海水淡化用無縫鈦管的傳熱及耐蝕性能

隨著海水淡化產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，作為熱法淡化裝置核心構(gòu)件之一的蒸發(fā)傳熱管也備受科研技術(shù)人員的關(guān)注 [1-2] 。傳統(tǒng)的不銹鋼、銅合金、鋁合金等材料不能完全滿足海水應(yīng)用環(huán)境對材料耐蝕、力學(xué)性能及輕質(zhì)化的要求，而工業(yè)純鈦TA2具有優(yōu)異的耐腐蝕性、良好的塑韌性和較高的比強度，是制作熱法海水淡化裝置熱換元件的理想材料 [3] 。目前在我國建設(shè)的大型熱法海水淡化裝置中，軋制無縫鈦管得到一定程度應(yīng)用，但鈦傳熱管的大規(guī)模推廣仍受到較大限制，究其原因主要是因為軋制生產(chǎn)的無縫鈦管價格高，導(dǎo)致材料投資成本居高不下 [4-5] 。

國內(nèi)外眾多學(xué)者一直致力于薄壁焊接鈦管的設(shè)計研發(fā)及耐腐蝕性能研究工作 [6-13] ，研究成果在核電站凝汽器、空調(diào)制冷、工業(yè)換熱等領(lǐng)域提供了較好的指導(dǎo)，但鈦傳熱管在水平管降膜海水淡化技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用歷史較短，關(guān)于鈦管降膜蒸發(fā)器傳熱系數(shù)和耐腐蝕性能實驗數(shù)據(jù)不充分，難以指導(dǎo)海水淡化系統(tǒng)設(shè)計 [14] 。此外，目前海水淡化工程用鈦焊管的壁厚多采用0.5mm [15] ，很難滿足海水淡化工程對材料成本的控制要求，亟待針對水平管降膜蒸發(fā)工藝要求開發(fā)海水淡化用高質(zhì)量薄壁焊接鈦管，減小設(shè)備用鈦量 [16-17] 。基于此，采用鎢極氬弧焊（TIG）工藝制備了TA2工業(yè)純鈦?22mm×0.4mm規(guī)格薄壁卷焊鈦管，并對其開展了低溫多效蒸餾海水淡化應(yīng)用實驗，以測試其耐腐蝕性能和傳熱性能，驗證焊接接頭質(zhì)量，獲得實驗數(shù)據(jù)，為0.4mm薄壁卷焊鈦管的規(guī)模化生產(chǎn)及其在海水淡化工程中的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1、實驗設(shè)備、材料和方法

1.1 實驗設(shè)備

實驗設(shè)備為采用鎢極氬弧焊工藝搭建的薄壁鈦管焊接測試生產(chǎn)線和低溫多效蒸餾海水淡化中試平臺。焊接測試生產(chǎn)線如圖 1 所示，主要由 GP-TIG500Pcw鎢極氬弧焊自動焊管機、自動卷管機、焊后熱處理設(shè)備組成。低溫多效蒸餾海水淡化中試平臺由7效水平管降膜蒸發(fā)器和1效冷凝器串聯(lián)構(gòu)成，如圖2所示。額定工況運行條件下各效蒸發(fā)器和冷凝器運行參數(shù)如表1所示。

1.2 實驗材料

實驗材料為張家港華裕采用圖1所示卷焊鈦管測試生產(chǎn)線制備的工業(yè)純鈦TA2卷焊鈦管 （規(guī)格 ?22mm×0.4mm）和張家港華裕常規(guī)軋制工藝生產(chǎn)的TA2無縫鈦管（規(guī)格?22mm×0.5mm），材料化學(xué)成分如表2所示，焊接工藝參數(shù)如表3所示，焊接成型鈦管如圖3所示，焊縫寬度為2mm。

1.3 鈦管耐腐蝕性實驗

利用上述實驗設(shè)備開展該類型薄壁卷焊鈦管在低溫多效海水淡化應(yīng)用環(huán)境中的耐腐蝕性測試，采用失重法分析評價鈦傳熱管腐蝕質(zhì)量損失速率，并與商業(yè)化?22mm×0.5mm標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格無縫鈦管的耐腐蝕性能進(jìn)行對比分析，具體實驗步驟和方法如下。

1.3.1 實驗準(zhǔn)備

（1）實驗前，利用數(shù)控線切割將薄壁卷焊成型母管、標(biāo)準(zhǔn)化軋制無縫鈦管分別切割成長度15cm的單個鈦管腐蝕掛片試樣，使用砂紙將棱角磨平。

（2）采用激光打標(biāo)設(shè)備將樣品管試樣編號，用游標(biāo)卡尺測量試樣的長度、外徑和壁厚尺寸。

（3）進(jìn)行表面清洗、除油、沖洗，充分干燥后用分析天平（梅特勒 MS105，精度0.01mg）稱重。

1.3.2 鈦管腐蝕試樣的安放

在低溫多效蒸餾淡化裝置1～7效蒸發(fā)器和冷凝器傳熱管頂層位置選擇合適放樣點，確保樣品管表面被完整液膜覆蓋，且不與其他材質(zhì)金屬直接接觸（如蒸發(fā)器不銹鋼殼體、管板、支架等），以避免電偶腐蝕產(chǎn)生試驗誤差，在1～7效蒸發(fā)器和冷凝器傳熱管頂層各放置薄壁卷焊鈦管腐蝕試樣2根、標(biāo)準(zhǔn)化軋制無縫鈦管腐蝕試樣2根，如圖4所示。

薄壁卷焊鈦管和標(biāo)準(zhǔn)化軋制無縫鈦管腐蝕掛片試樣安放好后，將低溫多效蒸餾淡化裝置調(diào)至額定工況，系統(tǒng)連續(xù)運行30天后將各試樣取出并測試各試樣的質(zhì)量損失，通過質(zhì)量損失的情況換算成年平均腐蝕速率來分析評價其耐腐蝕性能。

1.4 傳熱試驗

耐腐蝕性實驗完成后，將腐蝕鈦管試樣全部取出，并用3%氨基磺酸溶液對系統(tǒng)裝置進(jìn)行清洗，清洗完成后將首效蒸發(fā)器傳熱管全部更換成薄壁卷焊鈦管，以開展薄壁卷焊鈦管傳熱性能實驗。薄壁卷焊鈦管降膜蒸發(fā)器總傳熱系數(shù)通過第一效蒸發(fā)器的運行參數(shù)計算獲得。

將低溫多效蒸餾淡化中試裝置調(diào)至額定工況后，每隔3h采集一次首效蒸發(fā)器的運行數(shù)據(jù)，主要包括：首效凝結(jié)水流量、動力蒸汽流量、進(jìn)料量、濃水流量以及二效管程凝液量，記錄首效和二效管程和殼程壓力和溫度，通過傳熱速率方程計算得到第一效蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)，首效蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)配置和工藝參數(shù)如表4所示。

2、實驗結(jié)果與分析

2.1 年平均腐蝕速率

在海水淡化工程中通常用單位時間內(nèi)的腐蝕深度（年平均腐蝕速率V a ）來表征蒸發(fā)傳熱管的腐蝕速率，年平均腐蝕速率V a 可通過與質(zhì)量損失腐蝕速率V c 之間的換算關(guān)系求出。如式(1)。

式中，Va 為年平均腐蝕速率，mm/a；Vc 為試樣的質(zhì)量損失腐蝕速率，g/(m 2 · h)；m0為腐蝕前試樣的質(zhì)量，g；m1為腐蝕后試樣的質(zhì)量，g；S為試樣在溶液中的表面積，m 2 ；t為腐蝕時間，h。

對 ?22mm×0.4mm 卷焊鈦管和 ?22mm×0.5mm商業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)無縫鈦管在低溫多效蒸餾淡化應(yīng)用環(huán)境中做了動態(tài)腐蝕實驗，連續(xù)運行30天后，將腐蝕樣管取出，測試結(jié)果如表5所示。根據(jù)式(1)將各效蒸發(fā)器鈦管試樣的失重?fù)Q算成年平均腐蝕速率Va 并繪制成曲線，見圖5。

從圖5中可以明顯看出，在多效蒸餾海水淡化應(yīng)用環(huán)境中，薄壁卷焊鈦管和商業(yè)化的標(biāo)準(zhǔn)軋制無縫鈦管腐蝕速率變化趨勢基本一致，最大腐蝕速率均為0.00026mm/a，都出現(xiàn)在第1效，這很可能由于海水淡化裝置第1效蒸發(fā)器的操作溫度和料液鹽度最高引起的。上述分析結(jié)果說明，采用TIG卷焊工藝制得的薄壁卷焊鈦管在低溫多效蒸餾海水淡化環(huán)境中的應(yīng)用性能與軋制無縫鈦管基本一致，均具有優(yōu)異的耐海水腐蝕能力，而且各效蒸發(fā)器腐蝕樣管表面、焊縫處均未發(fā)生點蝕、縫隙腐蝕現(xiàn)象，可滿足多效蒸餾海水淡化過程中海水降膜流動沖刷、海水鹽霧等使用環(huán)境的要求。

2.2 薄壁焊焊管制水平管降膜蒸發(fā)器總傳熱系數(shù)

采用薄壁卷焊鈦管制作的水平管降膜蒸發(fā)器總傳熱系數(shù)根據(jù)傳熱基本公式得到。如式(2)。

式中，Q為傳熱速率，W/s；K為降膜蒸發(fā)總傳熱系數(shù)，W/(m 2 ·h·℃)；A為降膜蒸發(fā)傳熱面積，m 2 ；Δt為降膜蒸發(fā)傳熱溫差，℃。

實驗過程中，將中試裝置維持在設(shè)計工況下運行，測量首效凝結(jié)水流量、動力蒸汽流量、進(jìn)料量、濃水流量以及二效管程凝液量，記錄首效管程和殼程壓力和溫度，從而得到計算數(shù)據(jù)，通過傳熱基本公式計算設(shè)計工況下首效降膜蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)。流量、壓力、溫度數(shù)據(jù)均是由安裝于裝置或管路上的儀表測得。通過大量實驗數(shù)據(jù)，求出總傳熱系數(shù)平均值。

低溫多效蒸餾淡化中試裝置調(diào)試穩(wěn)定運行后，首效蒸發(fā)器在蒸發(fā)溫度69℃、傳熱溫差3.0℃條件下的總傳熱系數(shù)計算結(jié)果如圖6 所示。從圖 6 可知，實際運行過程中薄壁鈦管傳熱性能分兩個階段，即誘導(dǎo)期和穩(wěn)定期，這主要是由傳熱管壁面污垢的生長特性引起的。在誘導(dǎo)期內(nèi)，傳熱管壁面污垢成核速率較低，且存在著脫除效應(yīng)，而污垢成核在平滑換熱面各個離散點上發(fā)生，晶核尚未橫向生長，這種微小的晶核凸起在液膜流動過程中起到了擾動和破壞邊界層的作用，在一定程度上起到了強化傳熱的作用，致使誘導(dǎo)期內(nèi)的總傳熱系數(shù)較高。

誘導(dǎo)期之后，傳熱管表面結(jié)垢進(jìn)入生長期，此時晶核逐漸增多，且開始橫向生長，垢層開始逐漸覆蓋換熱面積，導(dǎo)致傳熱系數(shù)下降、污垢熱阻上升，當(dāng)污垢的沉積和剝蝕基本平衡時，系統(tǒng)總傳熱系數(shù)趨于穩(wěn)定，系統(tǒng)穩(wěn)定后，蒸發(fā)器總傳熱系數(shù)可達(dá)3400W/(m 2 ·K)以上。

2.2 經(jīng)濟性分析

薄壁卷焊鈦管的生產(chǎn)只需選擇高質(zhì)量鈦帶為基礎(chǔ)，采用鎢極氬弧焊工藝進(jìn)行卷焊加工，最大的優(yōu)勢在于縮短了鈦管生產(chǎn)工藝流程，可以顯著降低傳熱管的加工制造成本，經(jīng)過測算，同種外徑尺寸的鈦傳熱管，TIG卷焊工藝相對于軋制工藝加工成本可降低10%左右。另一方面，卷焊制得的0.4mm壁厚鈦傳熱管的推廣應(yīng)用，可大幅度降低海水淡化裝置鈦材用量，傳熱面積相等條件下采用薄壁卷焊鈦管的淡化裝置鈦材用量比采用GB/T 3625-2007標(biāo) 準(zhǔn) 規(guī) 定 的 0.5mm 厚 鈦 管 可 降 低 約 20%。 以10000t/d 低溫多效蒸餾海水淡化工程為例，采用 ?22mm×0.4mm 薄壁卷焊鈦管和 ?22mm×0.5標(biāo)準(zhǔn)無縫鈦管在投資成本上的對比如表6所示。

由以上分析可知，得益于加工成本及鈦材用量的降低，在傳熱面積相等的條件下，采用0.4mm厚薄壁卷焊鈦管比常規(guī)無縫鈦管可使海水淡化傳熱管材料投資成本降低25%以上，經(jīng)濟效益十分顯著。

3、 結(jié)論

針對蒸餾海水淡化傳熱管對材料的性能要求，采用鎢極氬弧卷焊工藝設(shè)完成規(guī)格為 ?22mm×0.4mm薄壁卷焊TA2鈦傳熱管的制備，并利用構(gòu)建的低溫多效蒸餾海水淡化中試平臺開展了薄壁卷焊鈦管在海水應(yīng)用環(huán)境中的傳熱和耐腐蝕實驗研究，并與傳統(tǒng)無縫鈦管進(jìn)行了對比分析，得到以下結(jié)論。

（1）通過開展薄壁卷焊鈦管在蒸餾海水淡化實際應(yīng)用環(huán)境中的耐腐蝕測試，獲得了0.4mm厚薄壁卷焊鈦管的耐海水腐蝕數(shù)據(jù)，年平均腐蝕速率為0.00026mm/a，說明薄壁卷焊鈦管與無縫鈦管在多效蒸餾海水淡化應(yīng)用環(huán)境中具有同等優(yōu)良的耐腐蝕性能。

（2） 在實際低溫多效蒸餾海水淡化應(yīng)用環(huán)境中，采用0.4mm厚薄壁卷焊鈦管制作的水平管降膜蒸發(fā)器總傳熱系數(shù)可達(dá)400W/(m 2 ·K)以上，為實際海水淡化裝置工藝設(shè)計提供了數(shù)據(jù)支持。

（3）薄壁卷焊鈦管加工成本相較于軋制無縫管可降低約10%，在同樣的傳熱面積條件下，采用0.4mm厚薄壁卷焊鈦管比采用傳統(tǒng)的0.5mm厚無縫鈦管可以減少鈦材用量約20%，傳熱管投資可降低25%以上。

（4）在降膜蒸發(fā)噴淋沖刷及濃海水高溫高濕腐蝕環(huán)境中，卷焊鈦管焊縫處也未出現(xiàn)點蝕、縫隙腐蝕等危害較大的局部腐蝕現(xiàn)象，充分驗證了焊接接頭的質(zhì)量，確定了0.4mm厚薄壁鈦管的焊接工藝窗口的可靠性，為下一步的規(guī)模化生產(chǎn)及在海水淡化工程中的推廣應(yīng)用奠定了技術(shù)支撐。

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