过一定工艺制作而成的,有内衬层、缠绕层、树脂砂浆层和外防腐层组成,不仅耐海水腐蚀性能好,而且耐压强度较高,逐渐被使用在海水管道上。

4　海水淡化工程中管道材料选用
结合海水淡化工程的工程实际,材料选择的原则是:满足不同工艺条件,包括介质、温度、压力的要求;根据不同的环境条件,包括是否露天、架空、埋地等影响因素进行选择;经济实用,以市场供货情况,选择性价比较优的耐海水管道材料。

按不同工艺及环境条件,海水工况分为原水取水、原水预处理、低温多效蒸发、反渗透和浓海水的排放工况。

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4.1　原水预处理工况———选用钢骨架聚乙烯复
合管
低温多效和反渗透技术都有原水预处理部分,原料海水水质成分见表2,包括投加药剂、多介质过滤、微滤等,其操作温度10～30℃,操作压力小于110M Pa。

属于常温、压力不高的操作条件,而且相关设备布置在厂房内。

表2　原料海水水质分析数据
分析项目含量分析项目含量
氯离子17500mg/L镁离子6833mg/L
含氧量11.2mg/L固形物8.5%
含盐量7.5%氨氮0.2mg/L
p H值7.3～8.0电导率47000us/cm
原水中含有溶解氧、各种盐分、悬浮物、水中胶体等,都是管材腐蚀的因素,在耐压强度要求不高、冲击性不大的情况,该工况采用钢骨架聚乙烯复合管应该是首选,该材料具有较好的强度、抗冲击、耐磨性,内壁光滑不结垢,有适中的柔韧性,其优越的耐海水腐蚀性是钢管所不及的,而且与不锈钢如316L、钢塑管相比价格便宜得多。

钢骨架聚乙烯复合管有其局限性,其适用温度-20℃～65℃,压力不大于4.0M Pa,在暴晒环境下易变色老化,不适合露天安装。

国内几家生产商生产的产品性能、规格不尽相同,设计时需要生产商提供相关技术文件,确认是否适用;同材质复合管管材与管件之间的连接采用电热熔接,复合管与不同材质如316L、钢管衬塑之间的连接采用法兰连接。

4.2　原水取水工况———选用钢聚乙烯复合管
原水取自新鲜海水管网,引入装置前需要将系统管排露天架空布置。

与厂房内海水预处理相比,环境的不同点之一就是在户外安装。

我们选择了20#钢加衬聚乙烯材料,称钢聚乙烯复合管。

其适用温度可到75℃,正压不大于2.0M Pa。

钢塑管、管件之间采用法兰连接,在钢管的两端焊接法兰,在钢管的内壁和法兰端面衬覆塑料。

钢管需要合理分段,其中分支管、放空管、排液管、压力表接口都包括在内。

制成带法兰的成品后,到工厂衬塑制作。

因此管道设计要求尺寸准确,尽量避免施工现场再制作。

海水淡化中原水取水管道规格单一,一般只有一个规格,而且系统管排长而直,拐弯也少,分支几乎没有,满足钢塑管法兰连接的施工特点。

与不锈钢比较,经济又耐用。

4.3　低温多效蒸发及反渗透工况———选用316L
不锈钢
经原水预处理后,原水CI-含量在0.1～0.5mg/L,p H值呈弱碱性。

低温多效蒸发工况操作温度≤72℃,操作压力是10～30kPa的真空条件;三级反渗透工况,包括能量回收装置,其操作温度10～30℃,操作压力是1.0～6.3M Pa。

上述两种工况,一是为维持多效蒸发真空操作,管道应尽可能焊接,减少泄漏点,二是反渗透属于中、高压操作,同时原水预处理后,主要的海水腐蚀影响因素如溶解氧含量极少、p H值呈弱碱性,因此我们均选用了奥氏体不锈钢316L。

可见,塑料材料不满足上述条件。

钢塑管采用法兰连接形式,据资料介绍,可用在负压75kPa,该管承受负压的能力不能满足多效蒸发的真空条件;钢骨架塑料复合管强度、刚度低,不能在高压下使用,真空操作下目前还没有工程应用实例,因此也没有选用。

316L含铬量17.5%(见表1),与其他奥氏体不锈钢的含铬量相差不多,因不锈钢的耐蚀性能主要取决于其含铬量[6],因此其耐海水腐蚀性好,而且316L含碳量0.02%,属于超低碳,可有效控制晶间腐蚀[7]。

管道选用316L,与管道相连的设备最好也是同材质,或者设备选用低材质钢后做镀膜设计,防止因异种金属接触而导致电偶腐蚀。

管道流速需适宜,过小会引起杂物沉积腐蚀,过大会冲击钝化膜,局部膜破坏后引起点蚀等腐蚀。

4.4　浓盐水排放工况———选用玻璃钢夹砂管道
海水淡化后产生的浓海水含盐浓度一般是海水的2倍,目前的方法是送入离原水进水口足够远的地方,自流无压力排放,因此需埋地敷设管道,途中经过运输道路。

相关资料介绍,埋地玻璃纤维增强热固性树脂夹砂管道(简称RPM管)能承受埋设管上面的地壤载荷和车辆载荷,耐海水腐蚀,防污抗藻、耐磨性好,并且耐热抗冻性好,一般在-40～120℃温度范围使用良好。

据此,浓海水排放管道选用了玻璃钢夹砂管道。

5　总　结
(1)海水淡化工程中,应有一个真实的原水采样分析数据。

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(2)应根据具体环境条件,针对性选用为宜。

不同海域水质相差很大,应有不同的对策;同种海域、不同环境的海水输送,选材也不尽相同。

(3)完善碳钢涂层或衬塑材料的工艺评定,确保其涂镀层质量,使其与奥氏体不锈钢管、钢骨架塑料管相比,性价比优势更明显。

(4)改良的玻璃钢管道可以在海水淡化工程中使用。

参考文献:
[1]　王海涛.灰色理论对碳钢、低合金钢海水腐蚀的预测
和分析[J].腐蚀与防护,2005,26(9):373.[2]　张远声.腐蚀破坏事故100例[M].北京:化学工业
出版社,2001.
[3]　陈锡雄.防止海水腐蚀的措施与效果[J].电力建设,
2005,(1):34.
[4]　黄桂桥.不锈钢在海水中的耐蚀性与腐蚀电位的关系
[J].中国腐蚀与防护学报,2000,(2):35.
[5]　王丹丹.镍基耐海水腐蚀材料的研究概况[J].湖南冶
金,2004,(1):9.
[6]　陈艳英.海水利用中的几个问题探讨[J].工业水处
理,2003,(1):47.
[7]　李建华,冯素霞.压力容器检验(修订本)[M].北京:
中国锅炉压力容器安全杂志社,1991.94.
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