閥門在大型海水淡化系統應用

                            上海申弘閥門有限公司
 
  近年來，隨著國民生活水平提高和工業發展，淡水耗量逐年增加，為了解決用水問題，許多大型海水淡化工程正在國內緊張的進行建設。本文從介質、材料、防腐處理、結構和安裝要求等方面入手，分析海水淡化項目工程上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥,氣動截止閥,電動蝶閥,氣動蝶閥,電動球閥,氣動球閥,電動閘閥,氣動閘閥,電動調節閥,氣動調節閥，減壓閥。水力控制閥、真空閥門、襯膠閥門、襯氟閥門。大型反滲透海水淡化系統特別適合于海島、沿海城市和地區以飲用水為目的的淡化過程，它可以將反滲透海水淡化消耗的電力保持在4KWh/m3以下。反滲透是一種壓力驅動的分離技術，由于淡化過程中沒有相變，具有顯著的節能特征。

大型反滲透海水淡化系統
我國的人均淡水資源量僅為世界平均值的1/4，屬于貧水國家，其中沿海城市和島嶼地區缺水更為突出。解決缺水的方法除了傳統意義上的調水和蓄水工程、節水以及污水回用之外，海水淡化技術受到越來越多的重視。
海水因含鹽量高、硬度高，對水處理設備腐蝕性大，而且水溫季節性變化大,使得常規的反滲透海水淡化系統比常規的苦咸水脫鹽系統要復雜得多，工程投資和能耗也高得多。通過*工藝設計，合理的組件配置降低工程投資和能耗，降低制水成本，并確保系統穩定運行，為您提供的海水淡化解決方案。
大型反滲透海水淡化系統

海水淡化主要技術內容
海水從取水頭部取出后，根據不同的海水水質進行相應的預處理過程，其目的是使海水在進入反滲透膜之前達到SDI<3等控制指標，以確保反滲透膜的使用壽命。經過預處理的合格海水用高壓泵加壓送入反滲透膜組堆，透過反滲透膜的水經收集后再經過適當的預處理送入管網系統供用戶使用，未能透過反滲透膜的高壓濃鹽水進入能量回收裝置以回收其能量，經過能量回收裝置的濃鹽水排回大海。
由于反滲透膜在國外已經是十分成熟的產品，因此反滲透海水淡化系統的技術關鍵在于合理的設計預處理系統、選用合適的高壓泵和能量回收裝置、設計完善的控制系統進行監測和控制、選用科學的材料和防腐措施以防止管路和系統的腐蝕。另外，對于開放式取水，除了保證系統的污染指數外，還必須采取科學的殺菌滅藻措施以防止微生物對系統的侵害。
大型反滲透海水淡化系統

反滲透法海水淡化技術特點
1、投資少：投資額為其他工藝的1/2-2/3。
2、占地省：約為其他工藝的1/2-2/3。
3、能耗低：比其他工藝低20%以上。
4、對海水適應性強，設備機動性強。
大型反滲透海水淡化系統

反滲透海水淡化技術經濟指標
1、脫鹽率99.5%。
2、水回收率35%-40%。
3、噸水耗電3-4度。
4、噸水運行成本3-4元。 

 1 概述      

近年來，隨著國民生活水平提高和工業發展，淡水耗量逐年增加，為了解決用水問題，許多大型海水淡化工程正在國內緊張的進行建設。本文從介質、材料、防腐處理、結構和安裝要求等方面入手，分析海水淡化項目工程設計過程中工藝閥門的選擇。    

 2 工藝介質    

 海水淡化過程中，需要特別注意氯化物對設備的腐蝕。另外，海水溫度對腐蝕速率影響很大，溫度越高，腐蝕越快。而固體污染物會損害材料保護膜，引起沖刷腐蝕。各類化學污染物也會提高腐蝕概率。配料添加劑可能是一種人為的海域化學品污染物，但是從腐蝕角度看，適量則不會引起任何問題。如次氯酸鈉有時用來抑制藻類，但劑量太大會引起嚴重的點腐蝕。海水淡化有多種工藝，其中反滲透技術的主要工藝過程為海水取水→前處理→超濾→反滲透→產品水（ 副產反滲透濃液） ，各工藝過程主要介質的組成見表 1（ 取水地點不同海水成分有所差異） 。    

 3 閥門材料      

在海水淡化工程中，閥門材料問題較多出現在過流部件上。目前，常用過流部件材料主要有鎳鋁青銅、不銹鋼、雙相不銹鋼和金屬涂層等。

3.1 鎳鋁青銅      

鎳鋁青銅（Al8Ni2Cu） 具有優異的耐應力開裂腐蝕、耐疲勞腐蝕、耐空泡腐蝕、耐沖刷和抗海生物污損等性能。在含3%NaCl的海水中，與不銹鋼相比，鎳鋁青銅合金具有優異的抗汽蝕破壞性。鎳鋁青銅在海水中的腐蝕為點蝕和縫隙腐蝕。鎳鋁青銅對海水流速敏感，超過臨界流速時，腐蝕速度急劇增加。鎳鋁青銅鑄造工藝不穩定，鑄造的合格率偏低，作為閥門鑄件時，需深入研究。  

   3.2 不銹鋼    

 不銹鋼的耐腐蝕性隨材料化學成分不同而異。304不銹鋼在含1×10-4 氯化物的水環境下，具有耐點腐蝕和耐裂隙腐蝕性，在海水中不能作為過流部件。316L是含鉬奧氏體不銹鋼，具有更好的抗一般腐蝕、點腐蝕和裂隙腐蝕性。316L在含氯化物＜2×10-3 的亞海水環境下，具有耐點腐蝕和耐裂隙腐蝕性。海水的氯離子含量約1.83×10-2 ，海水濃縮液的氯離子濃度3.4×10-2 ，操作壓力約為7MPa。氯離子濃度小于2×10-2 時，可選用ASTMA995-4A雙相不銹鋼。氯離子濃度小于4×10-2 的工況，可選用ASTMA995-雙相不銹鋼。隨著鉻、鉬和氮含量增加，可以提高不銹鋼在氯化物或其他鹵素離子環境下的耐點腐蝕和縫隙腐蝕性（表2） 。

 3.3 球墨鑄鐵    

 為了降低工程造價，閥體采用球墨鑄鐵襯EP-DM，閥瓣采用球墨鑄鐵襯防腐涂層的處理辦法。      （1） 球墨鑄鐵襯Halar    

 Halar是乙烯與三氟氯乙烯的交替共聚物，是半結晶和可熔融加工的含氟聚合物。對大多數的無機和有機化學品以及有機溶劑，有良好的抗腐蝕能力。Halar制成品的表面類似于玻璃，能阻止微生物的增長，在國外已允許用于食品和飲水領域。在高溫下的耐氯和氯衍生物的性能突出。并具備突出的抗沖擊性能和相當的機械堅韌性。Halar 涂層適合在氯離子濃度低于4×10-2 的環境中使用。    

 （2） 球墨鑄鐵襯Nylon11    

 Nylon11是熱塑性和植物類涂層，能防止菌類生長和增長，通過10年鹽水沉浸測試，底層金屬沒有腐蝕跡象。為保證涂層的穩定性及良好的粘和性，Nylon 11用在蝶板涂層時其使用溫度不宜超過100℃ 。Nylon11涂層蝶板與膠套之間的摩擦系數低，能抵抗紫外線。與采用雙相鋼閥瓣相比，球墨鑄鐵涂Nylon11閥瓣的成本降低80%以上。Nylon11涂層適合在氯離子濃度低于3×10-2 的環境中使用。當流通介質中含磨損性顆粒或經常開關動作場合，不適合使用涂層。另外，在運輸和安裝過程中應防止涂層劃傷和脫落。    

 4 閥門類型

合理選擇閥門的類型，可以減少材料耗量，降低局部阻力和能耗，方便安裝，減少維修。本文重點論述大口徑切斷閥和止回閥的選擇。  

   4.1 切斷閥    

 大型海水淡化中工藝管徑一般為DN300～1600，超出一般球閥和截止閥的使用范圍。蝶閥與相同口徑閘閥（Z41H） 相比，具有結構簡單，易防腐，安裝長度短，消耗鋼材少，閥門局部阻力系數相近的優點，選擇蝶閥作為切斷閥更經濟實用。根據壓力等級，蝶閥可分為低壓蝶閥和高壓蝶閥。  

（1）低壓蝶閥    

 低壓蝶閥（圖1） 可以采用中線無銷釘襯膠蝶閥。當蝶閥≤DN500時，采用對夾式連接。當蝶閥≥DN550時，采用法蘭連接。當蝶閥口徑≤ 6in.（DN150） ，開啟力小于400N，采用手柄操作。當蝶閥口徑≥8in. （DN200） ，采用齒輪箱操作。由于低壓閥門的背壓低，采用中線結構不會增加太多扭矩，這種結構有兩次密封。主密封是蝶板和閥座采用預緊力獲得，第二密封是閥桿和閥座孔的過盈配合獲得。由于閥桿和介質*隔離，不滲入海水，故閥桿可采用2Cr13或等同材料制作。閥體采用球墨鑄鐵襯EPDM，增加密封性能。由于閥體不與介質接觸，降低了閥體材料性能要求（表3） 。  表3 低壓中線蝶閥主要零件材料

(1) 低壓蝶閥

低壓蝶閥 圖1) 可以采用中線無銷釘襯膠蝶閥。當蝶閥≤DN500 時，采用對夾式連接。當蝶閥≥DN550 時，采用法蘭連接。當蝶閥口徑≤6 in.(DN150) ，開啟力小于400N，采用手柄操作。當蝶閥口徑≥8 in. (DN200) ，采用齒輪箱操作。由于低壓閥門的背壓低，采用中線結構不會增加太多扭矩，這種結構有兩次密封。主密封是蝶板和閥座采用預緊力獲得，第二密封是閥桿和閥座孔的過盈配合獲得。由于閥桿和介質*隔離，不滲入海水，故閥桿可采用2Cr13 或等同材料制作。閥體采用球墨鑄鐵襯EPDM，增加密封性能。由于閥體不與介質接觸，降低了閥體材料性能要求(表3) 。

(2) 高壓蝶閥

選擇高壓蝶閥(圖2) 材料時，除考慮海水的腐蝕因素外，還需要考慮材料的耐壓性能，工作壓力為69 bar，zui高壓力≥85 bar( 反滲透高壓泵的關閉壓力) 時，由于背壓高，為了減少扭矩，高壓蝶閥采用雙偏心結構。當蝶閥公稱尺寸≤DN500，采用對夾式連接。當蝶閥公稱尺寸≥DN550，采用法蘭式連接。壓力等級Cl 600，閥體和蝶板材料為雙相鋼ASTM A995 GR. 4A，由于閥桿暴露在介質中，閥桿采用材料為ASTM A276 UNS31803，閥座材料為RPTFE。雙偏心結構增加了局部阻力系數，蝶板和閥桿固定需要銷釘，銷釘的防腐要求和其他過流部件相同。

低壓蝶閥

1.閥體 2.閥瓣 3.閥桿 4.執行機構

圖1 低壓蝶閥

表3 低壓中線蝶閥主要零件材料

低壓中線蝶閥主要零件材料

注: 介質中含有磨損性顆粒時，閥瓣材料宜采用ASTM A995GR. 4A 或以上材料。

2、止回閥
止回閥通常安裝在海水泵出口，用以阻止海水倒流和水錘對設備的損壞。目前海水淡化項目中使用的止回閥有緩閉蝶式止回閥、全襯膠蝶式對夾止回閥、單瓣對夾止回閥和單瓣雙相鋼對夾止回閥等。

(1) 緩閉蝶式止回閥

緩閉蝶式止回閥(H48X - 10Q，圖3) 的主體材料為球墨鑄鐵，機械或液壓緩閉抗水錘能力較好，適合低壓使用，真空技術網(http://www.chvacuum。。ｃｏｍ/)調研后發現目前在廢水處理、化工廠和市政等工程得到很大應用，在海水淡化工程的產品水工段應用。

(2) 全襯膠蝶式對夾止回閥

全襯膠蝶式對夾止回閥( H77X - 10Q，圖4) 是對緩閉蝶式止回閥HH48X - 10Q 在防腐方面的改進，閥體和閥桿采用全襯膠方式，閥瓣可采用雙相不銹鋼或鎳鋁青銅。此類閥門設置在低壓海水泵的出口處，適合大口徑管路上安裝，閥門公稱直徑范圍為DN200 ～ 1 200。設計時需要注意該閥門對安裝空間的要求，閥門安裝不當會引起閥瓣和彈簧對閥桿長期作用，破壞閥體和閥桿接觸處密封，滲入介質，造成閥體腐蝕，縮短閥門使用壽命。

雙偏心高性能蝶閥

1.閥體 2.閥瓣 3.閥桿 4.執行機構

圖2 雙偏心高性能蝶閥

緩閉蝶式止回閥

1.閥體 2.閥瓣 3.儲油缸 4.微調閥

圖3 緩閉蝶式止回閥

全襯膠蝶式對夾止回閥

1.閥體 2.閥瓣 3 閥桿

圖4 全襯膠蝶式對夾止回閥H77X - 10Q

(3) 單瓣對夾止回閥

單瓣對夾止回閥( H74H，圖5) 結構簡單，安裝空間小，可在低壓或高壓工況下使用。閥門整體采用雙相不銹鋼，抗海水的腐蝕性能好，質量輕，可水平和垂直安裝，使用方便。在海水淡化裝置中，一般選用≤DN250 的單瓣對夾止回閥。當閥門公稱尺寸> DN250 時，水擊作用明顯，動作噪音大。大口徑單瓣對夾止回閥在氣路配管中廣泛應用。閥門為非全通徑，閥瓣開度zui大45°，阻力系數增加，流通能力下降。

單瓣對夾止回閥

1.閥體 2.閥瓣 3.閥桿

圖5 單瓣對夾止回閥

(4) 單瓣雙相鋼對夾止回閥

單瓣雙相鋼對夾止回閥( 圖6) 安裝空間小，采用INCONEL 彈簧配合閥瓣重力快關，流量或壓力低于一定值，自動關閉抗水擊，密封面采用EPDM密封圈，減少水錘作用。流線形閥瓣局部阻力系數低，閥門開度增大。單瓣雙相鋼對夾止回閥安裝在海水淡化的反滲透高壓泵出口，是高壓、抗擊水錘、耐腐蝕和止回的解決方案。

單瓣雙相鋼對夾止回閥

圖6 單瓣雙相鋼對夾止回閥

大型反滲透海水淡化系統采用反滲透膜法淡化海水，首先是抽取海水進行預處理，降低海水濁度，濾除細菌、藻類等大顆粒污染物。海水經特種高壓泵增壓，進入反滲透膜。由于海水含鹽量高，因此采用高脫鹽率，耐腐蝕、耐高壓、抗污染的海水淡化反滲透膜，經過反滲透膜處理后的海水，其含鹽量大幅降低，TDS含量從36000毫克/升降至200毫克/升左右。淡化后的水質優于自來水，可供工業、商業、居民及船舶、艦艇使用。大型海水淡化工程用閥門類型的選擇上海申弘閥門有限公司*，與本文相關的論文有：礦山電動插板閥。