随着国家开发海洋战略的实施和中海油“海上大庆”的胜利实现，我国海洋平台使用石油化工装置得到快速发展。海水换热器是海上平台作业中应用最广泛的一种重要设备，换热器换热状况的好坏，直接影响着整个平台的平稳运行及综合经济指标，对生产的安全、稳定，长期运行起着重要的作用[1]。材料的选择是海水换热器设计时非常重要的环节，材料的选择是否恰当，对装置的生产、安全、维修和技术改造等有很大影响。对于换热器材质的选择应当严格遵循有关标准规范，按照材料力学性能，化学成分，制造工艺条件和业主实际情况等选用最佳材料。掌握选材方法的要领，了解正确选材的过程，具有很大的实际价值。本文针对海洋环境下，对海水换热器材料的选择时需要注意的事项进行整理分析，提出合理建议。
1、 影响海水换热器材质选择的主要因素
1.1 介质特性
介质的性能包括介质的腐蚀性、温度、压力、流速等，这些都会极大影响材料的选择，根据不同的实际工况，应当作为材料选择的首要考虑因素。
作为海水换热器介质之一的海水存在有较高含量的溶解氧、氯离子和微生物，对海水换热器有很强的腐蚀性；同时还要考虑热交换的另一种介质的腐蚀性能，如原油中含有的无机盐、硫化物、氮化物、有机酸等，天然气中含有硫化氢、二氧化硫、氢气等。流体介质的速度会产生冲蚀、磨蚀等，尤其流体中含有固体颗粒时影响更为显著。工况温度严重影响材料的性能，温度升高，材料的强度降低，甚至会产生蠕变，导致材料直接失效；温度降低，材料的延性及韧性也会降低，如果低于冷脆转变温度，材料也会失效。
1.2 材料的使用性能
海洋环境是一个特定的及其复杂的环境，气候条件恶劣，在此区域的大气中水蒸气、氧气、氮气、二氧化碳、二氧化硫以及悬浮于其中的氯化盐、硫酸盐等，它具有比普通大气湿度大、盐分高、温度高及干、湿循环效应等明显特点。
材料的使用性能主要是根据工作环境、力学负荷条件，按照材料的性能指标来选择相应的材料。根据海洋平台特殊的工作环境，综合考虑海水换热器的换热器性能要求，换热器材料应当满足的使用性能主要包括较高的导热性、足够的机械强度等。
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艺，利用不同的加工设备以及通过各种焊接工艺等制造出来产品的难易程度，在设备的实际生产过程中也是一项必须考虑的因素。理想的换热器材料不但要满足足够的使用性能，还要具有优良的铸造性能、切削加工性能、压力加工性能以及热处理工艺性能等。同时还要考虑材料的加工性能以及焊接工艺性能，如钛材的加工性能较差，低碳钢比高碳钢更容易焊接，不锈钢需要采取特殊的焊接工艺等，这些在材料选择时应当充分考虑。
1.4 成本
在选材时应当进行成本核算，充分考虑材料本身成本、加工工艺成本、运输成本等，选定最合算的材料。最优秀的材料选择具有最低的成本寿命比，如：有时使用加大腐蚀裕量的碳钢比采用价格较贵的抗腐蚀材料更为经济（指材料成本、制造成本的总和）。在必须使用不锈钢及其它贵重合金材料时，如厚度较厚可采用以碳素钢或低合金钢为基层的复合钢板或金属衬里，经济性更显著；在某些腐蚀场合下可采用耐腐蚀材料作为衬里或涂层。
1.5 重量
一般固定安置在陆地上的设备较少考虑重量的限制，但是如果安置于海上的石油平台上、船上等时，设备的重量也是影响选材的重要因素。海洋平台用海水换热器要充分考虑运送到平台上的运输费以及安装费用。
2、 案例分析
2.1 事故分析
某油气田平台位于渤海湾东北部，平台上天然气冷却处理设备U 形管壳式海水换热器发生海水泄漏，经过几次修复仍无法正常使用，决定更换新的海水换热器。从现场调研发现，原海水换热器与海水接触的管箱、换热管及封头处发生严重的电化学腐蚀，造成换热器多处腐蚀穿孔，发生海水外漏，如图 1 所示。分析发现，平台的原压缩机海水冷却器的管箱筒节的材质和筒体的材质均为20#钢，椭圆封头为 Q235-B，耐蚀性较差。
2.2 海水换热器的设计
根据实际工作条件及业主要求，采用 U 形管壳式换热器，管程通过海水，壳程通过天然气，海水换热器的设计技术参数如表 1 所示。
图 2 为 U 管壳式海水换热器的设计图。新设计的 U 形管壳式海水换热器管程侧换热管、管箱、接管、接管法兰等（图 2 中 C 处）都能与海水接触，选材时首先应当考虑耐海水腐蚀因素；而换热器壳体、接管等壳程（图 2 中 B 处）通过的介质为处理过的天然气，主要成分是甲烷和乙烷，不要求材质具有很好的耐蚀性，选材时可以优先考虑价格因素；换热器的管板（图 2 中 C 处）比较特殊，一侧与海水接触，另一侧天然气接触。
2.3 海水换热器材质的选择
2.3.1 海水换热器管程材质的选择
海水含盐的主要成分是 NaCl，其次是 MgCl2。海水的盐的质量浓度约为 3.5%，充氧 NaCl 溶液腐蚀最强烈的浓度时 3.5%。海水一般是中性溶液（PH 为 7.2～8.6）。海水含有大量的活性氯离子，所以海水中的钢材容易引起点蚀。
根据工程实际情况，在选择耐海水腐蚀的材料时，考虑到货源和价格因素，首先排除了选用稀有金属材料如锆、钽等和双相不锈钢的可能性。根据换热器常用耐海水腐蚀材料，考虑选用铁白铜（BFe30-1-1）和工业纯钛（TA2）。
虽然铁白铜（BFe30-1-1）和工业纯钛 TA2 都具有优良的耐海水腐蚀的性能，但工业纯钛（TA2）在以下方面更具有优势：
（1）材料的相容性。铁白铜电极电位很高，本身活性不高是其耐蚀性的原因。然而，白铜的管程在与碳钢的壳程接触时会形成电偶腐蚀，本身作为阴极得到了保护，但是会损害壳程碳钢，导致碳钢加速腐蚀。众所周知，在浸蚀介质中，钛表面上会形成稳定的二氧化钛薄膜，具有优良的耐腐蚀性能，特别是在氯离子环境下，即使浓度很高，也具有很好的耐蚀性能。如果钛上的氧化物薄膜受到损伤，表面就会被湿气或者冷水直接修复[2]。而且，工业纯钛（TA2）是活性金属，本身电极电位（-1.76V）比碳钢低，在与壳程碳钢接触时充当阳极，起到保护壳程碳钢作用。
（2）材料的用量少，总重小。虽然铜镍合金的价格比工业纯钛低，但是铜镍合金的比重大。由于钛的比强度高，耐蚀性好，设计时可以采用较小的腐蚀裕度，因而工业纯钛材设备的壁厚可以减薄，减少材料使用量。本项目中设计换热器换热管如用铁白铜，管壁厚度为 4mm，改用钛材厚度可降至 1.5mm，所用钛材总量仅为铜材总重的五分之一。
（3）材料的导热性。虽然钛材的传热系数（15～17w/(m2·K)）小于铁白铜的传热系数（25～30w/(m2·K)），但是换热器的总传热系数取决于材料的传热系数与传热管壁厚以及结垢等因素。在本项目换热器的设计时，工业纯钛（TA2）的管壁壁厚远低于铜管。此外，铜管表面易产生腐蚀产物与沉积污垢，而钛洁度系数则较高，因而钛材总的传热系数还是很高的[3]。另外，钛表面湿润性非常小，具有滴状冷凝特性，比膜状冷凝更有利，加之可以采用较高流速，钛换热器的总传热系数与纯铜换热器接近，远高于铁白铜换热器。
（4）换热器的清洗及维护。管壳式海水换热器用海水作为冷却水，因海水中含有大量的盐类物质，在管内易产生沉积和污垢，而且经常有微生物附着在管壁上造成换热管污堵，影响换热器正常工作。而钛金属表面有一层致密的钝化膜，表面光滑，污垢系数小，设备不易附着污垢，减少清洗难度和次数[4]。
（5）价格对比。从金属单位重量的价格来比较，钛材一般是普通钢材的50～70倍，是铜镍合金的7～9倍。作为设备，一般考虑用材料的体积而不是重量，从金属单位体积的价格来比较，钛材一般是普通钢材的20～30倍，是不锈钢的2～3倍，比铁白铜略低。但是，由于钛材的耐蚀性能更优，强度较高，所用钛材的壁厚较薄，因而材料的体积用量也可减少，在考虑材料成本时，这是必须考虑的重要因素。在满足相同的设计要求和使用年限的前提下，综合比较，用工业纯钛TA2与铁白铜的总体造价基本相当。
综合以上分析，U形管壳式海水换热器的管程侧换热管、管箱、接管及接管法兰等与海水接触的地方应当选用工业纯钛（TA2）。
2.3.2 海水换热器壳程材质的选择
相对于 U 形管壳式海水换热器管程需要重点考虑耐海水腐蚀，与壳程相接触的介质为天然气，只要满足强度和使用温度的前提下，优先考虑材料的成本和加工工艺性能。因此，首选 Q235 碳钢。 Q235 碳钢是最常用金属材料，供应方便，价格低廉，加工及可焊性好，所以应用非常广泛。同时考虑到 U 形管壳式海水换热器工作环境是在海上平台，壳体要暴露在海洋大气环境下，对壳体的外表面要做好防腐涂敷工艺，以便增强壳体的实用性。
2.3.3 海水换热器管板材质的选择
从 U 形管壳式海水换热器的设计图（图 2）可以看出，海水换热器的管板是比较特殊，一侧与海水接触，另一侧天然气接触。考虑到管板结构简单，加工方便，为节省成本，可以考虑采用钛钢复合板。
钛钢复合板就是在 Q235 钢板与海水接触的那面铸锻一层工业纯钛（TA2），能极大地降低成本，而耐海水腐蚀效果很明显。
3 、结 语
在设计海洋平台用海水换热器时，材料的选择一定要充分考虑实际工作环境，根据换热器的不同部位选用不同的材质，不仅能提高换热器的性能，减少设备维护费用，而且能够明显地降低设备生产成本。本项目设计的换热器已经投入使用，完全满足工作要求，目前设备运转良好，未发现任何问题。
参考文献：
[1]安维峥，王维民等.海洋平台用海水换热器腐蚀防护现状与趋势.广州化工，2010,38（1）：23～26.
[2]黄 虹.钛是海水淡化设备换热器的首选材料.稀有金属快报，1999（9）：5～7.
[3]余存烨.化工设备选用钛材的技术经济分析.化工技术经济，2002,20(4):37～39.
[4]冒圣国.钛制换热器的设计.化工矿物与加工，2000（3）：22～26.
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