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关于海水淡化用调节蝶阀的结构设计及材料选用

1 介绍

目前我国的海水淡化技术经过40多年的发展,特别是“九五”以来,其关键性主流技术取得了重大的突破。目前,已进入产业化推广阶段,海水淡化市场也步入了快速发展时期。蝶阀是海水淡化装置的重要配套产品,在海水淡化过程中应结合不同的系统工艺,选用调节阀的结构和材质,以适应海水淡化行业产业化的工艺流程和特殊要求。

2 海水淡化的主要工艺

海水淡化(又称海水脱盐)是分离海水中盐和水的过程。从海水中取出水,或除去海水中的盐,都可以达到淡化目的。海水淡化的方法,基本上也分为这两大类。

其中得到大规模商业应用的是反渗透法、电渗析法和蒸馏法。

① 反渗透法(Reverse osmosis,RO) 

在压力驱动下,海水中的淡水通过半透膜进入膜的低压侧,而海水中的其他组分(如盐)被阻挡在膜的高压侧并随浓缩海水排出,从而达到有效的分离。海水淡化时,在海水一侧施加大于海水渗透压的外压,则海水中的纯水将反向渗透至淡水中,此即反渗透海水淡化原理(图1)。为了取得必要的淡化速率,实际操作压力大于5.5MPa。

图1 反渗透脱盐过程

② 电渗析法(Electrodialysis,ED) 

在直流电场的作用下,离子透过选择性离子交换膜而迁移,从而使电解质离子自溶液中部分分离出来的过程称为电渗析(图2)。

图2 电渗析脱盐过程

③ 蒸馏法

蒸馏法的海水淡化原理简单,即将海水加热,待水蒸汽冷凝后得到淡水。蒸馏法依据所用能源、设备及流程的不同,分为多级闪蒸(Multistage flash distillation,MSF)、低温多效(Multip le effect distillation,MED)和蒸汽压缩蒸馏(Vapor compression,VC)等。其中,低温多效在70℃以下进行操作,远低于多级闪蒸110℃左右的蒸汽温度,有效地避免了无机盐的结垢,是目前最为适用的蒸发技术之一。同时,它可利用各种形式的低位热源,如与火电厂或核电厂结合,利用蒸汽轮机的背压0.02~0.04MPa(绝对压力)抽气造水,减少发电损失,提高发电机组的效率(图3)。

图3 利用蒸汽轮机背压蒸汽的MED工艺流程

3 MED淡化工艺中海水蝶阀的结构设计

蝶阀的结构设计和密封形式是由海水的腐蚀特点和MED工艺参数决定的。海水的温度一般在30℃左右,含盐量约为3%,悬浮物含量为100~150mg/L,海水经过处理后(悬浮物约为20mg/L)进入淡化装置。MED装置的操作温度在70℃以下。在MED装置中,主系统的设备及阀门处于负压状态。因此,该部分阀门必须是真空设计的(图4)。阀杆具有三重O形圈密封。经过填料函的真空试验和密封真空试验完全达到了阻止大气漏入的设计要求。海水蝶阀的阀体处于胶套的完全包裹中,不会有海水渗入。阀杆也被胶套和O形圈包裹阻止了海水渗入,保证阀杆不被腐蚀和防止大气侵入管道。阀杆与蝶板采用方榫结构的连接形式。

图4 MED装置用真空蝶阀

4 蝶板材质选用

(1)球墨铸铁+尼龙11涂层

粉末状尼龙11的熔点为186℃。为保证涂层的稳定性及良好的粘和性,将其用在蝶板涂层时的使用温度不宜超过100℃,这个温度也接近胶套的极限工作温度。尼龙11涂层的蝶板与胶套之间的摩擦系数较小,因此开关时的力矩也小。尼龙11涂层经过了多年的验证,适用于氯离子含量在0.03%(Wt)以下的海水工况蝶板的涂层。

(2)1.4408不锈钢(或AISI316)+Halar涂层(表1)

表1 1.4408不锈钢化学成分和抗拉强度

Halar是乙烯与三氟氯乙烯的交替共聚物,是半结晶和可熔融加工的含氟聚合物。聚合物粉末只需喷涂几次就能达到理想的涂层厚度,每次喷涂最高厚度可达250μm。在Halar粉末喷涂过程中不需要加入溶济或稀释剂,使用安全,降低成本。还可避免使用有机溶剂可能带来的中毒和爆炸的危险。Halar粉末涂层不需要接缝。Halar粉末涂层使用的烘烤温度在260~290℃之间。通常,Halar粉末涂层应用于不锈钢和碳素钢表面,在其他金属、玻璃、碳或陶瓷表面也已得到应用。

Halar涂层从低温至150℃使用温度范围内,具有良好的耐化学性能和绝缘性能。工业上常用的化学试剂几乎都不能对Halar产生影响。它能够抵抗的化学品包括强无机酸和有机酸、强碱、金属刻蚀剂、液氧,除苯胺和二甲胺以外的所有有机溶剂。此外,与其他含氟聚合物一样,Halar会被金属钠和钾破坏。然而,Halar对氢氧化钠和氢氧化钾具有很强的抵抗作用。

Halar是一种抗冲击的韧性材料。它紧密的内部结构使其成为耐磨性和防渗透性能最好的含氟聚合物之一。Halar涂层蝶板的涂层厚度可达600μm以上,涂层抗压可达到2.0MPa,还可抗海水中颗粒杂质的冲刷。Halar涂层蝶板是最高性价比的耐海水腐蚀材料,其价格优于316L。氯离子含量在0.04%(Wt)以下的海水工况,可以采用此涂层的蝶板。

(3)铝青铜

铝青铜具有良好的机械性能、可成型性和导热性。同时在海水中具有良好的耐蚀性。它在海水中腐蚀的阴极过程是氧去极化,其腐蚀速度主要由氧的供给速度而定。铝青铜在海水中能生成一层腐蚀产物薄膜,这层薄膜阻碍了氧向金属表面扩散。它的耐海水腐蚀性能取决于这层有保护性的腐蚀产物膜。附着在铜表面的薄膜内层是氧化亚铜,外层是碱式氯化铜、氢氧化铜、碱式碳酸铜等的混合物。铝青铜在海水中的腐蚀为点蚀和缝隙腐蚀。铝青铜对海水流速敏感,超过临界流速时,腐蚀速度急剧增加。

海水蝶阀的铝青铜蝶板,常用的牌号G-CuAl10Fe(DIN 1705、1709,DIN 1714、1716)。与其相对应的中国牌号为ZCuAl10Fe3(原牌号为ZQAl9-2)。氯离子含量在0.03%(Wt)以下的海水工况,可采用铝青铜铸造的蝶板(表2)。

表2 G-CuAl10Fe化学成分及力学性能

(4)不锈钢

不锈钢材料具有较强的耐腐蚀性,不锈钢的晶间腐蚀和应力腐蚀在海水中不常见,但在海水中容易发生点蚀、缝隙腐蚀等局部腐蚀。要想在海水中合理有效地应用不锈钢,必须对它的腐蚀行为和规律有全面深入地了解。

在低流速海水中,18-8型不锈钢也容易遭受点蚀破坏。此时,如不采取阴极保护措施,则应采用高Cr、Mo的不锈钢,它有极好的抗点蚀和缝隙腐蚀的能力。在流速大于1.2m/s的海水中,不锈钢表面能得到氧的充分供应,海生物难以附着,沉积物难以积聚,此时,18-8型不锈钢不会产生点蚀。

海水含盐量在3%以下,pH值约为6.5,氯化物0.01%(Wt)左右时,可以采用316L不锈钢。对于其他工况,可按氯离子浓度来选择蝶板的材质。0.02%(Wt)以下,可选用ASTM A890/A890 M Grade 4A双相不锈钢。0.04%(Wt)以下,除了推荐用1.4408不锈钢+Halar涂层蝶板外,也可选用ASTM A890/890M Grade 5A的双相不锈钢(表3)。0.04%~0.05%(Wt)时,为了应对最严格的腐蚀工况,一般选择超级奥氏体不锈钢材蝶板,如254SMO(ASTM A269 S31254)、1.4529和AL6ZN(ASTM A240/A240M N08367)(表4)。

表3 蝶板用钢化学成分和力学性能

表4 超级奥氏体不锈钢的化学成分

表4中的超级奥氏体不锈钢化学成分中1.4529和N08367的含镍量约为25%,而254SMO只有18%,但它对耐氯离子腐蚀性上几乎没有影响。试验结果证明,254SMO的点腐蚀电位高于AL16XN,具有更好的耐点蚀能力。由于镍在现阶段处于高价位,所以采用254SMO会带来更佳的经济效益。

氯离子浓度≤0.1%(Wt)时,选用Hastelloy 镍合金ASTM A494CW-2M(表5)。

表5 蝶板用Hastelloy镍合金化学成分和力学性能

MED海水淡化工艺用蝶阀的部分零件推荐材 料见表6。

表6 海水淡化用蝶阀部分零件推荐材料

5 海水蝶阀的外表面防腐

在海洋金属材料设施中,常年不接触海水的部分称为海洋大气的腐蚀环境。海水淡化用蝶阀,一般都处于该环境中。与陆地相比,这部分由风带来的细小盐颗粒沉积在阀门的外表面,其腐蚀要比内陆大得多。为此,应在蝶阀的阀体和执行机构的外表面进行防腐处理。例如,PTFE+阳极处理或喷涂树脂处理。从而提高金属抵御海洋大气腐蚀的能力。

6 结语

海水淡化作为符合循环经济理念的新兴产业。正以其低能耗、低污染以及在工业废水处理、浓盐水综合利用和化工等领域的崭新应用前景,受到越来越多的重视。除此以外,我国自主研发的海水淡化装置,已走出国门,在东南亚沿海国家的火力发电厂的淡水制备中,发挥重要作用。

参考文献

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