随着海水淡化产业的不断发展，作为热法淡化装置核心构件之一的蒸发传热管也备受科研技术人员的关注[1-2]。传统的不锈钢、铜合金、铝合金等材料不能完全满足海水应用环境对材料耐蚀、力学性能及轻质化的要求，而工业纯钛TA2具有优异的耐腐蚀性、良好的塑韧性和较高的比强度，是制作热法海水淡化装置热换元件的理想材料[3]。目前在我国建设的大型热法海水淡化装置中，轧制无缝钛管得到一定程度应用，但钛传热管的大规模推广仍受到较大限制，究其原因主要是因为轧制生产的无缝钛管价格高，导致材料投资成本居高不下[4-5]。
国内外众多学者一直致力于薄壁焊接钛管的设计研发及耐腐蚀性能研究工作[6-13]，研究成果在核电站凝汽器、空调制冷、工业换热等领域提供了较好的指导，但钛传热管在水平管降膜海水淡化技术领域的应用历史较短，关于钛管降膜蒸发器传热系数和耐腐蚀性能实验数据不充分，难以指导海水淡化系统设计[14]。此外，目前海水淡化工程用钛焊管的壁厚多采用0.5mm[15]，很难满足海水淡化工程对材料成本的控制要求，亟待针对水平管降膜蒸发工艺要求开发海水淡化用高质量薄壁焊接钛管，减小设备用钛量[16-17]。基于此，采用钨极氩弧焊 （TIG）工艺制备了 TA2 工业纯钛 ϕ22mm×0.4mm 规格薄壁卷焊钛管，并对其开展了低温多效蒸馏海水淡化应用实验，以测试其耐腐蚀性能和传热性能，验证焊接接头质量，获得实验数据，为0.4mm薄壁卷焊钛管的规模化生产及其在海水淡化工程中的推广应用提供技术支撑。
1、实验设备、材料和方法
1.1实验设备
实验设备为采用钨极氩弧焊工艺搭建的薄壁钛管焊接测试生产线和低温多效蒸馏海水淡化中试平台。焊接测试生产线如图 1 所示，主要由 GP-TIG500Pcw 钨极氩弧焊自动焊管机、自动卷管机、焊后热处理设备组成。低温多效蒸馏海水淡化中试平台由7效水平管降膜蒸发器和1效冷凝器串联构成，如图2所示。额定工况运行条件下各效蒸发器和冷凝器运行参数如表1所示。
1.2实验材料
实验材料为张家港华裕采用图1所示卷焊钛管测试生产线制备的工业纯钛 TA2 卷焊钛管 （规格 ϕ22mm×0.4mm） 和张家港华裕常规轧制工艺生产的TA2无缝钛管 （规格ϕ22mm×0.5mm），材料化学成分如表2所示，焊接工艺参数如表3所示，焊接成型钛管如图3所示，焊缝宽度为2mm。
1.3钛管耐腐蚀性实验
利用上述实验设备开展该类型薄壁卷焊钛管在低温多效海水淡化应用环境中的耐腐蚀性测试，采用失重法分析评价钛传热管腐蚀质量损失速率，并与商业化 ϕ22mm×0.5mm 标准规格无缝钛管的耐腐蚀性能进行对比分析，具体实验步骤和方法如下。
1.3.1实验准备
（1） 实验前，利用数控线切割将薄壁卷焊成型母管、标准化轧制无缝钛管分别切割成长度 15cm的单个钛管腐蚀挂片试样，使用砂纸将棱角磨平。
（2） 采用激光打标设备将样品管试样编号，用游标卡尺测量试样的长度、外径和壁厚尺寸。
（3） 进行表面清洗、除油、冲洗，充分干燥后用分析天平 （梅特勒 MS105，精度0.01mg） 称重。
1.3.2钛管腐蚀试样的安放
在低温多效蒸馏淡化装置 1～7 效蒸发器和冷凝器传热管顶层位置选择合适放样点，确保样品管表面被完整液膜覆盖，且不与其他材质金属直接接触 （如蒸发器不锈钢壳体、管板、支架等），以避免电偶腐蚀产生试验误差，在 1～7 效蒸发器和冷凝器传热管顶层各放置薄壁卷焊钛管腐蚀试样 2根、标准化轧制无缝钛管腐蚀试样 2 根，如图 4所示。
薄壁卷焊钛管和标准化轧制无缝钛管腐蚀挂片试样安放好后，将低温多效蒸馏淡化装置调至额定工况，系统连续运行 30 天后将各试样取出并测试各试样的质量损失，通过质量损失的情况换算成年平均腐蚀速率来分析评价其耐腐蚀性能。
1.4传热试验
耐腐蚀性实验完成后，将腐蚀钛管试样全部取出，并用 3% 氨基磺酸溶液对系统装置进行清洗，清洗完成后将首效蒸发器传热管全部更换成薄壁卷焊钛管，以开展薄壁卷焊钛管传热性能实验。薄壁卷焊钛管降膜蒸发器总传热系数通过第一效蒸发器的运行参数计算获得。
将低温多效蒸馏淡化中试装置调至额定工况后，每隔 3h 采集一次首效蒸发器的运行数据，主要包括：首效凝结水流量、动力蒸汽流量、进料量、浓水流量以及二效管程凝液量，记录首效和二效管程和壳程压力和温度，通过传热速率方程计算得到第一效蒸发器的总传热系数，首效蒸发器结构配置和工艺参数如表4所示。
2、实验结果与分析
2.1年平均腐蚀速率
在海水淡化工程中通常用单位时间内的腐蚀深度 （年平均腐蚀速率Va） 来表征蒸发传热管的腐蚀速率，年平均腐蚀速率Va可通过与质量损失腐蚀速率Vc之间的换算关系求出。如式(1)。
式中，Va为年平均腐蚀速率，mm/a；Vc为试样的质量损失腐蚀速率，g/(m2 · h)；m0为腐蚀前试样的质量，g；m1为腐蚀后试样的质量，g；S为试样在溶液中的表面积，m2；t为腐蚀时间，h。对 ϕ22mm×0.4mm 卷焊钛管和 ϕ22mm×0.5mm商业化标准无缝钛管在低温多效蒸馏淡化应用环境中做了动态腐蚀实验，连续运行 30 天后，将腐蚀样管取出，测试结果如表5所示。根据式(1)将各效蒸发器钛管试样的失重换算成年平均腐蚀速率Va并绘制成曲线，见图5。
从图5中可以明显看出，在多效蒸馏海水淡化应用环境中，薄壁卷焊钛管和商业化的标准轧制无缝钛管腐蚀速率变化趋势基本一致，最大腐蚀速率均为 0.00026mm/a，都出现在第 1 效，这很可能由于海水淡化装置第1效蒸发器的操作温度和料液盐度最高引起的。上述分析结果说明，采用TIG卷焊工艺制得的薄壁卷焊钛管在低温多效蒸馏海水淡化环境中的应用性能与轧制无缝钛管基本一致，均具有优异的耐海水腐蚀能力，而且各效蒸发器腐蚀样管表面、焊缝处均未发生点蚀、缝隙腐蚀现象，可满足多效蒸馏海水淡化过程中海水降膜流动冲刷、海水盐雾等使用环境的要求。
2.2薄壁焊焊管制水平管降膜蒸发器总传热系数
采用薄壁卷焊钛管制作的水平管降膜蒸发器总传热系数根据传热基本公式得到。如式(2)。
式中，Q 为传热速率，W/s；K 为降膜蒸发总传热系数，W/(m2·h·℃)；A 为降膜蒸发传热面积，m2；Δt为降膜蒸发传热温差，℃。实验过程中，将中试装置维持在设计工况下运行，测量首效凝结水流量、动力蒸汽流量、进料量、浓水流量以及二效管程凝液量，记录首效管程和壳程压力和温度，从而得到计算数据，通过传热基本公式计算设计工况下首效降膜蒸发器的总传热系数。流量、压力、温度数据均是由安装于装置或管路上的仪表测得。通过大量实验数据，求出总传热系数平均值。
低温多效蒸馏淡化中试装置调试稳定运行后，首效蒸发器在蒸发温度 69℃、传热温差 3.0℃条件下的总传热系数计算结果如图 6 所示。从图 6 可知，实际运行过程中薄壁钛管传热性能分两个阶段，即诱导期和稳定期，这主要是由传热管壁面污垢的生长特性引起的。在诱导期内，传热管壁面污垢成核速率较低，且存在着脱除效应，而污垢成核在平滑换热面各个离散点上发生，晶核尚未横向生长，这种微小的晶核凸起在液膜流动过程中起到了扰动和破坏边界层的作用，在一定程度上起到了强化传热的作用，致使诱导期内的总传热系数较高。诱导期之后，传热管表面结垢进入生长期，此时晶核逐渐增多，且开始横向生长，垢层开始逐渐覆盖换热面积，导致传热系数下降、污垢热阻上升，当污垢的沉积和剥蚀基本平衡时，系统总传热系数趋于稳定，系统稳定后，蒸发器总传热系数可达3400W/(m2·K)以上。
2.2经济性分析
薄壁卷焊钛管的生产只需选择高质量钛带为基础，采用钨极氩弧焊工艺进行卷焊加工，最大的优势在于缩短了钛管生产工艺流程，可以显著降低传热管的加工制造成本，经过测算，同种外径尺寸的钛传热管，TIG卷焊工艺相对于轧制工艺加工成本可降低 10% 左右。另一方面，卷焊制得的 0.4mm壁厚钛传热管的推广应用，可大幅度降低海水淡化装置钛材用量，传热面积相等条件下采用薄壁卷焊钛管的淡化装置钛材用量比采用GB/T 3625—2007标准规定的0.5mm厚钛管可降低约20%。 以10000t/d低温多效蒸馏海水淡化工程为例，采用ϕ22mm×0.4mm薄壁卷焊钛管和ϕ22mm×0.5mm标准无缝钛管在投资成本上的对比如表6所示。
由以上分析可知，得益于加工成本及钛材用量的降低，在传热面积相等的条件下，采用0.4mm厚薄壁卷焊钛管比常规无缝钛管可使海水淡化传热管材料投资成本降低25%以上，经济效益十分显著。
3、结论
针对蒸馏海水淡化传热管对材料的性能要求，采用钨极氩弧卷焊工艺设完成规格为 ϕ22mm×0.4mm薄壁卷焊TA2钛传热管的制备，并利用构建的低温多效蒸馏海水淡化中试平台开展了薄壁卷焊钛管在海水应用环境中的传热和耐腐蚀实验研究，并与传统无缝钛管进行了对比分析，得到以下结论。
（1） 通过开展薄壁卷焊钛管在蒸馏海水淡化实际应用环境中的耐腐蚀测试，获得了0.4mm厚薄壁卷焊钛管的耐海水腐蚀数据，年平均腐蚀速率为0.00026mm/a，说明薄壁卷焊钛管与无缝钛管在多效蒸馏海水淡化应用环境中具有同等优良的耐腐蚀性能。
（2） 在实际低温多效蒸馏海水淡化应用环境中，采用0.4mm厚薄壁卷焊钛管制作的水平管降膜蒸发器总传热系数可达3400W/(m2·K)以上，为实际海水淡化装置工艺设计提供了数据支持。
（3） 薄壁卷焊钛管加工成本相较于轧制无缝管可降低约 10%，在同样的传热面积条件下，采用0.4mm厚薄壁卷焊钛管比采用传统的0.5mm厚无缝钛管可以减少钛材用量约20%，传热管投资可降低25%以上。
（4） 在降膜蒸发喷淋冲刷及浓海水高温高湿腐蚀环境中，卷焊钛管焊缝处也未出现点蚀、缝隙腐蚀等危害较大的局部腐蚀现象，充分验证了焊接接头的质量，确定了0.4mm厚薄壁钛管的焊接工艺窗口的可靠性，为下一步的规模化生产及在海水淡化工程中的推广应用奠定了技术支撑。
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