王碧文

(中國有色金屬加工工業(yè)協(xié)會,北京 100038)

0 前 言

我國國民經濟迅速發(fā)展,淡水、電力供應將處于長期緊張狀態(tài).冷凝管是發(fā)展海水淡化、火電、核電和艦船的關鍵材料,國內供應短缺,生產工藝落后,生產成本高,尚無專業(yè)化的生產基地和穩(wěn)定的供貨渠道,不利于冷凝管生產技術和產品質量的提高[1].為適應國民經濟的發(fā)展,大力發(fā)展銅合金冷凝管產業(yè),建設生產基地十分重要.特別是2012年國務院文件[國發(fā)辦(2012)13號]關于加快發(fā)展海水淡化產業(yè)的意見中指出:海水淡化對保障水資源持續(xù)利用具有重要意義.國內外應用實踐表明,銅合金冷凝管是海水淡化產業(yè)的關鍵材料,因此建設和發(fā)展銅及合金冷凝管產業(yè),建設生產基地是十分重要的.

1 市場需求和國內外發(fā)展趨勢

人們從事冷凝管的生產和應用實踐己有相當長的歷史,冷凝管主要用于火力發(fā)電機組、艦船、海水淡化、制糖、制鹽和化工等行業(yè)中的管式熱交換器.冷凝管常用合金有:內陸電站用HSn70-1、海濱電站用HAl77-2、艦船用BFe30-1-1、BFe10-1-1等.隨著火力發(fā)電裝機容量的不斷增加以及核電的發(fā)展冷凝管用量不斷增加,冷凝管單根長度也不斷增長.以60 萬kW發(fā)電機組為例,共需長度為14.6 m的冷凝管400 t,海水淡化用BFe10-1-1管材長度已達18 m,常用冷凝管規(guī)格為直徑16～30 mm、壁厚1.0～1.5 mm.目前國內外冷凝管都使用擠→軋→拉直條法生產,尚未實現(xiàn)盤式生產法.冷凝管的應用中銅及銅合金管受到薄壁不銹鋼管、鈦管的挑戰(zhàn),但是其防污、防海洋生物生長的能力遠不如銅、鈦管的成本高,這也限制了它在冷凝管中的應用,所以銅及合金冷凝管仍然具有廣闊的發(fā)展空間.

1.1 海水淡化用蒸發(fā)和冷凝用銅合金管

海水淡化有膜法和熱法兩種.其中熱法的蒸發(fā)和冷凝裝置中大量采用銅合金熱交換管,產水量1萬t/日的裝置需銅合金冷凝管300 t,國際上多級閃蒸法用白銅熱交換管(BFe10-1-1、BFe30-1-1),每年達6萬t,低溫多效蒸餾法用黃銅(HAl77-2)每年達3萬t.國內海水淡化裝置中熱法為低溫多效蒸餾法,2020年前平均每年需要4 500 t鋁黃銅冷凝管(相當于每年新增15萬t/日產淡水能力).

1.1.1 多級閃蒸

在若干年內的國際范圍內,多級閃蒸仍將是一種常用的海水淡化技術,但在國內基本不會有市場.從材質看,白銅仍將是傳熱管的主流材質.目前國際市場上多級閃蒸的每年合同量約為200萬t/日,需要白銅約6萬t/年.

1.1.2 低溫多效

低溫多效蒸餾海水淡化裝置的每年新增產量在快速增加,鋁黃銅和鋁合金將共同占據傳熱管的主要市場.目前國際市場上低溫多效蒸餾的年合同量約為100萬t/日.對于一臺產水能力1萬t/日的低溫多效蒸餾海水淡化裝置,傳熱管用量約為300 t黃銅.如果全部使用鋁黃銅,需求量約為3萬t/年.

1.2 電站用冷凝管

冷凝管主要用于管式熱交換器,主要應用領域是火電、核電、海水淡化和艦船.其中電站用冷凝器管約占70%,其需求量與國家發(fā)電裝機容量的增長緊密相關,2005年我國發(fā)電裝機容量為:

水電 1.174億kW 占22.7%

火電 3.914億kW 占75.7%

核電 685億kW 占1.32%

“十一五”火電裝機容量達5.8億kW,新增2億kW.火力發(fā)電以發(fā)展60萬kW級電站為主,鼓勵整體煤氣化燃氣-蒸氣聯(lián)合循環(huán)電站、坑口電站、天然氣發(fā)電,加快淘汰落后的小火電機組.核電總規(guī)模達1 000萬kW,重點建設百萬千瓦級核電站.以5 t/萬kW計算,約需要10萬t銅冷凝管.但考慮到50%為鋼管所代用,電站用銅冷凝管約為5萬t,電站及海水淡化等用銅冷凝管約為5萬t.

根據《海水利用專項規(guī)劃》,預計到2020年,我國海水淡化能力達到250～300萬t/日,但按照目前的發(fā)展趨勢,有可能突破規(guī)劃數(shù)據.按照到2020年新增淡化能力300萬t/日計,其中低溫多效蒸餾的市場份額可能達到150萬t/日.如果全部使用鋁黃銅,需求量約為4.5萬t.

火電、核電發(fā)電的基本原理是依靠蒸汽推動汽輪機,進而使發(fā)電機工作,蒸汽作功后需要冷凝成水分重新返回鍋爐.冷凝器的功能就是使蒸汽變?yōu)槔淠?常用冷凝器為管狀冷凝器,由數(shù)量眾多的冷凝管組成(如圖1、圖2).在冷凝器中冷凝管外部為待冷卻的蒸汽,管內通過冷卻水.銅合金是重要的冷凝管材料,具有良好的熱交換性能和優(yōu)良的耐內陸水質和海洋水質的腐蝕性能.常用冷凝管銅合金分為兩大系列:即適應內陸水質的錫黃銅冷凝管和適應海水介質的鋁黃銅冷凝管、白銅冷凝管.這些冷凝管不但廣泛應用于火電、核電,而且在軍事艦船(核動力潛艇、導彈驅逐艦)、海水淡化工程中有著重要的用途.

1.3 船用冷凝器(鐵白銅冷凝管)

主要用在艦船用柴油機主機空冷凝氣管材、船用汽輪機、潤滑油冷卻器、海水冷凝氣、海水淡化冷卻器、空氣冷卻器、潤滑油冷卻器、燃油冷卻器和液壓冷卻器等艦船的關鍵組件上.其銅合金牌號根據冷卻介質有不同的選擇,主要采用鐵白銅、錫黃銅等.產品多為常用規(guī)格,其質量要求較高,特別是軍用艦船.世界上第一艘核動力艦船鐵白銅冷凝管用量為30 t.冷凝管在我國船舶工業(yè)中的用量較大,約為6萬t/年.

圖1 火電及艦船動力系統(tǒng)原理Fig.1 The principle of the thermal and warship power systems

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圖2 管式主冷凝器Fig.2 The tube main condenser

我國船用換熱器、冷凝器制造業(yè)比較落后,產品主要供應國內船舶,僅有少數(shù)企業(yè)制造的產品符合國際標準.目前我國建造的出口船舶上裝的船用換熱器、冷凝器很多依靠進口,大型出口船舶用的板式冷凝器幾乎全部需要進口.

據幾大造船廠的調查了解,中國造船企業(yè)承造的出口船舶所用的船用換熱器、冷凝器和其他電器設備,基本上都是由外國船東指定供貨商.目前我國銅制造企業(yè)主要向這些國家的制造廠商提供船用換熱器、冷凝器上使用的銅管.

海水管系主要為銅鎳合金材料,B10材料是一種能在海水中形成良好保護膜的耐蝕材料.由于它具有良好的綜合性能和成功的實踐經驗,早已成為海水管系的傳統(tǒng)材料.B10在國內外各種海水管系中已被廣泛采用.一條FPSO浮式儲油輪海水管系用量約為200 t、石油鉆井平臺用量約為250 t、4 780 kW拖輪用量為5～6 t,此外在豪華游船、快艇等軍用船舶上也大量使用.目前,我國出口船舶上使用的白銅管國內僅有少數(shù)企業(yè)能夠生產,大部分依靠進口.鋁黃銅冷凝管規(guī)格較多,常用加熱管規(guī)格為φ42～44 mm×2 mm×6 000 mm,連接管規(guī)格為φ56 mm×6 mm×6 000 mm，主要用于原油船用熱交換管材.原油船由于原油黏度較高,而海上溫度有時很低,需要將原油加熱以便于輸出.熱交換用管材按照計算出的必要的換熱面積敷設于油船的底部及四壁,用量較大.此外船用柴油機上使用的油冷器、水冷器上也大量使用鋁黃銅冷凝管,一般一臺大型低速船用柴油機用量約為8～10 t.

1.4 市場需求預測

我國電力工業(yè)發(fā)展迅速,2005年前建設52座火電站,裝機容量總計5 400萬kW,所建設發(fā)電機組均為30萬kW和60萬kW大型機組,所需冷凝管均為超長冷凝管.在發(fā)展電力工業(yè)中,突出發(fā)展清潔能源,核電發(fā)電能力將增長10倍,核電多為海濱電站.艦船業(yè)發(fā)展將超過以往各歷史時期.海上石油開采和海水化工等產業(yè)發(fā)展方興未艾.海水淡化產業(yè)將以水-電聯(lián)產模式迅速發(fā)展.我國有遼闊的海疆,大力推進圍繞海洋的產業(yè)發(fā)展是我國長遠的國策,因此對超長冷凝管的需求更為迫切.冷凝管需求預測見表1.

表1 冷凝管需求量預測Table.1 The prediction of the demand of condenser tubes (萬t)

2 銅合金冷凝管生產制造技術

2.1 合金成分

常用冷凝管合金成分見表2.

表2 常用冷凝管合金成分Table 2 The composition of common condenser tube alloys

2.2 生產方法

現(xiàn)代冷凝管的主要生產方法有傳統(tǒng)的擠壓-冷軋-拉伸法和中國的上引-冷軋法.

2.2.1 傳統(tǒng)的擠壓-冷軋-拉伸法

傳統(tǒng)的擠壓-冷軋-拉伸法如下：

生產裝備如圖3所示.

2.2.2 中國的上引-冷軋法

中國的上引-冷軋法如下：

生產工藝:上引連鑄管坯φ65 mm×5 m-高速冷軋φ40 mm×1.5 m-冷拉φ19 mm×0.75 m-光亮退火.

2.3 工藝方案比較

由兩種生產工藝的比較(見表3)可知,短流程工藝具有流程短、電耗低、加工費低和成品率高等優(yōu)點，因此,推薦選擇中國創(chuàng)新工藝.

表3 兩種生產工藝的比較Table.3 The comparison between two production technologies

3 國內外銅及合金冷凝管生產狀況

銅及銅合金以其具有良好的耐腐蝕性、高的換熱系數(shù)和優(yōu)良的力學性能、工藝性能、焊接性能以及抑制海洋微生物附著等特性,被廣泛應用于海水淡化裝置、海水倒灌電站、海洋艦船、海洋采油平臺及其他輔機和輔助系統(tǒng)等海洋工程裝置的熱交換用管和管系管道裝置用管.尤其在海水淡化、水電聯(lián)產中大量使用銅合金管作為蒸發(fā)、冷凝過程的熱交換管束.在海洋工程用管市場,HAl77-2和HSn70-1黃銅管、BFe10-1-1和BFe30-1-1白銅管等主要用于火電、核電、艦船、海水淡化以及船舶制造、石油化工等領域[2].其中,海水淡化、船舶制造等行業(yè)的需求前景被相對看好.即使按世界銅管材產量中有10%為海洋工程用管來估計,目前全球的產量也不足25萬t.面對巨大的市場需求,海水淡化用高性能合金管產品的供應仍顯得較為緊張.

目前國內生產海洋工程用銅及銅合金管的企業(yè)約20家,而年產量在1 000 t以上的企業(yè)主要有浙江海亮股份有限公司、中鋁洛陽銅業(yè)公司、沈陽銅興產業(yè)集團有限公司、桂林漓佳金屬公司和金川公司等.其中,中鋁洛銅是銅合金冷凝管生產開發(fā)最早的領軍企業(yè),為我國海軍建設做出了重要貢獻,海亮股份、高新張銅等公司已研制出MED海水淡化工程用高性能熱交換冷凝管,海亮股份還研制出MSF海水淡化工程用的高性能超長熱交換冷凝管,成為我國首家、也是唯一能覆蓋所用熱法海水淡化工程的熱交換銅合金冷凝管的企業(yè),其產品受到國際市場歡迎.2006年起,海亮股份已連續(xù)三年成為我國最大的銅及銅合金管出口企業(yè),目前熱交換用銅合金管年產能為6萬t.據海關數(shù)據統(tǒng)計,2008年海亮股份的合金管出口比例占全國合金管出口量44 496 t的50%以上,成為當年國內該產品出口的最大供應商.隨著越南海亮公司銅及銅合金管建設項目的投產,2010年海亮股份的熱交換用銅合金管年產能進一步放大,成為國際上該行業(yè)高端領軍企業(yè).桂林漓佳金屬公司是我國最早從事該產品生產的專業(yè)化生產企業(yè),隨著市場經濟的深人發(fā)展,國內許多銅管企業(yè)都開始涉足該產品生產,新鄉(xiāng)金龍集團己實現(xiàn)B10白銅盤管拉伸,金川公司引進了先進的5 500 t油壓擠壓機,許多中小企業(yè)科研院所、大專院校在發(fā)展銅合金冷凝管短流程工藝中取得了可喜的成果,在降低項目投資、產品成本和能源消耗上做出了重要貢獻.

由于海水淡化銅合金管的特殊性,且具有重要的使用要求,冷凝管的銅合金管不僅要具有優(yōu)良的導熱性能,而且還應具有良好的耐腐蝕性能.通常為復雜黃銅和白銅,他們是由3種以上甚至是6、7種金屬元素組成的銅合金,如HAl77-2、HSn70-1、BFe10-1-1、BFe30-1-1等.其主要制造特性為:表面質量要求高、生產流程長、熔煉鑄造溫度和擠壓溫度高、冷熱應力大,易產生內外部裂紋、加工變形抗力大以及工模具消耗大等特點.因此,在生產中熟練掌握合金特性,合理控制工藝參數(shù)和各工序環(huán)節(jié)間工藝參數(shù)的匹配,精細化生產是十分重要的.

國外發(fā)達國家高度重視銅合金熱交換器管的生產和研發(fā),生產規(guī)模、產品質量和生產技術都遠領先我國,代表企業(yè)有德國KME、日本神戶制鋼等.我國該產業(yè)總的情況是:企業(yè)規(guī)模小,總產能不足,生產技術和裝備先進、落后并存,產品質量急待提高.主要工作是:大力推進技術創(chuàng)新,組建產業(yè)聯(lián)盟,做大做強.

4 冷凝管及產業(yè)發(fā)展方向

冷凝管合金主要是向抗應力腐蝕和耐海洋生物附著的低鎳白銅方向發(fā)展;各類海洋水質的輔機加熱器用冷凝管多為鋁黃銅;中等直徑(φ25～40 mm)冷凝管向大長度發(fā)展,各種聯(lián)接管向盤管發(fā)展.

發(fā)展高效熱交換冷凝管(如內外螺紋管、復合管、長冷凝管);提高產品質量,攻克除油脫脂技術難關,消除管材內表面碳膜缺陷;大力推進科技創(chuàng)新,發(fā)展節(jié)能、環(huán)保,短流程新工藝;做大做強銅合金冷凝管產業(yè),滿足海水淡化產業(yè)需求,開拓國際市場,建立有產、學、研應用單位參加的銅合金管產業(yè)聯(lián)盟.

參考文獻:

[1] 王君，何笑輝.國內外銅及銅合金冷凝管市場分析[J].中國金屬通報，2007(16)：7-11.

[2] 李捧霞.BFe30-1-1鐵白銅換熱器的制造工藝優(yōu)化[J].化工裝備,2012(2):40-44.