大型海水淡化工程用阀门的选择

    近年来，随着国民生活水平提高和工业发展，淡水耗量逐年增加，为了解决用水问题，许多大型海水淡化工程正在国内紧张的进行建设。本文从介质、材料、防腐处理、结构和安装要求等方面入手，分析海水淡化项目工程设计过程中工艺阀门的选择。

    2 工艺介质

    海水淡化过程中，需要特别注意氯化物对设备的腐蚀。另外，海水温度对腐蚀速率影响很大，温度越高，腐蚀越快。而固体污染物会损害材料保护膜，引起冲刷腐蚀。各类化学污染物也会提高腐蚀概率。配料添加剂可能是一种人为的海域化学品污染物，但是从腐蚀角度看，适量则不会引起任何问题。如次氯酸钠有时用来抑制藻类，但剂量太大会引起严重的点腐蚀。海水淡化有多种工艺，其中反渗透技术的主要工艺过程为海水取水→前处理→超滤→反渗透→产品水（ 副产反渗透浓液） ，各工艺过程主要介质的组成见表 1（ 取水地点不同海水成分有所差异） 。

    3 阀门材料

    在海水淡化工程中，阀门材料问题较多出现在过流部件上。目前，常用过流部件材料主要有镍铝青铜、不锈钢、双相不锈钢和金属涂层等。

表1 工艺介质组成及设计参数

    3.1 镍铝青铜

    镍铝青铜（Al₈Ni₂Cu） 具有优异的耐应力开裂腐蚀、耐疲劳腐蚀、耐空泡腐蚀、耐冲刷和抗海生物污损等性能。在含3%NaCl的海水中，与不锈钢相比，镍铝青铜合金具有优异的抗汽蚀破坏性。镍铝青铜在海水中的腐蚀为点蚀和缝隙腐蚀。镍铝青铜对海水流速敏感，超过临界流速时，腐蚀速度急剧增加。镍铝青铜铸造工艺不稳定，铸造的合格率偏低，作为阀门铸件时，需深入研究。

    3.2 不锈钢

    不锈钢的耐腐蚀性随材料化学成分不同而异。304不锈钢在含1×10^-4氯化物的水环境下，具有耐点腐蚀和耐裂隙腐蚀性，在海水中不能作为过流部件。316L是含钼奥氏体不锈钢，具有更好的抗一般腐蚀、点腐蚀和裂隙腐蚀性。316L在含氯化物＜2×10^-3的亚海水环境下，具有耐点腐蚀和耐裂隙腐蚀性。海水的氯离子含量约1.83×10^-2，海水浓缩液的氯离子浓度3.4×10^-2，操作压力约为7MPa。氯离子浓度小于2×10^-2时，可选用ASTMA995-4A双相不锈钢。氯离子浓度小于4×10^-2的工况，可选用ASTMA995-5A双相不锈钢。随着铬、钼和氮含量增加，可以提高不锈钢在氯化物或其他卤素离子环境下的耐点腐蚀和缝隙腐蚀性（表2） 。

表2 不锈钢材料选择

    3.3 球墨铸铁

    为了降低工程造价，阀体采用球墨铸铁衬EP-DM，阀瓣采用球墨铸铁衬防腐涂层的处理办法。

    （1） 球墨铸铁衬Halar

    Halar是乙烯与三氟氯乙烯的交替共聚物，是半结晶和可熔融加工的含氟聚合物。对大多数的无机和有机化学品以及有机溶剂，有良好的抗腐蚀能力。Halar制成品的表面类似于玻璃，能阻止微生物的增长，在国外已允许用于食品和饮水领域。在高温下的耐氯和氯衍生物的性能突出。并具备突出的抗冲击性能和相当的机械坚韧性。Halar 涂层适合在氯离子浓度低于4×10^-2的环境中使用。

    （2） 球墨铸铁衬Nylon11

    Nylon11是热塑性和植物类涂层，能防止菌类生长和增长，通过10年盐水沉浸测试，底层金属没有腐蚀迹象。为保证涂层的稳定性及良好的粘和性，Nylon 11用在蝶板涂层时其使用温度不宜超过100℃ 。Nylon11涂层蝶板与胶套之间的摩擦系数低，能抵抗紫外线。与采用双相钢阀瓣相比，球墨铸铁涂Nylon11阀瓣的成本降低80%以上。Nylon11涂层适合在氯离子浓度低于3×10^-2的环境中使用。当流通介质中含磨损性颗粒或经常开关动作场合，不适合使用涂层。另外，在运输和安装过程中应防止涂层划伤和脱落。

    4 阀门类型

    合理选择阀门的类型，可以减少材料耗量，降低局部阻力和能耗，方便安装，减少维修。本文重点论述大口径切断阀和止回阀的选择。

    4.1 切断阀

    大型海水淡化中工艺管径一般为DN300～1600，超出一般球阀和截止阀的使用范围。蝶阀与相同口径闸阀（Z41H） 相比，具有结构简单，易防腐，安装长度短，消耗钢材少，阀门局部阻力系数相近的优点，选择蝶阀作为切断阀更经济实用。根据压力等级，蝶阀可分为低压蝶阀和高压蝶阀。

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    （1）低压蝶阀

    低压蝶阀（图1） 可以采用中线无销钉衬胶蝶阀。当蝶阀≤DN500时，采用对夹式连接。当蝶阀≥DN550时，采用法兰连接。当蝶阀口径≤ 6in.（DN150） ，开启力小于400N，采用手柄操作。当蝶阀口径≥8in. （DN200） ，采用齿轮箱操作。由于低压阀门的背压低，采用中线结构不会增加太多扭矩，这种结构有两次密封。主密封是蝶板和阀座采用预紧力获得，第二密封是阀杆和阀座孔的过盈配合获得。由于阀杆和介质完全隔离，不渗入海水，故阀杆可采用2Cr13或等同材料制作。阀体采用球墨铸铁衬EPDM，增加密封性能。由于阀体不与介质接触，降低了阀体材料性能要求（表3） 。

表3 低压中线蝶阀主要零件材料

    （2）高压蝶阀

    选择高压蝶阀（图2）材料时，除考虑海水的腐蚀因素外，还需要考虑材料的耐压性能，工作压力为69bar，最高压力≥85bar（ 反渗透高压泵的关闭压力） 时，由于背压高，为了减少扭矩，高压蝶阀采用双偏心结构。当蝶阀公称尺寸≤DN500，采用对夹式连接。当蝶阀公称尺寸≥DN550，采用法兰式连接。压力等级Cl600，阀体和蝶板材料为双相钢ASTM A995GR.4A，由于阀杆暴露在介质中，阀杆采用材料为ASTMA276UNS31803，阀座材料为RPTFE。双偏心结构增加了局部阻力系数，蝶板和阀杆固定需要销钉，销钉的防腐要求和其他过流部件相同。

1. 阀体 2.阀瓣 3.阀杆 4.执行机构

图1 低压蝶阀

    4.2 止回阀

    止回阀通常安装在海水泵出口，用以阻止海水倒流和水锤对设备的损坏。目前海水淡化项目中使用的止回阀有缓闭蝶式止回阀、全衬胶蝶式对夹止回阀、单瓣对夹止回阀和单瓣双相钢对夹止回阀等。

1.阀体 2.阀瓣 3.阀杆 4.执行机构

图2 双偏心高性能蝶阀

    （1）缓闭蝶式止回阀

    缓闭蝶式止回阀（H48X-10Q，图3） 的主体材料为球墨铸铁，机械或液压缓闭抗水锤能力较好，适合低压使用，目前在废水处理、化工厂和市政等工程得到很大应用，在海水淡化工程的产品水工段应用。

1.阀体 2.阀瓣 3.储油缸 4.微调阀

图3 缓闭蝶式止回阀

    （2）全衬胶蝶式对夹止回阀

    全衬胶蝶式对夹止回阀（H77X－10Q，图4） 是对缓闭蝶式止回阀HH48X-10Q在防腐方面的改进，阀体和阀杆采用全衬胶方式，阀瓣可采用双相不锈钢或镍铝青铜。此类阀门设置在低压海水泵的出口处，适合大口径管路上安装，阀门公称直径范围为DN200～1200。设计时需要注意该阀门对安装空间的要求，阀门安装不当会引起阀瓣和弹簧对阀杆长期作用，破坏阀体和阀杆接触处密封，渗入介质，造成阀体腐蚀，缩短阀门使用寿命。

图4 全衬胶蝶式对夹止回阀H77X－10Q

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    （3）单瓣对夹止回阀

    单瓣对夹止回阀（H74H，图5） 结构简单，安装空间小，可在低压或高压工况下使用。阀门整体采用双相不锈钢，抗海水的腐蚀性能好，质量轻，可水平和垂直安装，使用方便。在海水淡化装置中，一般选用≤DN250的单瓣对夹止回阀。当阀门公称尺寸＞ DN250时，水击作用明显，动作噪音大。大口径单瓣对夹止回阀在气路配管中广泛应用。阀门为非全通径，阀瓣开度最大45°，阻力系数增加，流通能力下降。

1. 阀体 2.阀瓣 3.阀杆

图5 单瓣对夹止回阀

    （4） 单瓣双相钢对夹止回阀

    单瓣双相钢对夹止回阀（图6）安装空间小，采用INCONEL弹簧配合阀瓣重力快关，流量或压力低于一定值，自动关闭抗水击，密封面采用EPDM密封圈，减少水锤作用。流线形阀瓣局部阻力系数低，阀门开度增大。单瓣双相钢对夹止回阀安装在海水淡化的反渗透高压泵出口，是高压、抗击水锤、耐腐蚀和止回的解决方案。

图6 单瓣双相钢对夹止回阀

    5 阀门安装

    5.1 一般要求

    阀门应根据管道及仪表流程图（P＆ID） 上所示类型及数量设置。当系统对某些阀门的安装位置有具体要求时，应按工艺要求设置。阀门的安装位置应集中布置在装置区一侧，并设置必要的操作平台或检修平台。需要经常操作、维修和更换的阀门，应位于地面、平台或梯子容易接近处。阀门手轮的中心距操作面的高度为750～1500mm之间，最适宜的高度为1200mm，不需要经常操作的阀门安装高度可达 1500～1800mm。阀门应与加药口保持适当的距离，避免局部药剂性能太强引起严重的点腐蚀。

    5.2 大型阀门

    大型阀门的本体荷载大，配管宜水平布置，单独支撑，并考虑传动机构的操作检修空间，还应在阀门的一侧或两侧设置支架。支架不应设在检修时需要拆卸的短管上，并考虑拆下阀门时不应影响管道的支承，支承应高出地面50～100mm。执行机构较重时，需要为其设置单独支承。

    蝶阀安装方式根据管道布置情况确定。管道水平布置时，蝶阀阀杆尽可能水平布置，务必保持蝶阀的开启方向和介质流动方向一致，以防止介质中的浆体和污染物在阀轴和阀体的密封部位沉积。阀门开启时工作扭矩小，并起到一定的管道清淤作用。

    对夹式止回阀布置在海水泵出口，其后设置一个切断阀，为了避免两对夹阀门的阀瓣出现碰撞和干涉，两个阀门之间需设置一直管段，直管段长度（1.5～ 2.0） DN。如果采用水平布置的全衬胶蝶式对夹止回阀时，阀杆需要垂直安装，可以延长阀门使用寿命。如果采用单瓣对夹止回阀或者单瓣双向钢对夹止回阀时，阀门安装方向应有利于重力关闭方向。

    6 结语

    海水淡化项目阀门选择时，需要对阀门的过流介质、腐蚀因素、材料选择、结构和安装等多方面进行分析，然后进行经济技术比较和选用。

    （1） 阀门选择材料时，需要从分析工况中过流介质入手，找出主要的因素，针对介质特点和工艺要求选择合理的材料。

    （2） 阀门选择结构时，需要对阀门的耗材、空间、能耗和造价等方面进行技术经济对比，选择出低耗材、低能耗和低噪音产品。

    （3） 为了避免阀门安装不当而造成使用寿命缩短及影响系统运行，工程设计时应符合阀门安装要求，确保设备在合理的状态下运行，并适合管道或设备承受阀门的荷载。