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(fā)電有限責(zé)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(shù)是指在真空情況下，鹽水的最高蒸發(fā)溫度低于70℃的淡化技術(shù)，其特征是將一系列的水平管噴淋降膜蒸發(fā)器串聯(lián)起來，用一定量的蒸汽輸入通過多次的蒸發(fā)和冷凝，后面1效的蒸發(fā)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(shù)相比，操作溫度較低，在一定程度上減緩了結(jié)垢傾向，但是不能完全避免結(jié)垢。由于污垢的導(dǎo)熱系數(shù)極小，結(jié)垢會嚴(yán)重影響海水淡化蒸發(fā)器換熱管的傳熱性能，使造水比大幅度降低，更嚴(yán)重的是結(jié)垢會引發(fā)垢下腐蝕，造成換熱管穿孔泄漏，影響淡化水品質(zhì)。由于第1效的海水蒸發(fā)溫度最高，雖然通過嚴(yán)格控制運(yùn)行參數(shù)并添加阻垢劑等方式能延緩結(jié)垢速率，但長期運(yùn)行仍不可避免會產(chǎn)生大量結(jié)垢，影響裝置換熱效率，降低產(chǎn)水量。

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

鈦一度被認(rèn)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(shí)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(shù)的提高，鈦的產(chǎn)量得到大幅提升，價(jià)格顯著下降，鈦及鈦合金在世界范圍內(nèi)取得了廣泛的應(yīng)用。

1 現(xiàn) 狀

1.1 設(shè)備簡介

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

海水經(jīng)過冷卻海水系統(tǒng)噴入蒸發(fā)器本體，整套裝置在≤68℃低溫下運(yùn)行，出水含鹽量≤5 mg/L(電導(dǎo)≤10μS/cm)，蒸發(fā)器共分為10個(gè)效體，前7效內(nèi)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(zhì)為316 L不銹鋼，04海水淡化蒸發(fā)器換熱管的設(shè)備參數(shù)如表1所示。

表1 某電廠04海水淡化蒸發(fā)器換熱管設(shè)備參數(shù)

1.2 蒸發(fā)器換熱管束現(xiàn)狀情況調(diào)查

裝置正常運(yùn)行時(shí)汽側(cè)壓力高于鹽水側(cè)壓力，濃鹽水不會污染產(chǎn)品水，可充分保證產(chǎn)品水質(zhì)量。但換熱管束泄露時(shí)會有濃鹽水通過換熱管泄露到汽側(cè)，造成出水含鹽量超標(biāo)，只能通過堵住泄露的換熱管進(jìn)行臨時(shí)處理。直至本次施工之前，04海水淡化蒸發(fā)器的第1效蒸發(fā)器銅合金換熱管腐蝕泄漏非常嚴(yán)重，堵管數(shù)量約3500根，占該效總管數(shù)的12.4%(見圖1)。同時(shí)根據(jù)蒸發(fā)器底部換熱管檢查結(jié)果，第1效蒸發(fā)器的結(jié)垢情況極為嚴(yán)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(fā)器底部換熱管所結(jié)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(fā)器換熱管束表面結(jié)垢后，水垢的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于金屬銅的導(dǎo)熱系數(shù)，不僅造成換熱率下降，還會使鹽水流動(dòng)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(jié)垢傾向越大。這種情況長期存在下，結(jié)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(fā)器堵管非常嚴(yán)重

鑒于換熱管束的泄露與表面結(jié)垢已經(jīng)影響了設(shè)備的性能和安全，如不及時(shí)處理將無法保證海水淡化裝置正常運(yùn)轉(zhuǎn)。故此次擬將第1效蒸發(fā)器的HAl77-2銅合金換熱管全部更換為TA2鈦換熱管。經(jīng)過設(shè)計(jì)人員對于換熱性能、耐腐蝕性能、強(qiáng)度、加工性能、抗沖擊性能等方面的比較和計(jì)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(shù)量較少，累積的工程技術(shù)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(fā)器換熱管束結(jié)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(shè)備將換熱管整體拔出，這樣省時(shí)省力，廢銅管也便于收集存放。下部結(jié)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(guān)鍵在于要預(yù)先拆除脹管部分，并且拆除時(shí)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(huán)形傷痕，同時(shí)不得影響管孔尺寸與形狀，否則會影響重新脹管的質(zhì)量甚至導(dǎo)致管孔報(bào)廢。我們采取的方法是：先用扁鏨從管板兩側(cè)將管頭部分鏨成桃形，確認(rèn)管孔處已退脹松動(dòng)后再使用液壓拔管設(shè)備進(jìn)行拔管。

在拔管施工進(jìn)行到第4層管束時(shí)，發(fā)現(xiàn)換熱管外壁結(jié)垢程度非常嚴(yán)重(見圖2)，超過了前期的預(yù)計(jì)。施工人員拔管時(shí)阻力巨大，部分存在腐蝕的管束因應(yīng)力集中，出現(xiàn)管束在拔管時(shí)斷裂，無法將整根管束抽出。所以拔管施工被迫提前結(jié)束，轉(zhuǎn)為人工分段切割拆除。

圖2 換熱管外壁結(jié)垢非常嚴(yán)重

采用人工分段切割的方法，需要以蒸發(fā)器內(nèi)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(fā)器。由于第1效蒸發(fā)器整體空間受限，只有一個(gè)人孔可供物資與人員進(jìn)出，人工分段切割轉(zhuǎn)運(yùn)的的工作量是整體拔管工作量的數(shù)倍，實(shí)施后對于整個(gè)工期的影響尚未可知，有待施工隊(duì)伍在人員安排、資源配置方面做出調(diào)整來滿足工期的要求。

同時(shí)由于蒸發(fā)器整體空間受限與銅管外壁結(jié)垢嚴(yán)重的具體情況，施工人員放棄了傳統(tǒng)的火焰切割的方法，通過現(xiàn)場試驗(yàn)決定采用沖擊鏟鏟斷的方法(見圖3)，這個(gè)方法相較于火焰切割沒有火焰產(chǎn)生，在封閉空間也可實(shí)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(fēng)險(xiǎn)。

圖3 采用沖擊鏟的方式切斷銅管

結(jié)束工作量最大的換熱管束拆除工序后，需及時(shí)對蒸發(fā)器內(nèi)部進(jìn)行清理，同時(shí)對管板與隔板的管孔進(jìn)行全面檢查。先用細(xì)砂布配合電動(dòng)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(gè)別存在銹蝕的管孔需由技術(shù)人員進(jìn)行處理。清理后的管孔壁不得有縱向刻痕，個(gè)別銹蝕修復(fù)管孔允許有一條螺旋形或環(huán)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(jié)束后(見圖4)，準(zhǔn)備進(jìn)入穿管、脹管工序。

圖4 清理干凈管板和管孔上雜質(zhì)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(nèi)有較為豐富的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。其主要原理是運(yùn)用脹管設(shè)備促使換熱管及相應(yīng)的管板發(fā)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(nèi)，由于管孔的彈性變形將管口緊緊固定而達(dá)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(shè)備的換熱性能，要保證換熱管盡量不發(fā)生損壞，還要保證脹管的嚴(yán)密性和管子與管板脹接的連接強(qiáng)度。第1效蒸發(fā)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(chǎn)生的下垂，將會導(dǎo)致管子進(jìn)入下一張隔板時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)孔，為了避免這樣的情況發(fā)生，施工人員在每根管子的端部加裝了穿管導(dǎo)向器，穿管時(shí)在兩端管板和各道隔板處都設(shè)人員引導(dǎo)，使穿管對準(zhǔn)各道管孔，避免沖撞(見圖5)。

圖5 穿管過程中

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

脹管工序完成后，就可以在蒸發(fā)器鹽水側(cè)噴淋、灌水進(jìn)行密封性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)管子是否有漏脹、損壞以及脹管密封性是否滿足運(yùn)行要求。最后，施工隊(duì)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(cè)的灌水試驗(yàn)，合格后即宣告整個(gè)換管施工完工。

經(jīng)過施工人員、技術(shù)人員以及質(zhì)量人員的共同努力，本次換管施工順利結(jié)束。海水淡化裝置換管后，系統(tǒng)監(jiān)測出水含鹽量為4 mg/L，滿足設(shè)計(jì)出水含鹽量≤5 mg/L(電導(dǎo)≤10 μS/cm)的要求。額定造水比由11恢復(fù)至設(shè)計(jì)值13.0，裝置制水效率大幅提高。設(shè)備的熱交換性能以及嚴(yán)密性完全滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié) 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(jìn)行分析，得出換管施工工藝要注意以下幾點(diǎn)：

1)是否具備液壓拔管的條件；

2)當(dāng)管外結(jié)垢嚴(yán)重時(shí)應(yīng)當(dāng)有相應(yīng)的解決方案；

3)切割移除舊管時(shí)勿傷及管板管孔；

4)穿管時(shí)務(wù)必加裝導(dǎo)向器并且人工及時(shí)糾偏；

5)脹管前必須做試驗(yàn)。

針對以上要點(diǎn)，嚴(yán)格控制施工過程中這幾個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，換管后的設(shè)備性能和壽命才能得到有效保障。同時(shí)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(gè)參考。