膜法海水淡化工程中钛合金管碳钢管不锈钢管性能比较及选用建议

1、我国海水淡化发展现状

我国是全球水资源最为丰富的国家之一，水资源总量达 28000 亿立方米，居全球第六。然而，在拥有丰富水资源的同时，我国也是人均水资源贫乏的国家。据统计，我国人均水资源量约，居全球 121 位，仅为平均水平的 1/4, 属全球 13 个最贫水的国家之一 [1-3]。

截至目前，我国水资源每年仍面临约的缺口，据估算，其直接造成的经济损失已超过千亿。其中，我国 11 个沿海省、自治区和直辖市，约占 15% 的国土面积，海岸线超 18000km, 居民人数占总人口的 40% 以上，区域总产值约占全国 GDP 的 60% 以上 [2,4-5]。然而，沿海工业城市的人均水资源量普遍仅为全国平均水平的 1/4, 大连、天津、青岛以及连云港等城市的人均水资源量更是低于全国平均水平的 1/10, 处于极度缺水状态。这个我国人口最稠密、经济最发达的区域，在水资源日益短缺的情况下，其可持续发展面临着严峻挑战 [6]。

海水淡化即利用海水脱盐生产淡水，是增加水资源总量、改善水资源结构、提高水资源安全保障的有效手段，具有不受气候影响、水质好、供给稳定等特点 [1,4,7-11]。截至 2023 年，全国已落地海水淡化工程 156 个，工程总规模达，可以解决全国 700 多万人的用水问题 [12-14]。此外，为实施《国家水网建设规划纲要》中提出的相关策略，海水利用被确定为一个核心领域，并已写入《加强非常规水源配置利用的指导意见》、《进一步加强水资源节约集约利用的意见》以及《国家鼓励的工业节水工艺、技术和装备目录 (2023 年)》等政策文件。

此外，河北、山东、江苏、浙江、广西、海南等沿海省份和直辖市也将海水利用纳入了本地的非传统水源规划、水资源管理和碳排放峰值控制的实施计划中 [15-19]。

综上所述，海水淡化作为淡水资源的替代与增量技术，已成为解决我国淡水资源短缺的战略选择和重要措施，也是拓展中华民族生存发展空间的战略要求 [20-25]。

2、海水淡化工程中管道防腐问题

海水因其高盐分、高导电性和生物活性，致使海水淡化管道系统普遍面临着腐蚀严重的难题，该过程复杂且难以人为干预 [26-28]。主要的腐蚀类型包括电化学腐蚀、均匀腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀开裂 [29]。电化学腐蚀是由于海水作为优良电解质，金属材料在其环境中易发生反应，导致阳极区域金属熔解。均匀腐蚀在整个金属表面均匀发生，虽然腐蚀速度较慢，却会逐渐削弱管道强度和厚度。点蚀表现为表面形成小而深的孔洞，可能迅速发展，最终导致穿孔和泄漏。缝隙腐蚀多发生在管道连接处或狭窄缝隙中，由于氧气供应不足，腐蚀加速且难以检测。应力腐蚀开裂是在内部压力或外部机械应力作用下，管道在应力集中区域 (如焊缝和弯曲处) 发生材料突然断裂。

海水淡化工程管道系统的防腐措施至关重要，旨在延长管道使用寿命并确保系统稳定运行 [30-33]。有效的防腐方法包括 [34-37]: 选用耐腐蚀材料，如不锈钢、塑料 (聚乙烯和聚丙烯) 或特种合金；在管道外表施加防腐涂层，如环氧树脂或聚氨酯涂层，以隔绝海水和氧气；采用阴极保护技术，通过安装牺牲阳极 (如锌或铝) 降低管道电位，从而减少腐蚀反应；利用电化学保护方法施加电流以阻止腐蚀；定期检查和维护管道，及时处理腐蚀问题；控制海水的物理化学性质，如降低氯离子浓度和调整 pH 值；合理设计流体流动速度，减少对管道的冲击；使用生物杀灭剂或防污涂层，防止微生物和藻类附着。通过综合运用这些措施，可以显著提高海水淡化管道的耐腐蚀性能，延长其使用寿命。

因此，在海水淡化项目设计过程中，如何针对不同工艺段管道运行环境及要求，匹配适宜的管材类型，将是确保海水淡化工程安全、稳定、长效运行的重中之重，也是控制工程的建设和运维成本的要点之一 [38]。综上所述，深入探讨海水淡化工程中不同管道材料的优劣，并评估它们在特定工艺环节的适用性，对于实际生产应用具有重要意义 [39-41]。

3、海水淡化项目常用管材对比分析

3.1 金属管道

反渗透海水淡化工程中，金属管道因其耐腐蚀的特性得到了广泛应用，主要包括钛合金、碳钢以及不锈钢管道。

3.1.1 钛合金管道

相较于其他耐腐蚀材料，钛合金具有稳定的钝化膜，可在环境温度低于 110℃的情况下避免腐蚀发生。从实际应用效果看，钛合金管道长期运行不易被微生物附着，具备运行稳定、持久的优点。因其优异的防腐特性，钛合金管道在海水淡化工程中备受青睐，但由于材质成本较高的问题，其大规模应用受到极大的限制。日本在钛管在海水淡化装置的应用方面已取得显著成果，多家知名企业如日立、三菱和东芝等广泛使用钛焊管。

3.1.2 碳钢管道

碳钢管道受益于其成本优势，广泛应用于海水淡化工程管道系统中。同时，碳钢材质的防腐处理技术已愈发成熟，使用寿命和防腐层的附着力均得到了大幅提升，管壁涂装质量及可靠性显著增强。

3.1.3 不锈钢管道

研究表明，不锈钢管道在海水浸泡实验中表现出优异的耐腐蚀性能，从而在海水淡化项目得到了大规模应用。在应用过程中，往往通过抗点蚀系数来衡定不锈钢管材的耐腐蚀等级，其中 316L 特种不锈钢以及双相不锈钢应用最为广泛，具备出色的抗点蚀、缝隙腐蚀和一般性腐蚀能力，且具有高强度、良好的冲击韧性及优异的抗应力腐蚀能力。

3.2 非金属管

大多数常用的非金属材料均具有优异的耐海水腐蚀特性，如陶瓷、橡胶、玻璃钢、塑料管等。目前常用的有玻璃钢管、塑料管和钢衬胶 (塑) 管 [35]。

3.2.1 玻璃钢管

玻璃钢管具有以下特点：(1) 优异的耐腐蚀性能；(2) 广泛的管道规格及管件可供选用，管径可有效覆盖 DN50 至 DN2000mm, 可定制各类标准或非标管件，如弯管、三通、异径接头以及盲板等；(3) 连接方式灵活多样，既可以使用法兰连接，也可以采用手工糊制连接；(4) 支持客制化定制，可根据客户的具体需求 (如不同的流量、压力、埋设深度和承载条件等), 定制不同压力和刚度等级的管道系统。

截至目前，玻璃钢管已在中东地区的多个大规模海水淡化工程中得到了广泛应用。在国际市场上，玻璃钢管道多遵循 AW-WA C950 标准进行设计和制造；而针对国内，则多依照《纤维缠绕增强热固性树脂压力管》(JC/T552-2011) 以及《玻璃钢管和管件》HG/T 21633-1991 执行。

3.2.2 塑料管

塑料管道因其成本效益高、接口稳定性强、材料抗冲击、抗裂、耐老化以及耐腐蚀等特性，在供水和燃气管道系统中得到了广泛地应用。然而，受限于成本原因，聚氯乙烯材料并不适合用于大口径管道的制造。目前，聚氯乙烯管道的口径通常不会超过 DN1000。

然而，在海水淡化项目中大口径管道的使用较为频繁。例如，一个日处理能力为 20 万 m3 的标准海水淡化厂，其工艺管道的最大口径可能会超过 DN2000, 而且 DN1000 以上管道的应用也相当普遍。这严重限制了聚氯乙烯管道在海水淡化工程中的应用。同时，聚氯乙烯材料对紫外线的抵抗力较弱，在紫外线辐射强烈的地区如东南亚和中东，其大规模应用受到了严重限制。此外，聚氯乙烯管道的热熔连接设备体积较大，这也使得其在架空管道安装过程中操作难度较大。

3.2.3 钢衬胶 (塑) 管

表 1 海水淡化工程主要管材对比分析 

Tab.1 Comparative analysis of main pipe materials in seawater desalination projects

钢衬胶 (塑) 管道结合了钢管的耐压和耐冲击的机械优势，同时也继承了橡胶 (塑料) 材料的防腐、耐磨、低运行阻力和低能耗等特性。钢衬胶 (塑) 管道能够适应广泛的温度范围，并且拥有较长的使用寿命，因此其已然成为传统电厂水处理项目的首选材料。同时，钢衬胶 (塑) 管道的衬里配方和材料可以根据具体的水质及运行环境条件进行调整。

然而，在特定的海水淡化工程环境中，钢衬胶 (塑) 管道也面临一些挑战。首先，管道配件需要预先制造和安装；其次，在海水淡化系统的设计中，需要对大量的仪表和管道连接进行细致的防腐和防渗处理，这不仅增加了施工的复杂性，还存在较大的渗漏和腐蚀风险。

4、海水淡化工程中的管道材料选用

4.1 原水取水工序段

原水取自自然海水，要求设备具备良好的耐腐蚀性、强度和稳定性。由于管道露天架设，运行环境相对恶劣，处理工艺的温度一般不超过 70℃[34], 管道运行压力较低，属于低压管道。玻璃钢管道因其优异的耐海水腐蚀性能、重量轻、安装便捷，且具有广泛的口径范围和灵活的连接方式，可以较好地满足原水取水工序段的运行需求。此外，塑料管、不锈钢管和碳钢管道也较为常用。

4.2 原水预处理工序段

预处理管道介质包括原海水和处理药剂等，工艺温度在 10℃~35℃之间，操作压力不超过 1.0 兆帕，主要集中在室内布置。考虑到原海水中的盐分、悬浮物和溶解氧等多种腐蚀因素，玻璃钢管和不锈钢管凭借其抗冲击、耐腐蚀、柔韧适中及不同管材连接便捷的特点，非常适合海水预处理工序的要求。

4.3 反渗透处理工序段

经过预处理的海水部分经高压泵增压至 40bar~50bar 进入反渗透系统，通过反渗透膜得到产水和高压浓盐水。高压浓盐水送至能量回收装置进行能量转换后排出。根据压力等级，该工序管道分为低压和高压两类。低压管道包括反渗透工艺段的高压泵进水管道、能量回收装置进水管道、浓盐水排放管道及反渗透膜产水管道等；高压管道包括反渗透进水侧管道及能量回收装置的高压浓盐水管道。目前，低压管道可选用玻璃钢管、不锈钢管、塑料管、钛合金管道、碳钢管道或钢衬胶 (塑) 管，推荐使用玻璃钢管、不锈钢管或钛合金管道。高压管道可选用不锈钢管、钛合金管道或钢衬胶 (塑) 管，主要采用 2507 双相不锈钢管和 316L 不锈钢管。

4.4 浓海水排放工序段

经过淡化过程，得到的高盐度海水盐分浓度是普通海水的 2 至 3.5 倍，这要求将其输送至远离取水点的区域，并实现无压力的自然排放。在这一过程中，不可避免地会经过道路、建筑物等障碍物，因此，整个排放管道系统通常采用地下敷设的方式。玻璃纤维增强塑料夹砂管因其承受负载能力强、耐蚀性能高、耐磨性好以及优越的耐热和抗冻特性，非常适合用于高盐度海水排放工程的需求。

4.5 矿化调质工序段

矿化调质工序是海水淡化过程中重要的一环，主要用于调整处理水的矿物成分，以满足水质标准和使用需求。管道介质除了反渗透工艺段出水外，还包括混合矿化剂 (如氯化钠、氯化钙、硫酸镁等), 因此管道系统须具备良好的耐腐蚀性和耐磨损性能。矿化调质工序段的管道宜选用玻璃钢管、塑料管或不锈钢管。

5、结论与建议

经过多年的发展，我国已熟练掌握了反渗透膜法海水淡化技术，同时海水淡化也已被纳入循环经济、节能减排、建设节约型社会、战略性新兴产业以及 “水十条” 等多个政策法规中，然而在海水淡化的应用推广方面仍需进一步完善。海水淡化管道系统的构建是海水淡化工程设计与施工的关键，将直接影响项目的长期稳定运行。为确保海水淡化工程的顺利实施，需加强对管道系统的研究与应用，科学选材，以提高工程的安全性和经济效益，具体如下:

(1) 对于原水取水工序段，推荐选用具有出色耐腐蚀性、高强度和稳定性的玻璃钢管道。

(2) 在原水预处理工序段，建议选择具有优越耐腐蚀特性的玻璃钢管和不锈钢管。

(3) 反渗透处理工序段应根据压力等级，低压管道建议选用玻璃钢管、不锈钢管或钛合金管道；高压管道则推荐 2507 双相不锈钢管或 316L 不锈钢管。

(4) 针对浓海水排放工序段的特殊条件，通常推荐使用承载能力强、耐腐、耐磨、耐热和抗冻的玻璃钢夹砂管道。

(5) 矿化调质工序段应选用耐腐蚀、耐磨损的管材，如玻璃钢管、塑料管或不锈钢管，以满足不同介质和工艺的需求。

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