隨著國家開發海洋戰略的實施和中海油“海上大慶”的勝利實現，我國海洋平臺使用石油化工裝置得到快速發展。海水換熱器是海上平臺作業中應用最廣泛的一種重要設備，換熱器換熱狀況的好壞，直接影響著整個平臺的平穩運行及綜合經濟指標，對生產的安全、穩定，長期運行起著重要的作用[1]。材料的選擇是海水換熱器設計時非常重要的環節，材料的選擇是否恰當，對裝置的生產、安全、維修和技術改造等有很大影響。對于換熱器材質的選擇應當嚴格遵循有關標準規范，按照材料力學性能，化學成分，制造工藝條件和業主實際情況等選用最佳材料。掌握選材方法的要領，了解正確選材的過程，具有很大的實際價值。本文針對海洋環境下，對海水換熱器材料的選擇時需要注意的事項進行整理分析，提出合理建議。
1、 影響海水換熱器材質選擇的主要因素
1.1 介質特性
介質的性能包括介質的腐蝕性、溫度、壓力、流速等，這些都會極大影響材料的選擇，根據不同的實際工況，應當作為材料選擇的首要考慮因素。
作為海水換熱器介質之一的海水存在有較高含量的溶解氧、氯離子和微生物，對海水換熱器有很強的腐蝕性；同時還要考慮熱交換的另一種介質的腐蝕性能，如原油中含有的無機鹽、硫化物、氮化物、有機酸等，天然氣中含有硫化氫、二氧化硫、氫氣等。流體介質的速度會產生沖蝕、磨蝕等，尤其流體中含有固體顆粒時影響更為顯著。工況溫度嚴重影響材料的性能，溫度升高，材料的強度降低，甚至會產生蠕變，導致材料直接失效；溫度降低，材料的延性及韌性也會降低，如果低于冷脆轉變溫度，材料也會失效。
1.2 材料的使用性能
海洋環境是一個特定的及其復雜的環境，氣候條件惡劣，在此區域的大氣中水蒸氣、氧氣、氮氣、二氧化碳、二氧化硫以及懸浮于其中的氯化鹽、硫酸鹽等，它具有比普通大氣濕度大、鹽分高、溫度高及干、濕循環效應等明顯特點。
材料的使用性能主要是根據工作環境、力學負荷條件，按照材料的性能指標來選擇相應的材料。根據海洋平臺特殊的工作環境，綜合考慮海水換熱器的換熱器性能要求，換熱器材料應當滿足的使用性能主要包括較高的導熱性、足夠的機械強度等。
1.3 材料的加工性能
材料的可加工性能是指采用不同的加工工藝，利用不同的加工設備以及通過各種焊接工藝等制造出來產品的難易程度，在設備的實際生產過程中也是一項必須考慮的因素。理想的換熱器材料不但要滿足足夠的使用性能，還要具有優良的鑄造性能、切削加工性能、壓力加工性能以及熱處理工藝性能等。同時還要考慮材料的加工性能以及焊接工藝性能，如鈦材的加工性能較差，低碳鋼比高碳鋼更容易焊接，不銹鋼需要采取特殊的焊接工藝等，這些在材料選擇時應當充分考慮。
1.4 成本
在選材時應當進行成本核算，充分考慮材料本身成本、加工工藝成本、運輸成本等，選定最合算的材料。最優秀的材料選擇具有最低的成本壽命比，如：有時使用加大腐蝕裕量的碳鋼比采用價格較貴的抗腐蝕材料更為經濟（指材料成本、制造成本的總和）。在必須使用不銹鋼及其它貴重合金材料時，如厚度較厚可采用以碳素鋼或低合金鋼為基層的復合鋼板或金屬襯里，經濟性更顯著；在某些腐蝕場合下可采用耐腐蝕材料作為襯里或涂層。
1.5 重量
一般固定安置在陸地上的設備較少考慮重量的限制，但是如果安置于海上的石油平臺上、船上等時，設備的重量也是影響選材的重要因素。海洋平臺用海水換熱器要充分考慮運送到平臺上的運輸費以及安裝費用。
2、 案例分析
2.1 事故分析
某油氣田平臺位于渤海灣東北部，平臺上天然氣冷卻處理設備U 形管殼式海水換熱器發生海水泄漏，經過幾次修復仍無法正常使用，決定更換新的海水換熱器。從現場調研發現，原海水換熱器與海水接觸的管箱、換熱管及封頭處發生嚴重的電化學腐蝕，造成換熱器多處腐蝕穿孔，發生海水外漏，如圖 1 所示。分析發現，平臺的原壓縮機海水冷卻器的管箱筒節的材質和筒體的材質均為20#鋼，橢圓封頭為 Q235-B，耐蝕性較差。
2.2 海水換熱器的設計
根據實際工作條件及業主要求，采用 U 形管殼式換熱器，管程通過海水，殼程通過天然氣，海水換熱器的設計技術參數如表 1 所示。
圖 2 為 U 管殼式海水換熱器的設計圖。新設計的 U 形管殼式海水換熱器管程側換熱管、管箱、接管、接管法蘭等（圖 2 中 C 處）都能與海水接觸，選材時首先應當考慮耐海水腐蝕因素；而換熱器殼體、接管等殼程（圖 2 中 B 處）通過的介質為處理過的天然氣，主要成分是甲烷和乙烷，不要求材質具有很好的耐蝕性，選材時可以優先考慮價格因素；換熱器的管板（圖 2 中 C 處）比較特殊，一側與海水接觸，另一側天然氣接觸。
2.3 海水換熱器材質的選擇
2.3.1 海水換熱器管程材質的選擇
海水含鹽的主要成分是 NaCl，其次是 MgCl2。海水的鹽的質量濃度約為 3.5%，充氧 NaCl 溶液腐蝕最強烈的濃度時 3.5%。海水一般是中性溶液（PH 為 7.2～8.6）。海水含有大量的活性氯離子，所以海水中的鋼材容易引起點蝕。
根據工程實際情況，在選擇耐海水腐蝕的材料時，考慮到貨源和價格因素，首先排除了選用稀有金屬材料如鋯、鉭等和雙相不銹鋼的可能性。根據換熱器常用耐海水腐蝕材料，考慮選用鐵白銅（BFe30-1-1）和工業純鈦（TA2）。
雖然鐵白銅（BFe30-1-1）和工業純鈦 TA2 都具有優良的耐海水腐蝕的性能，但工業純鈦（TA2）在以下方面更具有優勢：
（1）材料的相容性。鐵白銅電極電位很高，本身活性不高是其耐蝕性的原因。然而，白銅的管程在與碳鋼的殼程接觸時會形成電偶腐蝕，本身作為陰極得到了保護，但是會損害殼程碳鋼，導致碳鋼加速腐蝕。眾所周知，在浸蝕介質中，鈦表面上會形成穩定的二氧化鈦薄膜，具有優良的耐腐蝕性能，特別是在氯離子環境下，即使濃度很高，也具有很好的耐蝕性能。如果鈦上的氧化物薄膜受到損傷，表面就會被濕氣或者冷水直接修復[2]。而且，工業純鈦（TA2）是活性金屬，本身電極電位（-1.76V）比碳鋼低，在與殼程碳鋼接觸時充當陽極，起到保護殼程碳鋼作用。
（2）材料的用量少，總重小。雖然銅鎳合金的價格比工業純鈦低，但是銅鎳合金的比重大。由于鈦的比強度高，耐蝕性好，設計時可以采用較小的腐蝕裕度，因而工業純鈦材設備的壁厚可以減薄，減少材料使用量。本項目中設計換熱器換熱管如用鐵白銅，管壁厚度為 4mm，改用鈦材厚度可降至 1.5mm，所用鈦材總量僅為銅材總重的五分之一。
（3）材料的導熱性。雖然鈦材的傳熱系數（15～17w/(m2·K)）小于鐵白銅的傳熱系數（25～30w/(m2·K)），但是換熱器的總傳熱系數取決于材料的傳熱系數與傳熱管壁厚以及結垢等因素。在本項目換熱器的設計時，工業純鈦（TA2）的管壁壁厚遠低于銅管。此外，銅管表面易產生腐蝕產物與沉積污垢，而鈦潔度系數則較高，因而鈦材總的傳熱系數還是很高的[3]。另外，鈦表面濕潤性非常小，具有滴狀冷凝特性，比膜狀冷凝更有利，加之可以采用較高流速，鈦換熱器的總傳熱系數與純銅換熱器接近，遠高于鐵白銅換熱器。
（4）換熱器的清洗及維護。管殼式海水換熱器用海水作為冷卻水，因海水中含有大量的鹽類物質，在管內易產生沉積和污垢，而且經常有微生物附著在管壁上造成換熱管污堵，影響換熱器正常工作。而鈦金屬表面有一層致密的鈍化膜，表面光滑，污垢系數小，設備不易附著污垢，減少清洗難度和次數[4]。
（5）價格對比。從金屬單位重量的價格來比較，鈦材一般是普通鋼材的50～70倍，是銅鎳合金的7～9倍。作為設備，一般考慮用材料的體積而不是重量，從金屬單位體積的價格來比較，鈦材一般是普通鋼材的20～30倍，是不銹鋼的2～3倍，比鐵白銅略低。但是，由于鈦材的耐蝕性能更優，強度較高，所用鈦材的壁厚較薄，因而材料的體積用量也可減少，在考慮材料成本時，這是必須考慮的重要因素。在滿足相同的設計要求和使用年限的前提下，綜合比較，用工業純鈦TA2與鐵白銅的總體造價基本相當。
綜合以上分析，U形管殼式海水換熱器的管程側換熱管、管箱、接管及接管法蘭等與海水接觸的地方應當選用工業純鈦（TA2）。
2.3.2 海水換熱器殼程材質的選擇
相對于 U 形管殼式海水換熱器管程需要重點考慮耐海水腐蝕，與殼程相接觸的介質為天然氣，只要滿足強度和使用溫度的前提下，優先考慮材料的成本和加工工藝性能。因此，首選 Q235 碳鋼。 Q235 碳鋼是最常用金屬材料，供應方便，價格低廉，加工及可焊性好，所以應用非常廣泛。同時考慮到 U 形管殼式海水換熱器工作環境是在海上平臺，殼體要暴露在海洋大氣環境下，對殼體的外表面要做好防腐涂敷工藝，以便增強殼體的實用性。
2.3.3 海水換熱器管板材質的選擇
從 U 形管殼式海水換熱器的設計圖（圖 2）可以看出，海水換熱器的管板是比較特殊，一側與海水接觸，另一側天然氣接觸。考慮到管板結構簡單，加工方便，為節省成本，可以考慮采用鈦鋼復合板。
鈦鋼復合板就是在 Q235 鋼板與海水接觸的那面鑄鍛一層工業純鈦（TA2），能極大地降低成本，而耐海水腐蝕效果很明顯。
3 、結 語
在設計海洋平臺用海水換熱器時，材料的選擇一定要充分考慮實際工作環境，根據換熱器的不同部位選用不同的材質，不僅能提高換熱器的性能，減少設備維護費用，而且能夠明顯地降低設備生產成本。本項目設計的換熱器已經投入使用，完全滿足工作要求，目前設備運轉良好，未發現任何問題。
參考文獻：
[1]安維崢，王維民等.海洋平臺用海水換熱器腐蝕防護現狀與趨勢.廣州化工，2010,38（1）：23～26.
[2]黃 虹.鈦是海水淡化設備換熱器的首選材料.稀有金屬快報，1999（9）：5～7.
[3]余存燁.化工設備選用鈦材的技術經濟分析.化工技術經濟，2002,20(4):37～39.
[4]冒圣國.鈦制換熱器的設計.化工礦物與加工，2000（3）：22～26.
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