海(hai)水(shui)淡(dan)化(hua)用(yong)薄(bao)壁卷焊(han)钛管传(chuan)热及(ji)耐蚀性(xing)能研(yan)究

引言

薄(bao)壁卷焊(han)钛(tai)管是(shi)利用TIG 自(zi)动(dong)卷(juan)焊(han)技(ji)术(shu)制作(zuo)的传(chuan)热管，TA2工(gong)业(ye)纯(chun)钛(tai)耐(nai)腐蚀(shi)性(xing)较强，具有(you)较(jiao)高(gao)强(qiang)度和塑(su)韧性。目前(qian)海(hai)水(shui)淡化(hua)工(gong)程(cheng)中的(de)钛(tai)焊管(guan)厚度(du)通(tong)常是(shi)0.5mm，不易(yi)满足海(hai)水(shui)淡(dan)化(hua)工(gong)作(zuo)对于材(cai)料(liao)的(de)基(ji)本(ben)控制(zhi)要(yao)求(qiu)，因此有必要(yao)深(shen)入(ru)分析(xi)0.4mm 薄(bao)壁(bi)卷(juan)焊钛管耐(nai)蚀(shi)性(xing)和(he)传(chuan)热性(xing)，为其(qi)规(gui)模(mo)化生(sheng)产与推(tui)广奠定(ding)基础。

1、性(xing)能测试过(guo)程(cheng)

薄(bao)壁卷焊(han)钛(tai)管(guan)主(zhu)要(yao)生产流程(cheng)包(bao)含钛(tai)带(dai)、分条(tiao)、卷(juan)接带(dai)、矫(jiao)平、氩(ya)弧焊、定径校(xiao)形、钨(wu)电(dian)极氩弧焊(han)、冷却(que)、切断(duan)、矫直(zhi)、性(xing)能测(ce)试、包(bao)装入库(ku)等内容(rong)。在(zai)对其(qi)性能进行测试时(shi)，主要依(yi)据(ju)GB/T 3625-2007 标准(zhun)要(yao)求(qiu)开展(zhan)工(gong)作，针(zhen)对(dui) 腐(fu)蚀、导(dao)热(re)、应(ying)力(li)等(deng)要素完(wan)成性能(neng)测(ce)试(shi)和分(fen)析，其主要(yao)过程(cheng)如(ru)下：

1.1 测(ce)试(shi)设(she)备和(he)材料

本(ben)课(ke)题(ti)采(cai)用的(de)设(she)备包(bao)含自动(dong)卷(juan)管机、钨(wu)极氩(ya)弧(hu)焊(han)自动焊(han)管机（其型号是(shi)GP-TIG500Pcw）、焊(han)后(hou)热(re)处理(li)设备[1]。同(tong)时(shi)，多效低温蒸(zheng)馏(liu)海(hai)水(shui)淡化(hua)中试(shi)平台包含1 效冷凝(ning)器和(he)7 效水平(ping)管降(jiang)膜蒸(zheng)发器，其相互(hu)串联构成(cheng)测(ce)试系(xi)统(tong)。其(qi)中(zhong)，冷凝(ning)器(qi)蒸(zheng)发温度(du)是(shi)48℃，7 效蒸发器的(de)温(wen)度分别是69℃、66℃、63℃、60℃、57℃、54℃、51℃。7 效蒸(zheng)发(fa)器操(cao)作压(ya)力(li)分(fen)别是29.88kPa、26.13kPa、22.88kPa、19.91kPa、17.33kPa、15.00kPa、12.98kPa。本(ben)课(ke)题(ti)中(zhong)实验材(cai)料(liao)是TA2工业纯钛卷焊(han)钛管(guan)，其(qi)规(gui)格是(shi)φ22×φ0.4mm。对比(bi)材(cai)料是(shi)TA2海 水淡化用(yong)无(wu)缝钛(tai)管，其(qi)规格是φ22×φ0.5mm，焊缝(feng)宽度设(she)置为2mm。

1.2 测(ce)试(shi)过(guo)程

1.2.1 耐(nai)腐蚀测(ce)试(shi)

本(ben)课(ke)题主要借助失重(zhong)法，利(li)用(yong)上述(shu)实(shi)验(yan)设备(bei)针(zhen)对薄(bao)壁卷(juan)焊(han)钛(tai)管完(wan)成(cheng)耐腐蚀(shi)测试(shi)，分析(xi)产(chan)热管(guan)的腐(fu)蚀质量变(bian)化速(su)率(lv)。

同(tong)时(shi)，将(jiang)该数(shu)值(zhi)和无缝(feng)钛(tai)管耐腐(fu)蚀性(xing)进(jin)行(xing)比对(dui)（规格为φ22×φ0.5mm），其(qi)测(ce)试过(guo)程(cheng)如(ru)下：

首先，将无缝钛管(guan)、薄(bao)壁卷焊切割(ge)为(wei)长(zhang)度(du)是15cm 的(de)挂片(pian)试样，借助(zhu)砂(sha)纸将(jiang)其棱角打磨光(guang)滑(hua)。完成(cheng)编(bian)号，测(ce)量其(qi)外(wai)径(jing)、长度(du)和尺(chi)寸(cun)。其次(ci)，对(dui)材(cai)料(liao)进(jin)行清洗(xi)、除油(you)、冲洗(xi)，待其完(wan)全(quan)干(gan)燥后，借(jie)助精(jing)度(du)是0.01mg 的MS105 分析(xi)天(tian)平(ping)完(wan)成承(cheng)重操(cao)作。在蒸发(fa)器(qi)和冷凝器顶层区域选(xuan)择放(fang)样点(dian)，保(bao)证样(yang)品管不会(hui)与(yu)其他金属(shu)直接接触，同(tong)时(shi)还可以被(bei)液(ye)膜(mo)覆(fu)盖(gai)，防(fang)止(zhi)测(ce)试(shi)阶(jie)段(duan)因出(chu)现电(dian)偶(ou)腐(fu)蚀(shi)问题(ti)对(dui)性能(neng)分(fen)析(xi)造(zao)成不良影(ying)响[2]。

最后(hou)，在(zai)安(an)放样品(pin)后确保系统连续运行30 天，在30 天后(hou)取(qu)出(chu)试(shi)样(yang)测量(liang)其(qi)质量损(sun)失，得出材(cai)料(liao)耐腐(fu)蚀(shi)性能的(de)分析(xi)结(jie)果。

1.2.2 传热测试

借助浓(nong)度是(shi)3%的氨(an)基磺酸(suan)溶(rong)液(ye)清(qing)洗(xi)钛管试(shi)样(yang)，将蒸发(fa)器(qi)传(chuan)热(re)管(guan)替(ti)换为薄(bao)壁卷(juan)焊钛(tai)管，开展传(chuan)热(re)性能测试(shi)。当将中试(shi)装置调(diao)整至预(yu)定工况(kuang)后，每(mei)间隔(ge)3 小时收集蒸(zheng)发器(qi)的实(shi)际运行(xing)数据。如动力蒸汽(qi)流(liu)量(liang)、凝结水(shui)流(liu)量、进料(liao)量(liang)、二(er)效(xiao)管程(cheng)凝(ning)液(ye)量(liang)，通(tong)过传(chuan)热(re)速率计算公(gong)式获(huo)取(qu)总传(chuan)热系(xi)数。此外(wai)，针(zhen)对两种(zhong)管(guan)材(cai)开(kai)展(zhan)拉伸试验(yan)，借(jie)助万能(neng)试验(yan)机(ji)对(dui)基本力(li)学(xue)性(xing)能(neng)完成分析(xi)和数据采集(ji)操作(zuo)。

2、性能测试(shi)结(jie)果(guo)分析(xi)

2.1 年(nian)均(jun)材料(liao)腐蚀速(su)率(lv)

海水(shui)淡(dan)化工(gong)程(cheng)中(zhong)分(fen)析蒸(zheng)发传(chuan)热(re)管的(de)实际(ji)腐蚀速(su)率需要收集(ji)材料单位腐(fu)蚀深度，即(ji)Va。其(qi)中(zhong)，年均腐(fu)蚀(shi)速率(lv)Va 和(he)质量损失(shi)腐(fu)蚀(shi)速率(lv)Vc 间(jian)的实际换算关系式(shi)是(shi)：

在该式(shi)子(zi)中，Va 单位是mm/a，Vc 单(dan)位(wei)是(shi)g/(m2·h)；m0 是(shi)腐(fu)蚀前(qian)的(de)试样实际重量，单(dan)位(wei)是g；m1 是腐蚀(shi)后(hou)试样的(de)实际(ji)重(zhong)量，单(dan)位(wei)是(shi)g；S 是试(shi)样(yang)材(cai)料在(zai)溶液内(nei)的(de)表(biao)面积，单位(wei)是m2；t 是(shi)腐(fu)蚀时(shi)间（h）。

借助多(duo)效(xiao)低温蒸馏(liu)淡(dan)化环境开展动(dong)态(tai)腐(fu)蚀测试，30天后可(ke)以(yi)得出试(shi)样的(de)年(nian)均(jun)腐蚀速率(lv)，完(wan)成(cheng)曲(qu)线绘制(zhi)。

经(jing)过(guo)测(ce)试(shi)可(ke)以(yi)得出(chu)，薄(bao)壁卷焊(han)钛管与(yu)无缝钛(tai)钢的腐(fu)蚀(shi)速率几乎一致，其年(nian)均最大腐(fu)蚀(shi)速率是(shi)0.00026mm/a。因(yin)此(ci)，多(duo)效低温(wen)蒸(zheng)馏淡化(hua)环境中薄壁卷(juan)焊(han)钛(tai)管(guan)与(yu)无缝钛(tai)钢耐(nai)腐(fu)蚀性能(neng)基(ji)本(ben)相(xiang)同，均(jun)具有(you)较(jiao)强能力(li)，在(zai)蒸发(fa)器的焊(han)缝位(wei)置和样(yang)管(guan)表面没(mei)有(you)点(dian)蚀、腐(fu)蚀问题(ti)。且材(cai)料在浓(nong)海水(shui)高(gao)湿(shi)高(gao)温的(de)腐蚀(shi)环境(jing)内(nei)或(huo)蒸(zheng)发降(jiang)膜喷(pen)淋冲(chong)刷(shua)环(huan)境(jing)内(nei)，焊(han)缝位(wei)置(zhi)无(wu)腐蚀情况(kuang)，因(yin)此薄壁卷焊钛管适用于(yu)推广和应用(yong)，可以极大程(cheng)度地节省钛材的(de)使(shi)用(yong)量(liang)。在(zai)使用(yong)材料开(kai)展海水淡(dan)化(hua)工(gong)程(cheng)时(shi)，满(man)足(zu)海水盐(yan)雾、降膜(mo)流动冲(chong)刷(shua)的要求。

2.2 传(chuan)热系数

借助薄壁卷(juan)焊(han)钛(tai)管(guan)组(zu)成(cheng)的(de)蒸(zheng)发器(qi)总(zong)传热系数(shu)计算(suan)公(gong)式为(wei)：Q=K×A× t。在该公式中(zhong)，K 是降膜蒸(zheng)发(fa)的总传热系(xi)数(shu)，单位是(shi)W/(m2·h·℃)；Q 是传(chuan)热速(su)率(lv)，单位(wei)是W/s；A 是降(jiang)膜蒸(zheng)发(fa)的传热总面积(ji)，单位是m2； t 是(shi)降(jiang)膜(mo)蒸发的传热(re)温度(du)差(cha)。在(zai)实际(ji)测(ce)量(liang)阶段(duan)，需(xu)要(yao)结合(he)浓水(shui)流(liu)量(liang)、进(jin)料(liao)量、动力(li)蒸汽流量、凝结水流(liu)量等指(zhi)标，记录(lu)壳(ke)程(cheng)和(he)管(guan)程的(de)温度和(he)压(ya)力，得(de)出相(xiang)关计算数(shu)据。借助(zhu)传(chuan)热(re)基本公式可(ke)以(yi)计算(suan)出蒸(zheng)发(fa)器(qi)的实际(ji)总传(chuan)热(re)系(xi)数，压力、流(liu)量(liang)、温度(du)等(deng)均需(xu)要(yao)利用管路和装置(zhi)中的仪(yi)表得出(chu)，借(jie)助实验(yan)数据(ju)能(neng)够获(huo)取传(chuan)热(re)系(xi)数(shu)平均值(zhi)。

当蒸发(fa)器(qi)蒸发(fa)温度是69℃、传热温(wen)度(du)差是(shi)3.0℃时，薄壁卷(juan)焊(han)钛管传(chuan)热系(xi)数变化过(guo)程(cheng)共(gong)分为两种(zhong)状(zhuang)态(tai)，即诱(you)导(dao)阶(jie)段(duan)和稳(wen)定(ding)阶段。原因(yin)是(shi)受到传热管内(nei)壁(bi)污垢特(te)性的(de)影响(xiang)，诱导阶(jie)段(duan)薄(bao)壁卷(juan)焊(han)钛(tai)管(guan)传(chuan)热(re)管内污(wu)垢成核(he)速度较(jiao)慢，具(ju)有脱(tuo)除(chu)效应，但(dan)微小(xiao)晶核(he)会对边界层(ceng)产(chan)生(sheng)破坏(huai)和(he)干(gan)扰作用(yong)，使(shi)得材(cai)料诱(you)导(dao)阶(jie)段(duan)总传热(re)系(xi)数较(jiao)大(da)。当诱导(dao)阶段完(wan)成后，传热(re)管道(dao)内(nei)部(bu)污(wu) 垢会(hui)逐(zhu)渐增(zeng)加，晶核(he)数量(liang)增(zeng)多(duo)，使其(qi)覆盖(gai)在(zai)换热(re)面(mian)，降低(di)了(le)产(chan)热系数，增(zeng)加(jia)了污垢(gou)的(de)热阻(zu)。若(ruo)剥蚀(shi)和沉(chen)积模(mo)式(shi)达(da)到(dao)一(yi)定平衡后，材料的(de)总(zong)传热系(xi)数会趋于(yu)稳定(ding)状态(tai)，当(dang)其稳定(ding)后系数(shu)会(hui)超过(guo)3400W/(m2·K)。

2.3 管(guan)材其(qi)他(ta)性能分析(xi)

第(di)一(yi)，当(dang)拉(la)伸(shen)速率(lv)逐渐(jian)提升(sheng)，薄壁卷(juan)焊钛(tai)管(guan)的抗拉(la)强(qiang)度提高(gao)，伸长(zhang)率(lv)逐渐(jian)下降。同(tong)时(shi)，材料管(guan)壁中(zhong)粒(li)径尺寸(cun)和(he)抗(kang)拉(la)强(qiang)度密切相(xiang)关，前(qian)者(zhe)尺(chi)寸越(yue)小则(ze)后(hou)者(zhe)强(qiang)度越大，因(yin)此管(guan)材(cai)自(zi)身成(cheng)型(xing)能(neng)力较强(qiang)。第二，管(guan)材(cai)硬(ying)化(hua)指(zhi)数(shu)n 主要可以(yi)判断材料(liao)的均匀变(bian)形情况(kuang)，是关键的性能(neng)成形分析指(zhi)标。若(ruo)n 越(yue)大(da)则材(cai)料的(de)实(shi)际应(ying)变能(neng)力(li)越(yue)强(qiang)，其(qi)抗(kang)腐(fu)蚀、断(duan)裂(lie)、起皱(zhou)的(de)水平(ping)越(yue)高(gao)。经过(guo)分析得出(chu)，钛(tai)管的(de)硬(ying)化指数与拉伸(shen)速率成反比，因(yin)此材(cai)料(liao)的抗失稳(wen)水(shui)平(ping)较(jiao)高，对(dui)于后续海(hai)水(shui)淡(dan)化(hua)工(gong)程(cheng)具(ju)有(you)较(jiao)强(qiang)的(de)支(zhi)撑作(zuo)用。第三(san)，应(ying)变速(su)率(lv)敏(min)感(gan)度。该系(xi)数(shu)是(shi)分(fen)析(xi)材(cai)料(liao)成形情况(kuang)的关键数(shu)值，越大(da)其成能力(li)强(qiang)。材料(liao)变(bian)量 形(xing)情况(kuang)的(de)关(guan)键(jian)数(shu)值(zhi)，越(yue)大其(qi)成(cheng)能力(li)强(qiang)。材料(liao)变(bian)量 形(xing)情况的关键数(shu)值(zhi)，越(yue)大其(qi)成(cheng)能力强(qiang)。材(cai)料变(bian)量 大，其敏感度(du)较小无法控(kong)制(zhi)管(guan)材失(shi)稳 大(da)，其敏(min)感度(du)较(jiao)小无法(fa)控(kong)制(zhi)管材失(shi)稳 大(da)，其(qi)敏(min)感(gan)度较小无(wu)法(fa)控制管材失稳 缺(que)陷(xian)情(qing)况(kuang)。经(jing)过(guo)分析(xi) 缺陷(xian)情(qing)况。经过分(fen)析(xi) 得出(chu) 薄壁(bi)卷(juan)焊(han)钛(tai)管(guan) 变形量(liang)较小(xiao)，敏(min)感(gan)度大(da)在(zai)投(tou)入使(shi)用后(hou) 变(bian)形量(liang)较小，敏感度大在投(tou)入使用后(hou) 变形量(liang)较(jiao)小，敏(min)感度(du)大(da)在投入(ru)使用后(hou) 可以提升(sheng)结(jie)构稳(wen)定(ding)性。

2.4 材(cai)料经(jing)济性(xing) 材料(liao)经济(ji)性

薄(bao)壁卷焊钛管(guan) 在生产(chan)阶段主要选(xuan)择高质量(liang)钛带，借助(zhu)钨(wu) 在生(sheng)产(chan)阶段(duan)主(zhu)要(yao)选择高质(zhi)量钛(tai)带，借(jie)助钨 极(ji)氩弧(hu)焊技(ji)术(shu)完(wan)成(cheng)卷加(jia)工(gong)，其(qi)主(zhu)要优势(shi)在(zai)于化(hua)简钛(tai)管的实 极(ji)氩弧(hu)焊(han)技(ji)术完(wan)成(cheng)卷加(jia)工，其主(zhu)要(yao)优(you)势在于(yu)化(hua)简(jian)钛管的(de)实 际(ji)生(sheng)产(chan)流(liu)程(cheng)，节(jie)约(yue)传(chuan)热(re)管的制(zhi)造(zao)加(jia)工(gong)成本(ben)。经(jing)过计算可(ke)以得 际生产(chan)流程(cheng)，节约传热(re)管的(de)制造(zao)加(jia)工成本。经过计(ji)算(suan)可以(yi)得 际(ji)生(sheng)产流程(cheng)，节(jie)约(yue)传(chuan)热(re)管的制造(zao)加工成(cheng)本(ben)。经过计(ji)算(suan)可(ke)以得(de) 出，相同(tong)外(wai)径尺(chi)寸(cun)的钛传(chuan)热管(guan)应(ying)用(yong)卷焊(han)工(gong)艺(yi)较于(yu)轧(ya)制(zhi)材(cai) 出，相(xiang)同外径(jing)尺寸的钛(tai)传热(re)管应(ying)用(yong)卷(juan)焊工(gong)艺较于轧(ya)制(zhi)材(cai) 出(chu)，相(xiang)同(tong)外(wai)径(jing)尺寸(cun)的钛传(chuan)热(re)管应用(yong)卷焊工艺(yi)较于(yu)轧制(zhi)材 料能够节约(yue)10%的成本(ben)。若(ruo)应(ying)用(yong)并(bing)推(tui)广(guang)壁(bi)厚为 的成(cheng)本。若应(ying)用(yong)并(bing)推广(guang)壁(bi)厚(hou)为0.4mm的(de)薄(bao)壁 卷焊(han)钛管 可(ke)以极大程度地(di)节(jie)省(sheng)海水淡(dan)化工中(zhong)钛(tai)材(cai)的(de)使(shi)用(yong) 可(ke)以(yi)极大程度地节(jie)省海(hai)水淡化工(gong)中(zhong)钛材(cai)的使用 量，其传热(re)面积相较(jiao)于依托 量(liang)，其传热面积相(xiang)较于依(yi)托(tuo) GB/T 3625-2007质(zhi)量(liang)标准的(de) 质量(liang)标(biao)准的(de) 质量(liang)标准(zhun)的 质(zhi)量标(biao)准的 质量(liang)标准的φ 0.5mm厚(hou)钛管(guan)约节省(sheng)了 20%。例如(ru)，对于(yu) 1万 t/d的(de)多(duo)效(xiao)低(di) 温(wen)蒸馏海水淡(dan)化工程，使(shi)用型(xing)号(hao)是(shi)φ 22 ×φ0.4mm的(de)薄壁(bi)卷 焊钛管与(yu)φ 22 ×φ 0.5标(biao)准(zhun)的无(wu)缝(feng)钛(tai)管(guan)在(zai)投资成(cheng)本(ben)方面(mian)标(biao)准(zhun)的 无缝钛管在投资(zi)成本(ben)方(fang)面(mian)对比(bi)如下：前者材料(liao)用量(liang) 45.4吨(dun)，后者(zhe)为56.77吨(dun)材料价16.2万(wan)元每吨，后(hou)者18.0万元(yuan)每(mei)吨。因(yin)此(ci)，若产热面积(ji)相(xiang)同，使用厚(hou)度是0.4mm的(de)厚(hou)薄壁钛(tai)管(guan)材(cai)料(liao)可以节省(sheng) 25% 的投(tou)资(zi)成本，经(jing)济(ji)效(xiao)益(yi)较为显(xian)著。

3、结(jie)论

综上所述，通过(guo)对薄壁(bi)卷(juan)焊(han)钛管(guan) 完(wan)成(cheng)耐(nai)腐蚀(shi)测试后(hou)得出， 其年(nian)均(jun)腐蚀速率大约为(wei) 0.00026mm/a ，其(qi)传热(re)系数是(shi) ，其传(chuan)热(re)系数(shu)是(shi) ，其传热(re)系(xi)数(shu)是3400W/（m2·K），为后(hou)续(xu)海(hai)水(shui)淡(dan)化(hua)设(she)计提(ti)供(gong)数据支持。同时(shi)，该(gai)材料(liao)加工，为(wei)后(hou)续海水淡化设计(ji)提供数据(ju)支持。同(tong)时(shi)，该(gai)材料(liao)加工(gong)成(cheng)本(ben)相较(jiao)于无缝(feng)管低(di) 10%，若传热(re)能(neng)力相同(tong)，应(ying)用(yong)薄壁焊钛(tai)管(guan)可(ke)以节(jie)省(sheng) 20%的钛材，为其(qi)规模化生(sheng)产与(yu)推广提(ti)的(de)钛(tai)材，为(wei)其规(gui)模(mo)化生(sheng)产(chan)与推(tui)广提供支持(chi)。

参(can)考文(wen)献

[1]侯(hou)如山(shan) ,张小萍(ping) ,缪红建(jian) .海(hai)水(shui)淡(dan)化(hua)整(zheng)体式(shi)板片设计(ji)及(ji)仿 海(hai)水(shui)淡(dan)化(hua)整体式板(ban)片设(she)计(ji)及(ji)仿真(zhen)[J].机械设计(ji)与制(zhi)造 ,2020(8):99 -102.

[2] 吕宏(hong)卿(qing) ,王(wang)鑫(xin) ,刘洪锟 ,等(deng).海(hai)水淡化(hua)用(yong)薄壁(bi)卷(juan)焊钛管传(chuan)热(re)及耐(nai)蚀性能(neng) [J].化工(gong)进(jin)展(zhan) ,2019（8）:356356356-361.