淡化是指去除海水中的矿物质(主要是盐)以供人类饮用或灌溉粮食的工艺。 虽然这种工艺的能耗相对较高,因此其成本较之从河流或地下水中提取淡水更昂贵,但在世界上许多缺水地区,这很有使用的必要。

全球目前约有19000家海水淡化厂,满足3亿多人口的需求。 但是,由于人口增长和经济发展,这个数字还可能会显著增大。

淡化工艺分为很多不同的种类,但其中有两种常见的类别。

a) 热法淡化

这种工艺是通过蒸发海水来净化水。 释放出的蒸汽在冷却时发生冷凝,同时留下杂质。 多次重复这个基本流程就能获得越来越纯净的水。 热法淡化的两种最常见形式是:

多级闪急蒸馏 将水加热后的产物反复多次重新加热,每次的压力都较上一次要低。 这通常是个非常耗能的过程,但通过在常规发电厂的旁边建造这类工厂往往就能弥补这个不足。 通过利用废热(非常大量且低温,以其他方式难以利用),运转此类工厂要比反渗透等替代工艺消耗的能源少得多。 由于在中东地区供水的超大型工厂非常多,因此在目前生产的淡化水中,多级闪急蒸馏占据了最大的比例。 多级闪急蒸馏的主要缺点是需要吸入较反渗透工艺更多的盐水,因此前期成本和维护成本非常高。

多效蒸馏 这是一种与多级闪急蒸馏类似的简单工艺。 将盐水溶液加热,然后让产生的纯净水流入下一个蒸馏室中。 水所携带的热能用于将水再次煮沸,产生更多的蒸汽。

b) 过滤法淡化

同样,这种工艺的基本流程也有许多变化,但就工厂数量而言,反渗透工艺占据了主导。 在这种方法中,水溶液会在压力的作用下通过一个可滤除较大溶质(盐)的滤膜。

在所有大规模工艺中,反渗透通常被认为能耗最低。 但是,在工艺操作方面也存在挑战:滤膜上很容易积聚细菌和堵塞物;当使用氯来杀菌时,滤膜会发生退化,水质不如热法淡化中的纯净。 这是一种低温高压工艺,而之所以受到青睐,部分原因在于无论是小型的独立设备还是工业化生产,它都能够灵活地调整规模。 这种工艺在不断改良。最先进的滤膜能够在低于600psi的压力下将水推过,同时仍能去除盐和其他溶质。

淡化工艺可处理各种成分的水,不论它们位于哪里(海水,苦咸水),或是采用哪种工艺(浓缩海水,蒸馏液)。 输入溶液的pH值通常介于6.0-8.0之间,而氧化和氯离子水平因地点而异。 选材时的另一个主要因素是液体流速,以及它是否会加剧侵蚀或气蚀。 以下会深入讨论这些不同的挑战。

c) 遭受的腐蚀类型

i) 气蚀

系统的低压区域可能会形成蒸汽空泡 – 随后会在高压区域爆炸,对金属的钝化保护膜造成破坏。 在最极端的情况下,这些空泡爆炸时产生的冲击会对金属造成直接的机械破坏。 在淡化厂中,空泡对保护膜的破坏,加之腐蚀性条件,都会加速金属的腐蚀。

一般而言,不锈钢具有良好的耐气蚀性,而这很大程度上得益于它们具有较高的强度和硬度,因此不容易遭受机械冲击的损坏。 相反地,较软的金属耐受气蚀的能力通常都较差。

具体的系统设计会对气蚀造成重大影响。从泵的设计和位置,到管道尺寸,所有这些都可能会引发不稳定或不均匀的液流以及发生气蚀的风险。

ii) 侵蚀

侵蚀是因腐蚀性液体和金属表面的相对运动,或因反复脱落和维修钝化保护层而造成的加速腐蚀。 例如,当沙子侵入处理海水的淡化系统零件时,就可能产生侵蚀。

一旦引起侵蚀,表面上的点蚀会增大湍流,从而迅速加快侵蚀速度。 可加剧这种现象的其他因素包括损坏、不良做工或会扰乱水流的不良设计。它们都可能会造成湍流和高流速,让侵蚀变得更加严重。

侵蚀在软合金(例如铜、铝和铅合金)中最为常见。 能够在腐蚀性环境中形成钝化保护膜的耐腐蚀合金通常都存在一个极限流速,超过此流速后,腐蚀会迅速加快。 不同的材料在流体条件下的表现也不同。 一般而言:

a) 碳钢(包括铸铁)在所有流速下都会显著腐蚀,不适合(除非加以保护)长期用于暴露在腐蚀性环境中的泵、阀门和管件。

b) 铜基合金和奥氏体铸铁在低流速和中等流速下都有非常好的表现,但在高流速下,它们会遭受每年约1毫米的侵蚀。

c) 不锈钢和镍铜合金在低流速下几乎不会腐蚀,但通常有可能遭受点蚀。 当流速超过1m/s时,不再发生进一步点蚀。当流速达到40 m/s时,点蚀可以忽略。

iii) 腐蚀疲劳

实际上,只有那些会承受高强度重复循环的零件(例如泵轴)需要关注腐蚀疲劳。 这些轴通常具有一些特点,例如集中疲劳应力的截面会发生改变。 一般会从这些应力集中点开始失效,而通过确保在所有截面改变的位置提供大圆角半径,通常就能防止这种现象。

不锈钢被广泛用作海水泵和盐水泵的轴材料。 对于水中氯化物含量不高,腐蚀性不太强的环境,可使用诸如Alloy 304、Alloy 410 (12%Cr)和Alloy 430 (17%Cr)等基础钢种。 但是,对于会发生点蚀和裂隙腐蚀的海水环境,常用的最低规格钢种为Alloy Type 316

一般而言,具有较高强度和耐腐蚀性的合金都具有良好的腐蚀疲劳强度。 因此,双相和超级双相不锈钢是非常理想的选择 – 尤其是它们的强度比标准奥氏体钢种高很多,从而能够在较高的设计应力下使用(减小直径,降低成本)。 此外,这些合金通常较Alloy 316具有更好的耐点蚀和耐裂隙腐蚀性。

Ferralium 255 – SD50的屈服强度超过85 ksi (586N/mm2),抗点蚀当量值(PREN)大于40,并被广泛用于所有级别的泵。 此外,我们高性能的Fermonic 50奥氏体不锈钢也可用于这种应用。 它可以供应屈服强度超过105ksi (725N/mm2)、PREN达到34的高强度版本,而关键在于,它能够在低温下保持出色的韧性,因此适合恶劣环境下的应用。

iv) 点蚀和裂隙腐蚀

在含有氯的近中性溶液中,点蚀和裂隙腐蚀是选材时考虑的最重要因素。 点蚀是一种非常局部的腐蚀形式,可导致产生小孔。 它发生在钝化保护层的薄弱位置,环境中要同时存在侵蚀性很强的物质(氯离子)和可能造成氧化的物质(曝气水)。 在大型淡化厂的设计和运转中,要彻底排除水中的氧气非常困难,因为氧气很可能通过泵、密封件和法兰及泵入的海水中被吸入。

裂隙腐蚀通常发生在沉积物的下面和加工零件的接合部位。 仅当存在曝气水时,含氯溶液中的不锈钢才可能发生裂隙腐蚀。 这些区域中的水可能具有与任何其他位置不同的曝气水平,导致金属离子(Cr3+, Fe3+)增多,将氯离子(Cl-)吸引到裂隙位置以维持电中和。 裂隙内的环境越来越集中,从而形成盐酸并加速点蚀。

虽然任何指定材料的耐腐蚀性在很大程度上都取决于具体的环境状况,但可借助抗点蚀当量值(PREN)来基于金属的化学成分比较它们的耐点蚀性能。

一些耐腐蚀合金的典型抗点蚀当量值


注意:PREN = %Cr + 3.3x %Mo + 16x %N

超级双相不锈钢种铬含量更高并且还含有钼和氮,因此其抗点蚀性非常出色。 但是,与许多奥氏体不锈钢和镍合金不同,其镍含量相对较低。 考虑到镍价的高企和波动,这对于其规格来说会是一项重要的成本优势。

要鉴定金属的适宜性,另一种简单方法是审视作为标准化实验室检测值的临界点蚀温度(CPT)。 将样本暴露在一种强腐蚀性溶液中,其CPT表示了开始发生点蚀的温度。 与真实的生产环境相比,实验室检测环境包含了一些人为条件,因此这只是就易受点蚀性对金属进行评级,而并非它们的实际性能。 有时,客户会凭借基本的经验认为金属的CPT应大于40°C,而Langley Alloys投放到市场的大多数金属都符合这条经验。

一些耐腐蚀合金的典型临界点蚀温度值

d) 选材的实践经验

多年来,Alloy 316L一直被广为使用。 它具有通用并广泛的可用等级,对淡水具有出色的耐腐蚀性,但在曝气海水中,它的性能却有些差强人意。 因此,它只能用于工厂的“加工后端”,即在淡水中。

由于添加了钼和更多的铬来增强耐点蚀性,因此使用Alloy 317L可提升性能。 如果海水中存在很少的氧气,则它可以应用在海水环境中。

双相不锈钢Alloy 2205越来越多地用于许多加工工业中,尤其是纸浆厂和造纸厂。 双相合金具有更好的耐腐蚀性,它们的强度通常是标准奥氏体不锈钢的两倍,并且具有更出色的耐应力腐蚀开裂的能力。 对于那些材料会在腐蚀性环境中承受拉伸应力的应用来说,这非常重要,尤其是在高温下。 因此,它一直被广泛用于具有了所有这些条件的大型热法淡化(多级闪急蒸馏)厂的外层。 尽管如此,它在高度曝气的海水中仍无法耐受腐蚀。

因此,使用诸如Alloy 254等的高度合金化奥氏体不锈钢和诸如Ferralium等的超级双相不锈钢可进一步提升性能。 它们的PREN值分别为43和大于40,都具有出色的耐点蚀、裂隙腐蚀和应力腐蚀开裂的能力。 因此,它们被广泛用于海水中存在高度曝气,最高工作温度达到约35摄氏度的应用中。Ferralium一直被广泛用于淡化厂的泵和阀门、管道和指定部件。 一直以来,工厂的“海水端”通常使用这些具有更高耐腐蚀性的合金。

特定应用中可能需要更高的耐腐蚀性。 例如在反渗透淡化厂中,用于清洁滤膜的反冲洗溶液原本就具有更强的酸性。

工厂停工和维护期间也可能会发生问题,因为与普通运转时相比,积水中的曝气量可能会显著增高。 长此以往,这就会在停工期间形成生物膜和污泥,然后造成裂隙腐蚀并在重新开工后持续很长一段时间。 向水中添加物质或加氯消毒可能有助于抑制细菌生长,但溶液应与建造材料相容。

用于建造泵体和阀体的常用材料包括不锈钢的铸态奥氏体、双相和超级双相钢种。 由于诸如Ferralium等双相和超级双相钢种在泥浆和盐水中具有更高的耐侵蚀和耐磨损性,因此会选择它们作为材料。

铜合金广泛用于诸如换热器等需要借助其热导性的应用。 它们还具有良好的耐一般腐蚀性,但仅限于在低流速下(与耐侵蚀性的情况类似)。此外必须要小心,以免进水中的污染物(例如氨)对选定的合金造成破坏。

虽然镍合金适合于海水应用,但大规模应用的成本非常高。

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Case Studies

技术论文

TP18 – Corrosion & Material Selection for Desalination Plant Heat Exchangers – C.Ghenai,沙迦大学

本论文探讨了淡化厂换热器中所用的冷凝器的选材标准。 需考虑材料的热通量、碳足迹和成本,以及更多的典型性能特性。 借助综合计分卡,建议在此应用中采用Ferralium®,而不是S32760。