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(duì)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(qiáng)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?yàn)檐堉粕a(chǎn)的無縫鈦管價(jià)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(jì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不充分，難以指導(dǎo)海水淡化系統(tǒng)設(shè)計(jì) [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(duì)材料成本的控制要求，亟待針對(duì)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(duì)其開展了低溫多效蒸餾海水淡化應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，以測(cè)試其耐腐蝕性能和傳熱性能，驗(yàn)證焊接接頭質(zhì)量，獲得實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)設(shè)備、材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為采用鎢極氬弧焊工藝搭建的薄壁鈦管焊接測(cè)試生產(chǎn)線和低溫多效蒸餾海水淡化中試平臺(tái)。焊接測(cè)試生產(chǎn)線如圖 1 所示，主要由 GP-TIG500Pcw鎢極氬弧焊自動(dòng)焊管機(jī)、自動(dòng)卷管機(jī)、焊后熱處理設(shè)備組成。低溫多效蒸餾海水淡化中試平臺(tái)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(yùn)行條件下各效蒸發(fā)器和冷凝器運(yùn)行參數(shù)如表1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為張家港華裕采用圖1所示卷焊鈦管測(cè)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(shí)驗(yàn)

利用上述實(shí)驗(yàn)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(cè)試，采用失重法分析評(píng)價(jià)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(duì)比分析，具體實(shí)驗(yàn)步驟和方法如下。

1.3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

（1）實(shí)驗(yàn)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(gè)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(hào)，用游標(biāo)卡尺測(cè)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(diǎn)，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(yàn)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(yùn)行30天后將各試樣取出并測(cè)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(píng)價(jià)其耐腐蝕性能。

1.4 傳熱試驗(yàn)

耐腐蝕性實(shí)驗(yàn)完成后，將腐蝕鈦管試樣全部取出，并用3%氨基磺酸溶液對(duì)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(shí)驗(yàn)。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(yùn)行參數(shù)計(jì)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(yùn)行數(shù)據(jù)，主要包括：首效凝結(jié)水流量、動(dòng)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(jì)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)間，h。

對(duì) ?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(dòng)態(tài)腐蝕實(shí)驗(yàn)，連續(xù)運(yùn)行30天后，將腐蝕樣管取出，測(cè)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(shì)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(diǎn)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(dòng)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(shí)驗(yàn)過程中，將中試裝置維持在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行，測(cè)量首效凝結(jié)水流量、動(dòng)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(jì)算數(shù)據(jù)，通過傳熱基本公式計(jì)算設(shè)計(jì)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(cè)得。通過大量實(shí)驗(yàn)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(yùn)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(jì)算結(jié)果如圖6 所示。從圖 6 可知，實(shí)際運(yùn)行過程中薄壁鈦管傳熱性能分兩個(gè)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(gè)離散點(diǎn)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(dòng)過程中起到了擾動(dòng)和破壞邊界層的作用，在一定程度上起到了強(qiáng)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(shí)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(shí)，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(jì)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(shì)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(cè)算，同種外徑尺寸的鈦傳熱管，TIG卷焊工藝相對(duì)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(duì)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(jì)效益十分顯著。

3、 結(jié)論

針對(duì)蒸餾海水淡化傳熱管對(duì)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(tái)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(shí)驗(yàn)研究，并與傳統(tǒng)無縫鈦管進(jìn)行了對(duì)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(shí)際應(yīng)用環(huán)境中的耐腐蝕測(cè)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(shí)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(shí)際海水淡化裝置工藝設(shè)計(jì)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(diǎn)蝕、縫隙腐蝕等危害較大的局部腐蝕現(xiàn)象，充分驗(yàn)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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