低溫多效海水淡化裝置防腐研究

常利峰

（一重集團大連設計研究院有限公司，遼寧 大連 116600）

低溫多效海水淡化裝置防腐研究

常利峰

（一重集團大連設計研究院有限公司，遼寧 大連 116600）

本文介紹了低溫多效海水淡化蒸發裝置的選材情況，對蒸發裝置產生的腐蝕原因進行分析，提出了改進措施。并根據海水中易引起腐蝕的因素，建議對進料海水進行有效針對性地預處理。

海水淡化；犧牲陽極；防腐

水資源短缺與對水需求量增大的矛盾日益凸顯，影響著沿海國家和地區的經濟發展。沙特、以色列等中東國家70%的淡水資源來自于海水淡化，他們在海水淡化獲取淡水方面的成功，使越來越多的國家和地區認可采用海水淡化技術解決水資源短缺問題。我國近年來也逐漸面臨沿海地區工業發展與淡水資源不足的矛盾，海水淡化技術及產業也逐漸成為經濟關注和技術發展的熱點。海水淡化技術包括電滲析、反滲透、低溫多效蒸餾、多級閃蒸和太陽能海水淡化等多種方案或其組合方案。低溫多效海水淡化技術，可以利用電廠和工廠低品位熱，對原料海水的預處理要求低、淡化水品質高、設備構造簡單、裝置生產能力大，是海水淡化最具發展前景的技術之一。

1.設備的選材和腐蝕原因分析

低溫多效海水淡化蒸發器一般由殼體、換熱管、管板和支撐架等組成。換熱管使用的材料一般為鈦材、鋁黃銅和鋁合金等。固定換熱管的管板，有鋁合金、雙相鋼、316L。殼體用不銹鋼，或者采用碳鋼，涂刷環氧樹脂涂料進行防腐。蒸發器接觸的海水腐蝕性非常強，通常會引起以下3種情況的腐蝕：不同金屬的接觸容易引起電化學腐蝕，而電化學腐蝕往往會誘發和加速應力腐蝕、點蝕、縫隙腐蝕、氫脆等其他各種類型的局部腐蝕，從而加速設備的破壞。海水中溶解氧的存在也會形成腐蝕，碳酸鈣等結垢會引起的換熱管垢下腐蝕等。換熱管腐蝕、蒸發器殼體腐蝕以及管板腐蝕，會污染產品水水質，造成設備停運和巨大的經濟損失。

大港3000t/d多級閃蒸海水淡化設備運行幾年后，檢修發現，海水室與冷凝室都出現了比較嚴重的腐蝕。海水室中的腐蝕主要發生在不銹鋼與碳鋼之間的塞焊點、各級室連通槽上口的焊縫處。另外，個別塞焊點發生了腐蝕穿孔的現象。腐蝕孔直徑為4mm～6mm，最深的部位為5mm左右。腐蝕類型為電化學腐蝕。

為了解決海水室腐蝕問題，采用海水室316L不銹鋼表面刷防腐漆，但是防腐漆脫落；采用同種不銹鋼材料對焊縫及塞焊點進行加帽補焊的方法，有一定的防腐效果，點蝕程度大大減輕。加裝犧牲陽極的防腐蝕方法，點蝕問題解決得較徹底。銅鎳合金層一般情況下可以耐高溫海水的腐蝕，但由于噴涂層中可能存在一些細小的針孔，以及沒有噴涂到銅鎳合金的部位，就會形成許多微小電池。經過高溫濃縮的海水通過這些針孔滲透到碳鋼基體，最后高濃度的電解質導致產生電化學腐蝕。

采用雙相鋼作為蒸發器殼體和管板可以增加抗腐蝕能力，但是造價非常昂貴。碳鋼價格相對低廉，用于海水淡化蒸發器殼體制造可以顯著降低成本，但是防護措施做不好，會發生嚴重的腐蝕。防護涂層的碳鋼蒸發器殼體是以色列IDE公司的低溫多效海水淡化裝置的關鍵技術之一。黃島電廠3000t/d的低溫多效海水淡化蒸發裝置中，蒸發器殼體也采用了碳鋼加防腐涂層工藝，運行效果較為理想。

換熱管是低溫多效海水淡化裝置的重要部件，其投資成本在裝置的總成本中占有相當高的比例。師紅旗等人針對蒸發器換熱管束腐蝕穿孔進行分析得出結論：蒸發器管束外表面是垢下腐蝕引起的腐蝕穿孔，另外，水中溶解氧含量過高是導致蒸發器管束發生腐蝕穿孔的主要原因，因此他們建議嚴格控制水中含氧量，優化蒸發器結構從而提高蒸發器管束的使用壽命。

為解決海水對換熱管的腐蝕問題，大部分海水淡化公司在對換熱管選材時，通常會選擇鋁黃銅、鈦材料等。鈦管有諸多優點：（1）鈦管密度小，比強度高。高于鋁而低于鋼、銅、鎳。是不銹鋼的3倍，是鋁合金的1.3倍。（2）耐腐蝕性能好。鈦和氧有很好的親和力，在空氣中或含氧的介質中，鈦表面生成一層致密的、附著力強以及惰性大的氧化膜，氧化膜保護了鈦基體不被腐蝕。即使由于機械磨損，氧化膜也會很快自愈或重新再生。這個特點表明鈦是具有強烈鈍化傾向的金屬。（3）換熱性能好。金屬鈦的導熱系數雖然比碳鋼和銅低，但由于鈦具有優異的耐腐蝕性能，所以壁厚可以大大減薄，而且表面與蒸汽的換熱方式為滴狀冷凝，減少了熱阻，而且表面不結垢，可以減少熱阻，這樣就使得鈦的換熱性能顯著提高。鈦的缺點是價格非常昂貴。

鋁及其合金具有比重輕、比強高，價格適當，規格品種齊全的特點，因而在海洋工程結構中得到了廣泛應用。在流動海水中，鋁合金比普通碳鋼和紫銅更加耐流動海水腐蝕，特別是鋁鎂系和鋁鎂錳系合金。以色列IDE公司將特種鋁合金管（A5052）用于低溫多效海水淡化工程，顯著降低海水淡化裝置的總成本。鋁合金缺點是在海水中無抗污損能力。污損海生物對鋁合金的腐蝕有明顯影響。

海水高腐蝕性一個重要原因是海水中含有大量氯離子。氯離子半徑小，活性大，使許多金屬的鈍化膜遭受破壞。氯離子的存在對有機涂層的破壞不像對金屬腐蝕那樣大，但由于海水滲透涂層膜，對基底金屬腐蝕影響較大，而基底金屬的腐蝕使涂膜喪失結合力，又加大了有機涂層的腐蝕速度。海水中溶解氧量、溫度、流速等都會對金屬噴涂層、有機涂層防護體系產生影響。

西海岸核電站在鈦管凝汽器中使用了青銅管板，運行9個月后，電化學腐蝕導致管板損壞。對水室進行改造，水室中采用了陰極保護裝置，阻止了腐蝕的進一步發展，最終避免了由此而引起的大量檢修工作和一些非計劃停運的可能性。

某濱海電廠海水冷凝器中冷凝管為銅鎳合金管，水箱采用鑄鐵材質，管板采用海軍黃銅材質。經過一段時間生產以后，在檢修過程中發現，管板部位有輕微滲漏，碳鋼水室壁腐蝕嚴重。99年進行整改，采用陰極保護技術后，防腐效果明顯，設備運行正常。

2.蒸發裝置設備腐蝕的解決措施

低溫多效海水淡化裝置，其蒸發器及冷凝器裝置內部由高溫濃海水、鹽霧及蒸汽構成了一個高溫高濕高鹽度的工作環境，極易遭受電化學腐蝕，尤其是局部腐蝕和焊縫腐蝕更為嚴重。蒸發器常采用防腐涂層保護，但由于設備體積較大，裝配復雜，由于不適當的表面處理和不正確的使用以及維修保養差，再加上涂層面上的局部缺口，使涂層有效防腐蝕性能下降，在涂層局部破損點上會發生相當嚴重的腐蝕。

除了選材、涂層，犧牲陽極。采取加裝合適的犧牲陽極進行陰極保護的方法，也可以解決腐蝕問題。犧牲陽極陰極保護技術由于具有經濟有效、對相鄰的金屬設備干擾小等諸多優點和獨特的功能，因而在腐蝕控制領域得到廣泛的應用。

海水介質中使用的犧牲陽極主要是鋅基合金犧牲陽極和鋁基合金犧牲陽極。鋅基合金犧牲陽極電流效率高，溶解均勻，電流有自調節作用，性能穩定，保護效果好，被大量用于海船及其他海上設施中的陽極保護。

鋁基合金犧牲陽極重量小，電容量大，輸出相同電量的鋁基陽極要比其他陽極輕的多，所以相同重量的前提下其保護面積大，在達到同樣保護效果的前提下，采用鋁基合金犧牲陽極要比鋅基合金犧牲陽極的費用低。鋁陽極同鋅基陽極相比，最突出的優點：（1）電容量大，可以設計長壽命陽極；（2）重量輕，施工方便；（3）制造工藝簡便，材料來源充足，單位電量的價格便宜；（4）在海水環境中性能良好，有自動調節電流的作用。

3.建議

（1）針對蒸發器中存在的電化學腐蝕，在設備選材時應該使相互接觸的材料處在電偶序中的位置盡量靠近。

（2）針對換熱管的垢下腐蝕，應對進料海水進行防垢處理，包括有效投加阻垢劑，膜過濾脫除易結垢的成分，如Ca2+，SO42-等。

（3）針對氯離子、氧氣引起的電化學腐蝕，應該對進料海水進行余氯和脫氧處理，將余氯控制在0.1ppm以下，將溶解氧含量控制在50ppb以下。

（4）針對污損海生物對鋁合金腐蝕有影響的特點，應對進料海水進行有效預處理，降低海水中的懸浮物含量，尤其是海生物含量。

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