摘 要：分析了低温多效海水淡化工况下铝合金传热管防腐涂层的使用环境、腐蚀影响因素等，选择了一种专用铝合金传热管的纳米涂层作为研究对象，与同类防腐涂料对比其耐工况腐蚀性能，同时对纳米涂层铝合金传热管进行了换热方面的性能测试及经济性评价。
关键词：海水淡化；铝合金；传热管；腐蚀；有机涂层；性能评价
低温多效海水淡化技术因不受原水浓度限制，产品水水质高，可利用低品位热能和废热等优势，在世界各地得到广泛应用[1]。低温多效淡化设备使用材料的腐蚀问题直接影响着装置的使用寿命，而选用高耐蚀材料将增加装置造价及产水成本。传热管是低温多效海水淡化装置的核心部件，大多采用上三排钛管，其余使用加砷铝黄铜管的设计[2]。以铝合金取代铜合金作为蒸发系统传热管可明显降低海水淡化设备造价和制水成本，国际上以色列IDE 公司普遍使用特种铝合金传热管，相应的技术内容没有公开报道[3]。普通铝合金在多效蒸馏工况下的腐蚀问题是限制铝合金使用的最重要因素。
有机涂层的表面防护是解决金属腐蚀的有效手段之一。在换热器行业中，采用有机涂料层保护传热管不受环境条件的侵蚀，延长使用寿命，也是主要方法之一，并且有广泛的应用基础[4-7]。
海水淡化蒸发装置工况复杂，涂料要适应长期海水、淡水、水蒸汽、浓缩海水环境，虽然将换热器防腐技术用于海水淡化蒸发装置的传热系统，国内尚未见报导，但仍有借鉴价值。有机涂层具有较好的耐蚀性和耐老化性能，但较大的膜层厚度却会降低铝合金管的传热性能。在保证传热管的耐腐蚀要求前提下，参考常用换热器涂料CH-784、TH-847、LST-2L等的适宜涂装厚度[8]，纳米涂料的涂层厚度控制在120 ～ 150 μm，并讨论其在蒸馏海水淡化工况下的性能。
1 试验方法
低温多效蒸馏海水淡化是指盐水最高蒸发温度不超过 70 ℃的海水淡化技术，其特征是将一系列的水平管降膜蒸发器或垂直降膜蒸发器串连起来，并被分成若干效组，用一定量的蒸汽输入通过多次的蒸发和冷凝，从而得到多倍于加热蒸汽量的蒸馏水的海水淡化技术。
该技术中，传热管的有机防护涂层处于蒸发装置内部高温复杂腐蚀环境中，主要表现在[9]：1）运行过程中筒体内部保持湿热环境，受到带温盐雾、蒸汽的腐蚀；2）40 ～ 70 ℃海水的喷淋在传热管表面，有机涂层受到 40～70 ℃海水的腐蚀；3）蒸馏海水淡化预处理要求低，进入筒体的海水含微粒等杂质，增加了喷淋过程对传热管有机涂料的耐磨性要求；4）运行过程中存在化学药剂，包括酸、阻垢剂等，含量微少但会在一定程度上加速有机涂料的腐蚀；5）筒体中处于负压 0.1 MPa 状态，这种负压相对于涂料本身的性能影响很大，需要尽量增大附着力。
因此，实际的海水淡化工况对防腐涂层的主要影响因素包括：湿热腐蚀、盐雾腐蚀、蒸汽腐蚀、蒸馏水腐蚀、海水腐蚀等。根据以往工程的使用经验，确定重点考察蒸馏水腐蚀、蒸汽腐蚀、盐雾腐蚀的影响。此外，由于加有涂层的铝合金传热存在换热需求，因此还需要进行换热性能方面的测试。鉴于以上，本研究中采用漆酚改性纳米复合涂料为主要研究对象并与环氧氨基、酚醛环氧等涂料涂覆的铝合金传热管进行了相关性能评价。主要检测内容如下。
1.1 耐温试验
影响因子是温度。利用热重分析的方法，起始温度为50 ℃、终温为 500 ℃、升温速率 10 ℃/min、氩气流量控制在20 mL/min的情况下检测涂料随温度变化的失重情况，反映涂层的耐温性能。
1.2耐高温介质试验
影响因子是水、海水、温度。以 GB/T 1733—1993《漆膜耐水性测定法》为基础改进进行，浸入蒸馏水、海水中进行周期试验，24 h 为一周期，保持沸腾状态8 h，其余为升降温过程。
1.3耐盐雾试验
影响因子是氯离子和水。按照 ISO 7253《色漆和清漆 耐中性盐雾性能的测定》进行，采用纳米涂层试板连续喷雾的方式进行 720 h 的加速腐蚀试验。
1.4 耐湿热（蒸汽）试验
影响因子是水和温度。参照 GB 1740—1979（89）《漆膜耐湿热测定法》进行，在湿热试验箱中，80 ℃、95%相对湿度条件下对纳米涂层试板进行 720 h 连续加速腐蚀试验。
1.5导热性能试验
采用 DRPL 导热系数仪对比测定漆酚改性纳米复合涂层、环氧氨基涂层、酚醛环氧涂层的导热系数。
1.6传热性能试验
检测纳米涂层铝合金传热管的传热系数。在传热试验平台上，进行铜管、铝管、纳米涂料传热管的水平管降膜蒸发传热对比试验。其工作流程为：打开真空泵对系统进行抽气，海水通过循环泵进入蒸发器，与此同时低压蒸汽进入降膜蒸发器，与海水进行蒸发冷凝传热。一次蒸汽冷凝计量后回到锅炉，系统产生的二次蒸汽及未冷凝的一次蒸汽进入换热器进行冷凝并计量。测定传热系数的试验条件是液体负荷为 0.10 kg（/m·s），传热温差为3 ℃时，蒸发温度在 60 ~ 88 ℃范围内。
2结果分析
2.1耐温试验
涂层的热重分析检测结果显示，涂料在 278.7 ℃以前的失重率为 99%，表明涂料在此温度前的性质稳定。据此，可推断在海水淡化的温度环境中（70 ℃以下）完全可以使用，不会发生因热因素造成的腐蚀。
2.2耐高温介质试验
纳米复合涂层与环氧氨基涂层在高温介质中耐腐蚀性进行了对比试验，结果见表1。有机涂层在高温介质周期性试验中的起泡现象，体现了涂层对高温介质的抗渗透性能的优劣，对于低温多效海水淡化传热管的有机涂层，应首选抗渗透性最佳的涂层工艺。
2.3耐盐雾试验
此纳米涂料经过耐盐雾试验后，铝合金底材上的漆膜完好，无起泡、脱落现象，表面有少量盐雾污物附着。试验后，对涂层的附着力进行了测试，结果见表 2。液压附着力仪法测附着力下降 0.1~1.1 MPa。试验结果表明，盐雾腐蚀对纳米涂料存在一定影响，造成附着力下降，但其变化很小，漆膜仍能继续使用。
2.4耐湿热（蒸汽）试验
此纳米涂料经过耐湿热试验后，铝合金底材上的漆膜完好，无起泡、脱落。试验后，对涂层的附着力进行了测试，结果见表 3。液压附着力仪法测附着力下降 1.0～1.4 MPa。试验结果表明，相对于盐雾腐蚀的影响，湿热腐蚀对纳米涂料的影响较大，造成漆膜附着力下降；从试验后附着力情况看，漆膜还能继续使用。
2.5导热性能试验
导热测试结果见表 4。
与环氧氨基和酚醛环氧类涂层相比较，纳米涂层的导热性能表现优异，这也是选择传热管有机涂层的优选条件之一。
2.6传热性能试验
传热系数随蒸发温度的变化曲线见图 1。其中，在 70 ℃下的传热系数如表 4 中所示，以此传热系数为基础，对 2.5 万 t/d 低温多效蒸馏淡化装置中某一效传热管的投资进行了计算，结果见表5。
铝管比铜管传热系数下降 22%，纳米涂层传热管比铝管传热系数下降23%，呈相同阶梯下降；铝管代替铜管具有价格优势，但是纳米涂料传热管的价格仅为铜管的 80%，对于投资能减少 20%左右。
3结语
1）纳米涂层传热管在海水淡化工况中受到水、海水、湿热、盐雾等的腐蚀，相关试验表明纳米涂料在经过耐温性、耐高温介质性、耐盐雾性、耐湿热（蒸汽）性等试验后，漆膜完好无破坏，能够使用，具有抵抗盐雾和蒸汽腐蚀的能力，湿热（蒸汽）腐蚀对纳米涂料的影响最为严重；在实际工况中应避免漆膜破损，能更好地发挥此纳米涂料防腐蚀性能。
2）纳米涂层导热性能表现优异，与环氧氨基、酚醛环氧类防腐涂料导热系数相同，甚至更优。
3）铜管、铝管、纳米涂层传热管传热系数呈相同阶梯下降，在可接受的范围内；经过成本核算和投资计算，纳米涂料传热管相对于铜传热管具有价格优势。
参考文献略
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