隨著國(guó)家開(kāi)發(fā)海洋戰(zhàn)略的實(shí)施和中海油“海上大慶”的勝利實(shí)現(xiàn)，我國(guó)海洋平臺(tái)使用石油化工裝置得到快速發(fā)展。海水換熱器是海上平臺(tái)作業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種重要設(shè)備，換熱器換熱狀況的好壞，直接影響著整個(gè)平臺(tái)的平穩(wěn)運(yùn)行及綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，對(duì)生產(chǎn)的安全、穩(wěn)定，長(zhǎng)期運(yùn)行起著重要的作用[1]。材料的選擇是海水換熱器設(shè)計(jì)時(shí)非常重要的環(huán)節(jié)，材料的選擇是否恰當(dāng)，對(duì)裝置的生產(chǎn)、安全、維修和技術(shù)改造等有很大影響。對(duì)于換熱器材質(zhì)的選擇應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格遵循有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，按照材料力學(xué)性能，化學(xué)成分，制造工藝條件和業(yè)主實(shí)際情況等選用最佳材料。掌握選材方法的要領(lǐng)，了解正確選材的過(guò)程，具有很大的實(shí)際價(jià)值。本文針對(duì)海洋環(huán)境下，對(duì)海水換熱器材料的選擇時(shí)需要注意的事項(xiàng)進(jìn)行整理分析，提出合理建議。
1、 影響海水換熱器材質(zhì)選擇的主要因素
1.1 介質(zhì)特性
介質(zhì)的性能包括介質(zhì)的腐蝕性、溫度、壓力、流速等，這些都會(huì)極大影響材料的選擇，根據(jù)不同的實(shí)際工況，應(yīng)當(dāng)作為材料選擇的首要考慮因素。
作為海水換熱器介質(zhì)之一的海水存在有較高含量的溶解氧、氯離子和微生物，對(duì)海水換熱器有很強(qiáng)的腐蝕性；同時(shí)還要考慮熱交換的另一種介質(zhì)的腐蝕性能，如原油中含有的無(wú)機(jī)鹽、硫化物、氮化物、有機(jī)酸等，天然氣中含有硫化氫、二氧化硫、氫氣等。流體介質(zhì)的速度會(huì)產(chǎn)生沖蝕、磨蝕等，尤其流體中含有固體顆粒時(shí)影響更為顯著。工況溫度嚴(yán)重影響材料的性能，溫度升高，材料的強(qiáng)度降低，甚至?xí)a(chǎn)生蠕變，導(dǎo)致材料直接失效；溫度降低，材料的延性及韌性也會(huì)降低，如果低于冷脆轉(zhuǎn)變溫度，材料也會(huì)失效。
1.2 材料的使用性能
海洋環(huán)境是一個(gè)特定的及其復(fù)雜的環(huán)境，氣候條件惡劣，在此區(qū)域的大氣中水蒸氣、氧氣、氮?dú)?、二氧化碳、二氧化硫以及懸浮于其中的氯化鹽、硫酸鹽等，它具有比普通大氣濕度大、鹽分高、溫度高及干、濕循環(huán)效應(yīng)等明顯特點(diǎn)。
材料的使用性能主要是根據(jù)工作環(huán)境、力學(xué)負(fù)荷條件，按照材料的性能指標(biāo)來(lái)選擇相應(yīng)的材料。根據(jù)海洋平臺(tái)特殊的工作環(huán)境，綜合考慮海水換熱器的換熱器性能要求，換熱器材料應(yīng)當(dāng)滿足的使用性能主要包括較高的導(dǎo)熱性、足夠的機(jī)械強(qiáng)度等。
1.3 材料的加工性能
材料的可加工性能是指采用不同的加工工藝，利用不同的加工設(shè)備以及通過(guò)各種焊接工藝等制造出來(lái)產(chǎn)品的難易程度，在設(shè)備的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中也是一項(xiàng)必須考慮的因素。理想的換熱器材料不但要滿足足夠的使用性能，還要具有優(yōu)良的鑄造性能、切削加工性能、壓力加工性能以及熱處理工藝性能等。同時(shí)還要考慮材料的加工性能以及焊接工藝性能，如鈦材的加工性能較差，低碳鋼比高碳鋼更容易焊接，不銹鋼需要采取特殊的焊接工藝等，這些在材料選擇時(shí)應(yīng)當(dāng)充分考慮。
1.4 成本
在選材時(shí)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行成本核算，充分考慮材料本身成本、加工工藝成本、運(yùn)輸成本等，選定最合算的材料。最優(yōu)秀的材料選擇具有最低的成本壽命比，如：有時(shí)使用加大腐蝕裕量的碳鋼比采用價(jià)格較貴的抗腐蝕材料更為經(jīng)濟(jì)（指材料成本、制造成本的總和）。在必須使用不銹鋼及其它貴重合金材料時(shí)，如厚度較厚可采用以碳素鋼或低合金鋼為基層的復(fù)合鋼板或金屬襯里，經(jīng)濟(jì)性更顯著；在某些腐蝕場(chǎng)合下可采用耐腐蝕材料作為襯里或涂層。
1.5 重量
一般固定安置在陸地上的設(shè)備較少考慮重量的限制，但是如果安置于海上的石油平臺(tái)上、船上等時(shí)，設(shè)備的重量也是影響選材的重要因素。海洋平臺(tái)用海水換熱器要充分考慮運(yùn)送到平臺(tái)上的運(yùn)輸費(fèi)以及安裝費(fèi)用。
2、 案例分析
2.1 事故分析
某油氣田平臺(tái)位于渤海灣東北部，平臺(tái)上天然氣冷卻處理設(shè)備U 形管殼式海水換熱器發(fā)生海水泄漏，經(jīng)過(guò)幾次修復(fù)仍無(wú)法正常使用，決定更換新的海水換熱器。從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，原海水換熱器與海水接觸的管箱、換熱管及封頭處發(fā)生嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕，造成換熱器多處腐蝕穿孔，發(fā)生海水外漏，如圖 1 所示。分析發(fā)現(xiàn)，平臺(tái)的原壓縮機(jī)海水冷卻器的管箱筒節(jié)的材質(zhì)和筒體的材質(zhì)均為20#鋼，橢圓封頭為 Q235-B，耐蝕性較差。
2.2 海水換熱器的設(shè)計(jì)
根據(jù)實(shí)際工作條件及業(yè)主要求，采用 U 形管殼式換熱器，管程通過(guò)海水，殼程通過(guò)天然氣，海水換熱器的設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)如表 1 所示。
圖 2 為 U 管殼式海水換熱器的設(shè)計(jì)圖。新設(shè)計(jì)的 U 形管殼式海水換熱器管程側(cè)換熱管、管箱、接管、接管法蘭等（圖 2 中 C 處）都能與海水接觸，選材時(shí)首先應(yīng)當(dāng)考慮耐海水腐蝕因素；而換熱器殼體、接管等殼程（圖 2 中 B 處）通過(guò)的介質(zhì)為處理過(guò)的天然氣，主要成分是甲烷和乙烷，不要求材質(zhì)具有很好的耐蝕性，選材時(shí)可以優(yōu)先考慮價(jià)格因素；換熱器的管板（圖 2 中 C 處）比較特殊，一側(cè)與海水接觸，另一側(cè)天然氣接觸。
2.3 海水換熱器材質(zhì)的選擇
2.3.1 海水換熱器管程材質(zhì)的選擇
海水含鹽的主要成分是 NaCl，其次是 MgCl2。海水的鹽的質(zhì)量濃度約為 3.5%，充氧 NaCl 溶液腐蝕最強(qiáng)烈的濃度時(shí) 3.5%。海水一般是中性溶液（PH 為 7.2～8.6）。海水含有大量的活性氯離子，所以海水中的鋼材容易引起點(diǎn)蝕。
根據(jù)工程實(shí)際情況，在選擇耐海水腐蝕的材料時(shí)，考慮到貨源和價(jià)格因素，首先排除了選用稀有金屬材料如鋯、鉭等和雙相不銹鋼的可能性。根據(jù)換熱器常用耐海水腐蝕材料，考慮選用鐵白銅（BFe30-1-1）和工業(yè)純鈦（TA2）。
雖然鐵白銅（BFe30-1-1）和工業(yè)純鈦 TA2 都具有優(yōu)良的耐海水腐蝕的性能，但工業(yè)純鈦（TA2）在以下方面更具有優(yōu)勢(shì)：
（1）材料的相容性。鐵白銅電極電位很高，本身活性不高是其耐蝕性的原因。然而，白銅的管程在與碳鋼的殼程接觸時(shí)會(huì)形成電偶腐蝕，本身作為陰極得到了保護(hù)，但是會(huì)損害殼程碳鋼，導(dǎo)致碳鋼加速腐蝕。眾所周知，在浸蝕介質(zhì)中，鈦表面上會(huì)形成穩(wěn)定的二氧化鈦薄膜，具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，特別是在氯離子環(huán)境下，即使?jié)舛群芨?，也具有很好的耐蝕性能。如果鈦上的氧化物薄膜受到損傷，表面就會(huì)被濕氣或者冷水直接修復(fù)[2]。而且，工業(yè)純鈦（TA2）是活性金屬，本身電極電位（-1.76V）比碳鋼低，在與殼程碳鋼接觸時(shí)充當(dāng)陽(yáng)極，起到保護(hù)殼程碳鋼作用。
（2）材料的用量少，總重小。雖然銅鎳合金的價(jià)格比工業(yè)純鈦低，但是銅鎳合金的比重大。由于鈦的比強(qiáng)度高，耐蝕性好，設(shè)計(jì)時(shí)可以采用較小的腐蝕裕度，因而工業(yè)純鈦材設(shè)備的壁厚可以減薄，減少材料使用量。本項(xiàng)目中設(shè)計(jì)換熱器換熱管如用鐵白銅，管壁厚度為 4mm，改用鈦材厚度可降至 1.5mm，所用鈦材總量?jī)H為銅材總重的五分之一。
（3）材料的導(dǎo)熱性。雖然鈦材的傳熱系數(shù)（15～17w/(m2·K)）小于鐵白銅的傳熱系數(shù)（25～30w/(m2·K)），但是換熱器的總傳熱系數(shù)取決于材料的傳熱系數(shù)與傳熱管壁厚以及結(jié)垢等因素。在本項(xiàng)目換熱器的設(shè)計(jì)時(shí)，工業(yè)純鈦（TA2）的管壁壁厚遠(yuǎn)低于銅管。此外，銅管表面易產(chǎn)生腐蝕產(chǎn)物與沉積污垢，而鈦潔度系數(shù)則較高，因而鈦材總的傳熱系數(shù)還是很高的[3]。另外，鈦表面濕潤(rùn)性非常小，具有滴狀冷凝特性，比膜狀冷凝更有利，加之可以采用較高流速，鈦換熱器的總傳熱系數(shù)與純銅換熱器接近，遠(yuǎn)高于鐵白銅換熱器。
（4）換熱器的清洗及維護(hù)。管殼式海水換熱器用海水作為冷卻水，因海水中含有大量的鹽類物質(zhì)，在管內(nèi)易產(chǎn)生沉積和污垢，而且經(jīng)常有微生物附著在管壁上造成換熱管污堵，影響換熱器正常工作。而鈦金屬表面有一層致密的鈍化膜，表面光滑，污垢系數(shù)小，設(shè)備不易附著污垢，減少清洗難度和次數(shù)[4]。
（5）價(jià)格對(duì)比。從金屬單位重量的價(jià)格來(lái)比較，鈦材一般是普通鋼材的50～70倍，是銅鎳合金的7～9倍。作為設(shè)備，一般考慮用材料的體積而不是重量，從金屬單位體積的價(jià)格來(lái)比較，鈦材一般是普通鋼材的20～30倍，是不銹鋼的2～3倍，比鐵白銅略低。但是，由于鈦材的耐蝕性能更優(yōu)，強(qiáng)度較高，所用鈦材的壁厚較薄，因而材料的體積用量也可減少，在考慮材料成本時(shí)，這是必須考慮的重要因素。在滿足相同的設(shè)計(jì)要求和使用年限的前提下，綜合比較，用工業(yè)純鈦TA2與鐵白銅的總體造價(jià)基本相當(dāng)。
綜合以上分析，U形管殼式海水換熱器的管程側(cè)換熱管、管箱、接管及接管法蘭等與海水接觸的地方應(yīng)當(dāng)選用工業(yè)純鈦（TA2）。
2.3.2 海水換熱器殼程材質(zhì)的選擇
相對(duì)于 U 形管殼式海水換熱器管程需要重點(diǎn)考慮耐海水腐蝕，與殼程相接觸的介質(zhì)為天然氣，只要滿足強(qiáng)度和使用溫度的前提下，優(yōu)先考慮材料的成本和加工工藝性能。因此，首選 Q235 碳鋼。 Q235 碳鋼是最常用金屬材料，供應(yīng)方便，價(jià)格低廉，加工及可焊性好，所以應(yīng)用非常廣泛。同時(shí)考慮到 U 形管殼式海水換熱器工作環(huán)境是在海上平臺(tái)，殼體要暴露在海洋大氣環(huán)境下，對(duì)殼體的外表面要做好防腐涂敷工藝，以便增強(qiáng)殼體的實(shí)用性。
2.3.3 海水換熱器管板材質(zhì)的選擇
從 U 形管殼式海水換熱器的設(shè)計(jì)圖（圖 2）可以看出，海水換熱器的管板是比較特殊，一側(cè)與海水接觸，另一側(cè)天然氣接觸?？紤]到管板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，為節(jié)省成本，可以考慮采用鈦鋼復(fù)合板。
鈦鋼復(fù)合板就是在 Q235 鋼板與海水接觸的那面鑄鍛一層工業(yè)純鈦（TA2），能極大地降低成本，而耐海水腐蝕效果很明顯。
3 、結(jié) 語(yǔ)
在設(shè)計(jì)海洋平臺(tái)用海水換熱器時(shí)，材料的選擇一定要充分考慮實(shí)際工作環(huán)境，根據(jù)換熱器的不同部位選用不同的材質(zhì)，不僅能提高換熱器的性能，減少設(shè)備維護(hù)費(fèi)用，而且能夠明顯地降低設(shè)備生產(chǎn)成本。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的換熱器已經(jīng)投入使用，完全滿足工作要求，目前設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)良好，未發(fā)現(xiàn)任何問(wèn)題。
參考文獻(xiàn)：
[1]安維崢，王維民等.海洋平臺(tái)用海水換熱器腐蝕防護(hù)現(xiàn)狀與趨勢(shì).廣州化工，2010,38（1）：23～26.
[2]黃 虹.鈦是海水淡化設(shè)備換熱器的首選材料.稀有金屬快報(bào)，1999（9）：5～7.
[3]余存燁.化工設(shè)備選用鈦材的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析.化工技術(shù)經(jīng)濟(jì)，2002,20(4):37～39.
[4]冒圣國(guó).鈦制換熱器的設(shè)計(jì).化工礦物與加工，2000（3）：22～26.
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