双相不锈钢在海水淡化中的应用研究

王 东，张东铭，史晓东，寇彦德，张岩岗

引言

随着我国水资源短缺的现状日益加剧，海水淡化正在成为我国解决淡水资源短缺这一困境的重要途径之一。近年来，我国一直在积极推进海水利用，特别是在2016年12月30日，国家发改委、国家海洋局联合发布关于印发《全国海水利用“十三五”规划》的通知，提出规划的总体目标是：到2020年，海水利用实现规模化应用，产业链条日趋完备；“十三五”末，全国海水淡化总规模达到220万吨/日以上。

海水淡化，也就是通过对海水进行脱盐来获得价格合理，水质良好的淡水资源。目前，世界上比较成熟的海水淡化工艺主要有5种，分别是低温多效蒸馏法、反渗透法、多级闪蒸法、电渗析法以及汽化压缩法[1]。其中，前三种工艺为近年来国内外均发展比较成熟且实现大规模工业化应用的海水淡化工艺。

无论采用何种海水淡化工艺，海水淡化装置及工艺管线的主体材料的选择都将是降低海水淡化成本、提高装置使用寿命、实现海水利用的规模化以及国产化的关键所在。

双相不锈钢因具有良好的力学性能以及在典型极端环境下优异的耐腐蚀性能，国内外新建的海水淡化工程均开始采用性能更为优异的双相不锈钢来替代传统的奥氏体不锈钢——316L不锈钢，以提高海水淡化装置的耐腐蚀性和使用寿命。此外，随着生产双相不锈钢的先进工艺装备的投产应用，国内双相不锈钢工艺、品种、规格都在日益完善，如太钢已具备成熟的生产3000 mm宽的中厚板、2000 mm宽的热轧卷板和0.6mm×1500mm的冷轧板卷的生产能力[2]，双相不锈钢相比于传统奥氏体不锈钢的价格优势将越来越明显，这对双相不锈钢在海水淡化装置中的成本控制以及规模化应用将具有重要的意义。

1 典型用于海水淡化双相不锈钢的性能

双相不锈钢（Duplex Stainless Steel，简称DSS），是指微观组织由奥氏体和铁素体两相以接近1：1的比例组成的不锈钢，两相独立存在且含量较少的相不低于30%。由于双相不锈钢特殊的两相微观组织，双相不锈钢兼具奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢独特的优点[3]。相对于奥氏体不锈钢，其强度高且耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀性能明显提高；相对于铁素体不锈钢，其塑性和韧性更高，室温脆性、耐晶间腐蚀性能和焊接性能均明显提高。

海水淡化装置中常用的结构材料有低碳钢（包括涂镀低碳钢）、不绣钢、钛、铜合金、铝合金、塑料和橡胶等[4]。由于强度、耐腐蚀性能以及成本方面的优势，双相不锈钢正在逐渐取代原有海水淡化装置中的奥氏体不锈钢、铜合金和钛材。

表1列出了海水淡化装置常用的双相不锈钢的种类和化学成分，为了方便对比，同时也列出了海水淡化装置用奥氏体不锈钢的种类和化学成分[5]。

表1 列出了海水淡化装置常用的双相不锈钢的种类和化学成分

其中，S32101和S32304作为节约型双相不锈钢，S32205作为普通型双相不锈钢，S32750作为超级不锈钢，被越来越广泛地应用于各种海水淡化工程。其中，S32750超级不锈钢具备与6Mo接近的耐腐蚀性能，但由于其较低的贵金属Mo的含量，在成本上比6Mo超级奥氏体不锈钢更有优势。

S32101双相不锈钢是一种新型的节约型双相不锈钢，在海水淡化环境下其耐腐蚀性与316L不锈钢接近，且优于304L不锈钢，其强度是304L和316L不锈钢的两倍，其机械性能也要优于304L和316L不锈钢。S32101是蒸发器壳体以及内部结构的理想材料，相对于304L不锈钢，具有良好的耐腐蚀性，相对于316L不锈钢，在价格上更有优势。中东地区的多座MSF海水淡化装置都应用了S32101双相不锈钢。

S32304双相不锈钢的耐腐蚀性在大多数介质中与316L不锈钢接近，但S32304双相不锈钢具有更高的强度性能，可以使用较少的材料便可以达到相同的强度要求，可以节省材料以实现降低成本的目的。中东地区的多座MED海水淡化装置都采用了S32304双相不锈钢。

S32205双相不锈钢拥有优异的耐应力腐蚀性能，且耐点蚀和耐缝隙腐蚀性能与904L不锈钢接近，因此，S32205双相不锈钢是制造MED和MSF蒸发器的理想材料。自2003年利比亚Melittah海水淡化厂首次采用S322025双相不锈钢制造MSF装置以来，S32205双相不锈钢被广泛用于蒸发器的制造。

S32750超级双相不锈钢具备优异的强度特性，在多种环境下具备优异的耐腐蚀性，其耐腐蚀性与6Mo超级奥氏体不锈钢接近。Singapore的Perth海水淡化厂能源回收系统采用高强度和高耐腐蚀性的S32750超级双相不锈钢，海水反渗透(SWRO)装置的高压管线也采用可以经受住较高的腐蚀和压力的S32750超级双相不锈钢。

2 DSS用于低温多效海水淡化（MED）工艺

低温多效海水淡化技术是20世纪80年代成熟起来的高效淡化技术，海水的运行温度最高不超过70℃，可以减缓设备的腐蚀和结垢。加热蒸汽从蒸发器的第一效进入传热管，同时，经预热的海水被喷淋装置喷洒到传热管壁外侧，吸收管内加热蒸汽的潜热后蒸发，管内的加热蒸汽被冷凝。蒸发产生的二次蒸汽作为加热蒸汽进入下一效的传热管内被冷凝，浓缩后的海水被排放。依次重复上述过程，则可实现加热蒸汽能量的多级利用，达到产水量多倍于蒸汽消耗量的效果[6]，图1为其现场装置图。

图 1 低温多效海水淡化装置

316L不锈钢在复杂环境下具有良好的耐腐蚀性，但在海水环境下长期工作其点蚀和缝隙腐蚀情况很难得到有效控制。蒸发器底板、管板、管支撑板以及冷凝器管板、管支撑板等直接与海水接触的壳体及内部材料均可以选用合适型号的双相不锈钢来替代作为蒸发器传统材料的316L不锈钢，以保证负压状态下蒸发器的耐蚀性、强度以及焊接加工性能。其中，蒸发器底板可选用厚度为7 mm的S32205双相不锈钢，蒸发器管板及管支撑板可分别选用厚度为22 mm和6 mm的S32304双相不锈钢，冷凝器管板可选用厚度为22 mm的S32205双相不锈钢，冷凝器管支撑板可选用厚度为10 mm的S32304双相不锈钢.

此外，在横管降膜蒸发器中，通常换热管的上三排一般选用耐腐蚀性能、耐高温性能优异的TA2钛管，其他排选用耐海水腐蚀性能良好、导热性能好的铜铝合金管。考虑到钛管的昂贵价格以及铜铝合金管较差的耐冲击腐蚀以及电偶腐蚀性能，S32750超级双相不锈钢管将是替代钛管或铜铝合金管的理想材料。

3 DSS用于反渗透海水淡化（RO）工艺

反渗透法是利用半透膜（只允许溶剂分子透过不允许溶质分子透过），在浓溶液一侧施加一个高于其自然渗透压的外界压力，水分子在外界压力的驱动下透过半透膜进入到稀溶液一侧，得到净化海水[7]，图2为其高压管线的现场装置图。

图2 反渗透海水淡化装置高压管线

在反渗透海水淡化装置中，双相不锈钢主要用于高压环境，如经高压泵及能量回收装置提升后的高压原海水以及反渗透除盐后的高压浓海水。在双相不锈钢还没有规模化应用于海水淡化工程时，316L不锈钢一直是反渗透海水淡化系统的高压环境下的主要材料。近几年，随着双相不锈钢的推广，国内外的海水淡化工程普遍选用双相不锈钢作为高压部分过流设备和管路的首选材料。

高压泵的叶轮、高压管线、浓水管线、中高压泵、能量回收装置等，材质一般为254SMO超级奥氏体不锈钢或S32750超级双相不锈钢，但后者较为经济，有成本上的优势。其中，高压管线选用耐点蚀和缝隙腐蚀强的S32750超级双相不锈钢。

对于一级反渗透装置（SWRO）的管线，其含盐量差异较大，需有针对性的选取合适的双相不锈钢，但一般S32205可基本满足需要。对于二级反渗透装置(BWRO)的管线，若其供给盐水的TDS在300～500 ppm之间，则可以选用等级较低的双相不锈钢，考虑到其温度及氯离子浓度，一般选用S32101或S32304经济型双相不锈钢，若供给盐水的TDS大于500 ppm，则需选用S32205普通型双相不锈钢。

4 DSS用于多级闪蒸海水淡化（MSF）工艺

多级闪蒸是将原料海水加热到一定温度后引入到闪蒸室，闪蒸室的压力低于热盐水温度所对应的饱和蒸汽压，当热盐水进入闪蒸室即成为过热水而迅速部分汽化，从而使热盐水温度下降，所产生的蒸汽冷凝即获得所需的淡水[8]，图3为多级闪蒸现场装置图。

图3 多级闪蒸海水淡化装置

早在1973年IDA公司就提出使用S32205双相不锈钢来制造MSF蒸发器壳体，但直到2004年使用S32205建造的MSF才在利比亚的Melittah投产，此后国内外的多级闪蒸海水淡化装置均开始普及使用S32205来制造MSF壳体。

5 用于储水罐及输水管线

在氯离子浓度超过100 ppm的环境下，304L不锈钢的抗腐蚀能力不够，而316L不锈钢的成本又太高，故大型海水淡化储水罐材料一般选用低碳钢包覆的混凝土或环氧树脂做内衬。目前，强度高、耐腐蚀性能好的双相不锈钢正在成为更有竞争力的储水罐材料来取代原有的大型储水罐材料。

储水罐在储水状态下需要承受随水位深度增加而变大的内部压力的作用，故储水罐沿高度从上往下壁面厚度需逐渐变大。在大风或空水状态下，储水罐需要保证其足够的稳定性以及抗弯曲变形的能力，S32101双相不锈钢可以满足储水罐对材料强度性能的要求。虽然使用S32101双相不锈钢的一次投资成本比内衬碳钢要高，但碳钢储水罐的日常的维护以及包覆层的修复成本并不低，综合考虑S32101双相不锈钢在成本上更具有优势。

一般情况下，海水淡化的产品水直接供应本地的工业用水及居民用水使用，但当海水淡化装置距用水用户较远时，就需要用输水管线进行送水。与混凝土管线相比，不锈钢管线在复杂地质条件下更具安全性，抗震能力强；与包覆碳钢管线相比，维护成本低。一般情况下，可以满足海水淡化产品水对耐腐蚀性能的要求。

6 结论

随着双相不锈钢的生产工艺和性能不断的完善和发展，其优越的耐腐蚀性能以及强度性能已经在国内外广泛应用于膜法以及热法海水淡化装置，大量的工程经验表明双相不锈钢在海水淡化的典型极端环境下的适用性、安全性、可靠性以及经济性。双相不锈钢在海水淡化领域的广泛应用必将对控制海水淡化成本、提高海水淡化装置使用寿命、实现海水的规模化利用起到重大的推动作用。

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[8]张百忠.多级闪蒸海水淡化技术[J].一重技术,2008(4):48-49.论文基金项目

[1]国家高技术研究发展计划(863计划)课题：典型极端环境下超级不锈钢服役行为及其制备技术。课题编号：2015AA034301

[2]国家科技支撑计划课题：大中型海水淡化产业化技术研发及应用--5万t/d水电联产与热膜耦合研发及示范。课题编号：2015BAB10B01