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閥門在大型海水淡化系統(tǒng)應(yīng)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(yè)發(fā)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(nèi)緊張的進(jìn)行建設(shè)。本文從介質(zhì)、材料、防腐處理、結(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)閥,氣動調(diào)節(jié)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(tǒng)特別適合于海島、沿海城市和地區(qū)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(qū)動的分離技術(shù)，由于淡化過程中沒有相變，具有顯著的節(jié)能特征。
大型反滲透海水淡化系統(tǒng)
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(qū)缺水更為突出。解決缺水的方法除了傳統(tǒng)意義上的調(diào)水和蓄水工程、節(jié)水以及污水回用之外，海水淡化技術(shù)受到越來越多的重視。
海水因含鹽量高、硬度高，對水處理設(shè)備腐蝕性大，而且水溫季節(jié)性變化大,使得常規(guī)的反滲透海水淡化系統(tǒng)比常規(guī)的苦咸水脫鹽系統(tǒng)要復(fù)雜得多，工程投資和能耗也高得多。通過*工藝設(shè)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(tǒng)穩(wěn)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(tǒng)
海水淡化主要技術(shù)內(nèi)容
海水從取水頭部取出后，根據(jù)不同的海水水質(zhì)進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)處理過程，其目的是使海水在進(jìn)入反滲透膜之前達(dá)到SDI<3等控制指標(biāo)，以確保反滲透膜的使用壽命。經(jīng)過預(yù)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(jīng)收集后再經(jīng)過適當(dāng)?shù)念A(yù)處理送入管網(wǎng)系統(tǒng)供用戶使用，未能透過反滲透膜的高壓濃鹽水進(jìn)入能量回收裝置以回收其能量，經(jīng)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(jīng)是十分成熟的產(chǎn)品，因此反滲透海水淡化系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵在于合理的設(shè)計預(yù)處理系統(tǒng)、選用合適的高壓泵和能量回收裝置、設(shè)計完善的控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測和控制、選用科學(xué)的材料和防腐措施以防止管路和系統(tǒng)的腐蝕。另外，對于開放式取水，除了保證系統(tǒng)的污染指數(shù)外，還必須采取科學(xué)的殺菌滅藻措施以防止微生物對系統(tǒng)的侵害。
大型反滲透海水淡化系統(tǒng)
反滲透法海水淡化技術(shù)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(yīng)性強(qiáng)，設(shè)備機(jī)動性強(qiáng)。
大型反滲透海水淡化系統(tǒng)
反滲透海水淡化技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)
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(yè)發(fā)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(nèi)緊張的進(jìn)行建設(shè)。本文從介質(zhì)、材料、防腐處理、結(jié)構(gòu)和安裝要求等方面入手，分析海水淡化項目工程設(shè)計過程中工藝閥門的選擇。
2 工藝介質(zhì)
海水淡化過程中，需要特別注意氯化物對設(shè)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(hù)膜，引起沖刷腐蝕。各類化學(xué)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(xué)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(yán)重的點腐蝕。海水淡化有多種工藝，其中反滲透技術(shù)的主要工藝過程為海水取水→前處理→超濾→反滲透→產(chǎn)品水（ 副產(chǎn)反滲透濃液） ，各工藝過程主要介質(zhì)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(xiàn)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(yōu)異的耐應(yīng)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(yōu)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(wěn)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(xué)成分不同而異。304不銹鋼在含1×10-4 氯化物的水環(huán)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(huán)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(huán)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(jié)晶和可熔融加工的含氟聚合物。對大多數(shù)的無機(jī)和有機(jī)化學(xué)品以及有機(jī)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(lǐng)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(dāng)?shù)臋C(jī)械堅韌性。Halar 涂層適合在氯離子濃度低于4×10-2 的環(huán)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(wěn)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(shù)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(huán)境中使用。當(dāng)流通介質(zhì)中含磨損性顆粒或經(jīng)常開關(guān)動作場合，不適合使用涂層。另外，在運輸和安裝過程中應(yīng)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(jié)構(gòu)簡單，易防腐，安裝長度短，消耗鋼材少，閥門局部阻力系數(shù)相近的優(yōu)點，選擇蝶閥作為切斷閥更經(jīng)濟(jì)實用。根據(jù)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(dāng)?shù)y≤DN500時，采用對夾式連接。當(dāng)?shù)y≥DN550時，采用法蘭連接。當(dāng)?shù)y口徑≤ 6in.（DN150） ，開啟力小于400N，采用手柄操作。當(dāng)?shù)y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(jié)構(gòu)不會增加太多扭矩，這種結(jié)構(gòu)有兩次密封。主密封是蝶板和閥座采用預(yù)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(zhì)*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(zhì)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(dāng)?shù)y≤DN500 時，采用對夾式連接。當(dāng)?shù)y≥DN550 時，采用法蘭連接。當(dāng)?shù)y口徑≤6 in.(DN150) ，開啟力小于400N，采用手柄操作。當(dāng)?shù)y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(jié)構(gòu)不會增加太多扭矩，這種結(jié)構(gòu)有兩次密封。主密封是蝶板和閥座采用預(yù)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(zhì)*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(zhì)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(guān)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(jié)構(gòu)。當(dāng)?shù)y公稱尺寸≤DN500，采用對夾式連接。當(dāng)?shù)y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(zhì)中，閥桿采用材料為ASTM A276 UNS31803，閥座材料為RPTFE。雙偏心結(jié)構(gòu)增加了局部阻力系數(shù)，蝶板和閥桿固定需要銷釘，銷釘?shù)姆栏蠛推渌^流部件相同。
低壓蝶閥
1.閥體 2.閥瓣 3.閥桿 4.執(zhí)行機(jī)構(gòu)
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(zhì)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(shè)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(jī)械或液壓緩閉抗水錘能力較好，適合低壓使用，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.chvacuum。。ｃｏｍ/)調(diào)研后發(fā)現(xiàn)目前在廢水處理、化工廠和市政等工程得到很大應(yīng)用，在海水淡化工程的產(chǎn)品水工段應(yīng)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(jìn)，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(shè)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(shè)計時需要注意該閥門對安裝空間的要求，閥門安裝不當(dāng)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(zhì)，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(zhí)行機(jī)構(gòu)
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(diào)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(jié)構(gòu)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(zhì)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(dāng)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(yīng)用。閥門為非全通徑，閥瓣開度zui大45°，阻力系數(shù)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(guān)，流量或壓力低于一定值，自動關(guān)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(shù)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(tǒng)采用反滲透膜法淡化海水，首先是抽取海水進(jìn)行預(yù)處理，降低海水濁度，濾除細(xì)菌、藻類等大顆粒污染物。海水經(jīng)特種高壓泵增壓，進(jìn)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(jīng)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(zhì)優(yōu)于自來水，可供工業(yè)、商業(yè)、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(guān)的論文有：礦山電動插板閥。
