低溫多效蒸餾海水淡化裝置換管施工研究

王 豐，李作會，米 沛，高 偉

(1.河北國華滄東發電有限責任公司，河北 滄州 061113；2. 四川佰力特科技有限公司，四川 成都 611730)

0 前 言

低溫多效蒸餾(LT-MED)海水淡化技術是指在真空情況下，鹽水的最高蒸發溫度低于70℃的淡化技術，其特征是將一系列的水平管噴淋降膜蒸發器串聯起來，用一定量的蒸汽輸入通過多次的蒸發和冷凝，后面1效的蒸發溫度均低于前面1效，從而得到多倍于蒸汽量的蒸餾水的淡化過程。低溫多效蒸餾與多級閃急蒸餾海水淡化技術相比，操作溫度較低，在一定程度上減緩了結垢傾向，但是不能完全避免結垢。由于污垢的導熱系數極小，結垢會嚴重影響海水淡化蒸發器換熱管的傳熱性能，使造水比大幅度降低，更嚴重的是結垢會引發垢下腐蝕，造成換熱管穿孔泄漏，影響淡化水品質。由于第1效的海水蒸發溫度最高，雖然通過嚴格控制運行參數并添加阻垢劑等方式能延緩結垢速率，但長期運行仍不可避免會產生大量結垢，影響裝置換熱效率，降低產水量。

海水中含有高濃度的氯根離子，其腐蝕性很強，所以海水淡化設備的設計和制造必須采用能夠抵御海水腐蝕的材料。早期設計的海水淡化設備，采用的是銅合金換熱管，近期新設計的海水淡化設備，已全部采用鈦換熱管。

鈦一度被認為是一種稀有金屬，這是由于過去的工藝手段難以提取出金屬鈦，而實際上,鈦在地球中的含量非常豐富，在所有元素的含量中排名第十位。隨著鈦的冶煉技術的提高，鈦的產量得到大幅提升，價格顯著下降，鈦及鈦合金在世界范圍內取得了廣泛的應用。

1 現 狀

1.1 設備簡介

國內某濱海電廠25 000 t/d 4號低溫多效蒸餾海水淡化設備，使用汽輪機的二、四段抽汽做為動力汽源，通過蒸汽噴射壓縮機(TVC)在第四效蒸發器抽汽，降低蒸發器壓力，使海水在低溫下沸騰。裝置主要包括：蒸發器本體、物料水系統、冷卻海水系統、鹽水系統、凝結水系統、成品水系統、化學加藥系統、抽真空系統。其中蒸發器本體是整個低溫多效蒸餾海水淡化裝置的核心部分，蒸發器本體的核心為殼體與換熱管束。

海水經過冷卻海水系統噴入蒸發器本體，整套裝置在≤68℃低溫下運行，出水含鹽量≤5 mg/L(電導≤10μS/cm)，蒸發器共分為10個效體，前7效內每效含換熱管束28 274根，其中上層1-12排為鈦管，13排至以下為鋁黃銅管；后7效每效含換熱管束12 123根，其中上層1-9排為鈦管，10排至以下為的鋁黃銅管；管束與管板間為脹接，管板材質為316 L不銹鋼，04海水淡化蒸發器換熱管的設備參數如表1所示。

表1 某電廠04海水淡化蒸發器換熱管設備參數

1.2 蒸發器換熱管束現狀情況調查

裝置正常運行時汽側壓力高于鹽水側壓力，濃鹽水不會污染產品水，可充分保證產品水質量。但換熱管束泄露時會有濃鹽水通過換熱管泄露到汽側，造成出水含鹽量超標，只能通過堵住泄露的換熱管進行臨時處理。直至本次施工之前，04海水淡化蒸發器的第1效蒸發器銅合金換熱管腐蝕泄漏非常嚴重，堵管數量約3500根，占該效總管數的12.4%(見圖1)。同時根據蒸發器底部換熱管檢查結果，第1效蒸發器的結垢情況極為嚴重，換熱管之間間隙已被塊狀垢充滿，垢樣平均厚度為6.7 mm。通過對蒸發器底部換熱管所結垢樣的全分析得知垢層主要成分為CaCO3和MgCO3以及少量的CaSO4、SiO2、Al2O3、Fe2O3。蒸發器換熱管束表面結垢后，水垢的導熱系數遠遠小于金屬銅的導熱系數，不僅造成換熱率下降，還會使鹽水流動速度下降，使鹽水溫度上升，越靠近管束中部此情況越顯著，使鹽水溫度超過70 ℃，碳酸鈣結垢傾向越大。這種情況長期存在下，結垢情況就會從管束中部向四周傳遞，從1效向末效傳遞，最終使海水淡化裝置造水比大幅下降。

圖1 蒸發器堵管非常嚴重

鑒于換熱管束的泄露與表面結垢已經影響了設備的性能和安全，如不及時處理將無法保證海水淡化裝置正常運轉。故此次擬將第1效蒸發器的HAl77-2銅合金換熱管全部更換為TA2鈦換熱管。經過設計人員對于換熱性能、耐腐蝕性能、強度、加工性能、抗沖擊性能等方面的比較和計算，通過了可行性論證，但是我國大型低溫多效蒸餾海水淡化裝置的數量較少，累積的工程技術資料不足。工程具體施工上仍有很多未知情況等待施工人員去一一面對和處理。

2 換管施工

我們針對蒸發器換熱管束結垢底部多，頂部較少的具體情況，決定采取上部換熱管使用 “拔管法”用液壓拔管設備將換熱管整體拔出，這樣省時省力，廢銅管也便于收集存放。下部結垢較多的換熱管視情況通過人工分段切割拆除。

采用“拔管法”的關鍵在于要預先拆除脹管部分，并且拆除時要求不能損壞管孔，保證管孔的表面上不會因拆除形成縱向損傷痕跡或環形傷痕，同時不得影響管孔尺寸與形狀，否則會影響重新脹管的質量甚至導致管孔報廢。我們采取的方法是：先用扁鏨從管板兩側將管頭部分鏨成桃形，確認管孔處已退脹松動后再使用液壓拔管設備進行拔管。

在拔管施工進行到第4層管束時，發現換熱管外壁結垢程度非常嚴重(見圖2)，超過了前期的預計。施工人員拔管時阻力巨大，部分存在腐蝕的管束因應力集中，出現管束在拔管時斷裂，無法將整根管束抽出。所以拔管施工被迫提前結束，轉為人工分段切割拆除。

圖2 換熱管外壁結垢非常嚴重

采用人工分段切割的方法，需要以蒸發器內部隔板為界，將整根換熱管分割成6段，然后由人工傳遞移出蒸發器。由于第1效蒸發器整體空間受限，只有一個人孔可供物資與人員進出，人工分段切割轉運的的工作量是整體拔管工作量的數倍，實施后對于整個工期的影響尚未可知，有待施工隊伍在人員安排、資源配置方面做出調整來滿足工期的要求。

同時由于蒸發器整體空間受限與銅管外壁結垢嚴重的具體情況，施工人員放棄了傳統的火焰切割的方法，通過現場試驗決定采用沖擊鏟鏟斷的方法(見圖3)，這個方法相較于火焰切割沒有火焰產生，在封閉空間也可實施，對操作者正常呼吸沒有影響，減少了因氣體燃燒帶來的多種安全風險。

圖3 采用沖擊鏟的方式切斷銅管

結束工作量最大的換熱管束拆除工序后，需及時對蒸發器內部進行清理，同時對管板與隔板的管孔進行全面檢查。先用細砂布配合電動工具打磨殘留銹蝕與管孔邊緣的毛刺，再用清洗劑清除管孔壁上的殘留污漬，個別存在銹蝕的管孔需由技術人員進行處理。清理后的管孔壁不得有縱向刻痕，個別銹蝕修復管孔允許有一條螺旋形或環形刻槽，刻槽深度不超過0.5 mm，寬度不得超過1 mm，刻痕距管孔端部的距離不小于4 mm。管板、隔板清理結束后(見圖4)，準備進入穿管、脹管工序。

圖4 清理干凈管板和管孔上雜質和毛刺

在換熱管與管板的連接方式中，脹接是比較常見的一種方式，在國內有較為豐富的應用經驗。其主要原理是運用脹管設備促使換熱管及相應的管板發生一定的變形，管口成塑性變形而管孔處于彈性變形范圍之內，由于管孔的彈性變形將管口緊緊固定而達到良好的連接效果。

穿管工序和脹管工序，決定了新的換熱管使用壽命以及設備的換熱性能，要保證換熱管盡量不發生損壞，還要保證脹管的嚴密性和管子與管板脹接的連接強度。第1效蒸發器的隔板間距較大，接近1 500 mm，管子穿過管板后，由于自重產生的下垂，將會導致管子進入下一張隔板時出現錯孔，為了避免這樣的情況發生，施工人員在每根管子的端部加裝了穿管導向器，穿管時在兩端管板和各道隔板處都設人員引導，使穿管對準各道管孔，避免沖撞(見圖5)。

圖5 穿管過程中

脹管選用國內知名品牌的脹管器和脹管機，并且在正式脹管前，首先在專用試板上進行脹管試驗，脹管設備試脹的外觀質量和脹管率合格后，方可在蒸發器管板上進行正式脹管，避免因脹管器質量造成管內劃傷，以及扭矩選用不合適造成脹接強度不合格。

脹管工序完成后，就可以在蒸發器鹽水側噴淋、灌水進行密封性檢驗，檢驗管子是否有漏脹、損壞以及脹管密封性是否滿足運行要求。最后，施工隊為人孔和端蓋更換上新的密封膠墊，回裝好人孔和端蓋，再做一次管側的灌水試驗，合格后即宣告整個換管施工完工。

經過施工人員、技術人員以及質量人員的共同努力，本次換管施工順利結束。海水淡化裝置換管后，系統監測出水含鹽量為4 mg/L，滿足設計出水含鹽量≤5 mg/L(電導≤10 μS/cm)的要求。額定造水比由11恢復至設計值13.0，裝置制水效率大幅提高。設備的熱交換性能以及嚴密性完全滿足設計要求。

3 結 語

本文通過對此套低溫多效蒸餾海水淡化裝置換管施工過程進行分析，得出換管施工工藝要注意以下幾點：

1)是否具備液壓拔管的條件；

2)當管外結垢嚴重時應當有相應的解決方案；

3)切割移除舊管時勿傷及管板管孔；

4)穿管時務必加裝導向器并且人工及時糾偏；

5)脹管前必須做試驗。

針對以上要點，嚴格控制施工過程中這幾個關鍵節點，換管后的設備性能和壽命才能得到有效保障。同時也為同類型低溫多效蒸餾海水淡化裝置的維修、改造提供了一個參考。