中国海水淡化用铜合金管的生产应用及发展

王碧文

(中国有色金属加工工业协会,北京 100038)

0 前 言

我国国民经济迅速发展,淡水、电力供应将处于长期紧张状态.冷凝管是发展海水淡化、火电、核电和舰船的关键材料,国内供应短缺,生产工艺落后,生产成本高,尚无专业化的生产基地和稳定的供货渠道,不利于冷凝管生产技术和产品质量的提高[1].为适应国民经济的发展,大力发展铜合金冷凝管产业,建设生产基地十分重要.特别是2012年国务院文件[国发办(2012)13号]关于加快发展海水淡化产业的意见中指出:海水淡化对保障水资源持续利用具有重要意义.国内外应用实践表明,铜合金冷凝管是海水淡化产业的关键材料,因此建设和发展铜及合金冷凝管产业,建设生产基地是十分重要的.

1 市场需求和国内外发展趋势

人们从事冷凝管的生产和应用实践己有相当长的历史,冷凝管主要用于火力发电机组、舰船、海水淡化、制糖、制盐和化工等行业中的管式热交换器.冷凝管常用合金有:内陆电站用HSn70-1、海滨电站用HAl77-2、舰船用BFe30-1-1、BFe10-1-1等.随着火力发电装机容量的不断增加以及核电的发展冷凝管用量不断增加,冷凝管单根长度也不断增长.以60 万kW发电机组为例,共需长度为14.6 m的冷凝管400 t,海水淡化用BFe10-1-1管材长度已达18 m,常用冷凝管规格为直径16～30 mm、壁厚1.0～1.5 mm.目前国内外冷凝管都使用挤→轧→拉直条法生产,尚未实现盘式生产法.冷凝管的应用中铜及铜合金管受到薄壁不锈钢管、钛管的挑战,但是其防污、防海洋生物生长的能力远不如铜、钛管的成本高,这也限制了它在冷凝管中的应用,所以铜及合金冷凝管仍然具有广阔的发展空间.

1.1 海水淡化用蒸发和冷凝用铜合金管

海水淡化有膜法和热法两种.其中热法的蒸发和冷凝装置中大量采用铜合金热交换管,产水量1万t/日的装置需铜合金冷凝管300 t,国际上多级闪蒸法用白铜热交换管(BFe10-1-1、BFe30-1-1),每年达6万t,低温多效蒸馏法用黄铜(HAl77-2)每年达3万t.国内海水淡化装置中热法为低温多效蒸馏法,2020年前平均每年需要4 500 t铝黄铜冷凝管(相当于每年新增15万t/日产淡水能力).

1.1.1 多级闪蒸

在若干年内的国际范围内,多级闪蒸仍将是一种常用的海水淡化技术,但在国内基本不会有市场.从材质看,白铜仍将是传热管的主流材质.目前国际市场上多级闪蒸的每年合同量约为200万t/日,需要白铜约6万t/年.

1.1.2 低温多效

低温多效蒸馏海水淡化装置的每年新增产量在快速增加,铝黄铜和铝合金将共同占据传热管的主要市场.目前国际市场上低温多效蒸馏的年合同量约为100万t/日.对于一台产水能力1万t/日的低温多效蒸馏海水淡化装置,传热管用量约为300 t黄铜.如果全部使用铝黄铜,需求量约为3万t/年.

1.2 电站用冷凝管

冷凝管主要用于管式热交换器,主要应用领域是火电、核电、海水淡化和舰船.其中电站用冷凝器管约占70%,其需求量与国家发电装机容量的增长紧密相关,2005年我国发电装机容量为:

水电 1.174亿kW 占22.7%

火电 3.914亿kW 占75.7%

核电 685亿kW 占1.32%

“十一五”火电装机容量达5.8亿kW,新增2亿kW.火力发电以发展60万kW级电站为主,鼓励整体煤气化燃气-蒸气联合循环电站、坑口电站、天然气发电,加快淘汰落后的小火电机组.核电总规模达1 000万kW,重点建设百万千瓦级核电站.以5 t/万kW计算,约需要10万t铜冷凝管.但考虑到50%为钢管所代用,电站用铜冷凝管约为5万t,电站及海水淡化等用铜冷凝管约为5万t.

根据《海水利用专项规划》,预计到2020年,我国海水淡化能力达到250～300万t/日,但按照目前的发展趋势,有可能突破规划数据.按照到2020年新增淡化能力300万t/日计,其中低温多效蒸馏的市场份额可能达到150万t/日.如果全部使用铝黄铜,需求量约为4.5万t.

火电、核电发电的基本原理是依靠蒸汽推动汽轮机,进而使发电机工作,蒸汽作功后需要冷凝成水分重新返回锅炉.冷凝器的功能就是使蒸汽变为冷凝水.常用冷凝器为管状冷凝器,由数量众多的冷凝管组成(如图1、图2).在冷凝器中冷凝管外部为待冷却的蒸汽,管内通过冷却水.铜合金是重要的冷凝管材料,具有良好的热交换性能和优良的耐内陆水质和海洋水质的腐蚀性能.常用冷凝管铜合金分为两大系列:即适应内陆水质的锡黄铜冷凝管和适应海水介质的铝黄铜冷凝管、白铜冷凝管.这些冷凝管不但广泛应用于火电、核电,而且在军事舰船(核动力潜艇、导弹驱逐舰)、海水淡化工程中有着重要的用途.

1.3 船用冷凝器(铁白铜冷凝管)

主要用在舰船用柴油机主机空冷凝气管材、船用汽轮机、润滑油冷却器、海水冷凝气、海水淡化冷却器、空气冷却器、润滑油冷却器、燃油冷却器和液压冷却器等舰船的关键组件上.其铜合金牌号根据冷却介质有不同的选择,主要采用铁白铜、锡黄铜等.产品多为常用规格,其质量要求较高,特别是军用舰船.世界上第一艘核动力舰船铁白铜冷凝管用量为30 t.冷凝管在我国船舶工业中的用量较大,约为6万t/年.

图1 火电及舰船动力系统原理Fig.1 The principle of the thermal and warship power systems

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图2 管式主冷凝器Fig.2 The tube main condenser

我国船用换热器、冷凝器制造业比较落后,产品主要供应国内船舶,仅有少数企业制造的产品符合国际标准.目前我国建造的出口船舶上装的船用换热器、冷凝器很多依靠进口,大型出口船舶用的板式冷凝器几乎全部需要进口.

据几大造船厂的调查了解,中国造船企业承造的出口船舶所用的船用换热器、冷凝器和其他电器设备,基本上都是由外国船东指定供货商.目前我国铜制造企业主要向这些国家的制造厂商提供船用换热器、冷凝器上使用的铜管.

海水管系主要为铜镍合金材料,B10材料是一种能在海水中形成良好保护膜的耐蚀材料.由于它具有良好的综合性能和成功的实践经验,早已成为海水管系的传统材料.B10在国内外各种海水管系中已被广泛采用.一条FPSO浮式储油轮海水管系用量约为200 t、石油钻井平台用量约为250 t、4 780 kW拖轮用量为5～6 t,此外在豪华游船、快艇等军用船舶上也大量使用.目前,我国出口船舶上使用的白铜管国内仅有少数企业能够生产,大部分依靠进口.铝黄铜冷凝管规格较多,常用加热管规格为φ42～44 mm×2 mm×6 000 mm,连接管规格为φ56 mm×6 mm×6 000 mm，主要用于原油船用热交换管材.原油船由于原油黏度较高,而海上温度有时很低,需要将原油加热以便于输出.热交换用管材按照计算出的必要的换热面积敷设于油船的底部及四壁,用量较大.此外船用柴油机上使用的油冷器、水冷器上也大量使用铝黄铜冷凝管,一般一台大型低速船用柴油机用量约为8～10 t.

1.4 市场需求预测

我国电力工业发展迅速,2005年前建设52座火电站,装机容量总计5 400万kW,所建设发电机组均为30万kW和60万kW大型机组,所需冷凝管均为超长冷凝管.在发展电力工业中,突出发展清洁能源,核电发电能力将增长10倍,核电多为海滨电站.舰船业发展将超过以往各历史时期.海上石油开采和海水化工等产业发展方兴未艾.海水淡化产业将以水-电联产模式迅速发展.我国有辽阔的海疆,大力推进围绕海洋的产业发展是我国长远的国策,因此对超长冷凝管的需求更为迫切.冷凝管需求预测见表1.

表1 冷凝管需求量预测Table.1 The prediction of the demand of condenser tubes (万t)

2 铜合金冷凝管生产制造技术

2.1 合金成分

常用冷凝管合金成分见表2.

表2 常用冷凝管合金成分Table 2 The composition of common condenser tube alloys

2.2 生产方法

现代冷凝管的主要生产方法有传统的挤压-冷轧-拉伸法和中国的上引-冷轧法.

2.2.1 传统的挤压-冷轧-拉伸法

传统的挤压-冷轧-拉伸法如下：

生产装备如图3所示.

2.2.2 中国的上引-冷轧法

中国的上引-冷轧法如下：

生产工艺:上引连铸管坯φ65 mm×5 m-高速冷轧φ40 mm×1.5 m-冷拉φ19 mm×0.75 m-光亮退火.

2.3 工艺方案比较

由两种生产工艺的比较(见表3)可知,短流程工艺具有流程短、电耗低、加工费低和成品率高等优点，因此,推荐选择中国创新工艺.

表3 两种生产工艺的比较Table.3 The comparison between two production technologies

3 国内外铜及合金冷凝管生产状况

铜及铜合金以其具有良好的耐腐蚀性、高的换热系数和优良的力学性能、工艺性能、焊接性能以及抑制海洋微生物附着等特性,被广泛应用于海水淡化装置、海水倒灌电站、海洋舰船、海洋采油平台及其他辅机和辅助系统等海洋工程装置的热交换用管和管系管道装置用管.尤其在海水淡化、水电联产中大量使用铜合金管作为蒸发、冷凝过程的热交换管束.在海洋工程用管市场,HAl77-2和HSn70-1黄铜管、BFe10-1-1和BFe30-1-1白铜管等主要用于火电、核电、舰船、海水淡化以及船舶制造、石油化工等领域[2].其中,海水淡化、船舶制造等行业的需求前景被相对看好.即使按世界铜管材产量中有10%为海洋工程用管来估计,目前全球的产量也不足25万t.面对巨大的市场需求,海水淡化用高性能合金管产品的供应仍显得较为紧张.

目前国内生产海洋工程用铜及铜合金管的企业约20家,而年产量在1 000 t以上的企业主要有浙江海亮股份有限公司、中铝洛阳铜业公司、沈阳铜兴产业集团有限公司、桂林漓佳金属公司和金川公司等.其中,中铝洛铜是铜合金冷凝管生产开发最早的领军企业,为我国海军建设做出了重要贡献,海亮股份、高新张铜等公司已研制出MED海水淡化工程用高性能热交换冷凝管,海亮股份还研制出MSF海水淡化工程用的高性能超长热交换冷凝管,成为我国首家、也是唯一能覆盖所用热法海水淡化工程的热交换铜合金冷凝管的企业,其产品受到国际市场欢迎.2006年起,海亮股份已连续三年成为我国最大的铜及铜合金管出口企业,目前热交换用铜合金管年产能为6万t.据海关数据统计,2008年海亮股份的合金管出口比例占全国合金管出口量44 496 t的50%以上,成为当年国内该产品出口的最大供应商.随着越南海亮公司铜及铜合金管建设项目的投产,2010年海亮股份的热交换用铜合金管年产能进一步放大,成为国际上该行业高端领军企业.桂林漓佳金属公司是我国最早从事该产品生产的专业化生产企业,随着市场经济的深人发展,国内许多铜管企业都开始涉足该产品生产,新乡金龙集团己实现B10白铜盘管拉伸,金川公司引进了先进的5 500 t油压挤压机,许多中小企业科研院所、大专院校在发展铜合金冷凝管短流程工艺中取得了可喜的成果,在降低项目投资、产品成本和能源消耗上做出了重要贡献.

由于海水淡化铜合金管的特殊性,且具有重要的使用要求,冷凝管的铜合金管不仅要具有优良的导热性能,而且还应具有良好的耐腐蚀性能.通常为复杂黄铜和白铜,他们是由3种以上甚至是6、7种金属元素组成的铜合金,如HAl77-2、HSn70-1、BFe10-1-1、BFe30-1-1等.其主要制造特性为:表面质量要求高、生产流程长、熔炼铸造温度和挤压温度高、冷热应力大,易产生内外部裂纹、加工变形抗力大以及工模具消耗大等特点.因此,在生产中熟练掌握合金特性,合理控制工艺参数和各工序环节间工艺参数的匹配,精细化生产是十分重要的.

国外发达国家高度重视铜合金热交换器管的生产和研发,生产规模、产品质量和生产技术都远领先我国,代表企业有德国KME、日本神户制钢等.我国该产业总的情况是:企业规模小,总产能不足,生产技术和装备先进、落后并存,产品质量急待提高.主要工作是:大力推进技术创新,组建产业联盟,做大做强.

4 冷凝管及产业发展方向

冷凝管合金主要是向抗应力腐蚀和耐海洋生物附着的低镍白铜方向发展;各类海洋水质的辅机加热器用冷凝管多为铝黄铜;中等直径(φ25～40 mm)冷凝管向大长度发展,各种联接管向盘管发展.

发展高效热交换冷凝管(如内外螺纹管、复合管、长冷凝管);提高产品质量,攻克除油脱脂技术难关,消除管材内表面碳膜缺陷;大力推进科技创新,发展节能、环保,短流程新工艺;做大做强铜合金冷凝管产业,满足海水淡化产业需求,开拓国际市场,建立有产、学、研应用单位参加的铜合金管产业联盟.

参考文献:

[1] 王君，何笑辉.国内外铜及铜合金冷凝管市场分析[J].中国金属通报，2007(16)：7-11.

[2] 李捧霞.BFe30-1-1铁白铜换热器的制造工艺优化[J].化工装备,2012(2):40-44.