反渗透膜壳与管道设计选型方法

2025-01-08 16:39 宁夏

前面几篇文章分享了反渗透膜选型、浓差极化现象、高压泵设计、增压泵设计等有关反渗透的知识，在一套反渗透设备上，膜壳和管道也是较为重要的配件，本文应读者要求，分项反渗透膜壳和管道分类、膜壳与管道的设计选型方法，供水处理人士参考。

一、反渗透膜壳和管道分类

1.膜壳分类

反渗透膜壳按照直径，可分为2.5inch、4inch、8inch三种；按照膜壳与管道的联接方式分为侧联和端联两种，侧联式膜壳进/浓水口位于膜壳上，端联式膜壳进/浓水口位于支撑板上。

按照压力等级分类，侧联和端联膜壳均有300psi（2.07MPa）、450psi（3.10MPa）、600psi（4.14MPa）、1000psi（6.89MPa）、1200psi（2.07MPa）、1800psi（8.27MPa）、2000psi（13.79MPa）六种。具体选择侧联或端联，需要根据场地中留给反渗透设备及配套管道的布置空间。

2.管道分类

反渗透设备内部的管道包括进水管、段间连接管、浓水管、产水管、化学清洗进水管、化学清洗回水管、冲洗进水管、浓水排放管、产水排放管。进水管、段间连接管、浓水管、化学清洗进水管、化学清洗回水管、冲洗进水管、浓水排放管在运行过程中，均承受较高压力，因此这部分管道应按照运行过程中最高进水压力设计，如下图中的彩色管道。

二、膜壳及管道设计方法

膜壳及管道的设计主要是承压能力、管道壁厚、管道材质，管道材质应根据废水的含盐量和离子成分确定，具体可参照本公众号文章《金属材料耐腐蚀性能数据表》。

反渗透膜壳及管道的压力等级的选择应按照进水泵扬程、高压泵扬程、段间增压泵扬程之和的1.2倍来确定，高压泵和段间增压泵扬程计算可参照本公众号文章《反渗透高压泵设计及其与膜通量的关系》《反渗透段间增压作用及设计方法》。例如进水泵扬程H1=40 m、高压泵扬程H2=180 m、段间增压泵扬程H3=30 m，则膜壳的压力等级应能承受的水头为1.2×(40+180+30)=300 m，相当于3.00 MPa，应该选择450psi的膜壳。

管道壁厚是保证管道承压能力、耐腐蚀时间、使用寿命的关键参数，可按下式计算。

式中：td为管道壁厚，mm；P为设计压力，MPa；D为管道外径，mm；S为设计温度下管材的许用应力，MPa；ф为焊接纵向接头系数；W为焊接接头高温强度降低系数；Y为计算系数；C1为材料厚度负偏差，mm。要计算管道壁厚，首先应逐一确定上式中的各项参数。

（1）设计压力P按照进水泵扬程、高压泵扬程、段间增压泵扬程之和的1.2倍来确定。

（2）管道外径D可按照设计流量Q和经济流速v确定，对于压力管道，经济流速为0.7~2.0 m/s，例如反渗透进水量Q=100 m³/h，经济流速v=2.0 m/s，则计算管道外径为133 mm，可取DN125管道，而DN125管道外径为D=133 mm。

（3）对于反渗透，由于膜元件的耐受温度最高为35~40 ℃，所以设计温度下管材的许用应力S可按下表选取。

（4）由于反渗透所配管道通常采用无缝管，所以无论管道材质如何，均可取焊接纵向接头系数ф=1.0，即此项可从管道壁厚计算式中消除。

（5）因为反渗透不存在高温运行的工况，所以焊接接头高温强度降低系数W=1.0，即此项可从管道壁厚计算式中消除。

（6）计算系数Y取决于管道运行温度、管道壁厚与外径的比值，如前所述，反渗透不存在高温运行情况，所以Y可按下式计算。

从上式可见，我们可以先按Y=0.4计算，如果最终结果显示t≥D/6，则再重新计算。式中：C2为腐蚀和冲蚀余量，mm，这与管道材质和我们预期管道的使用寿命有关，对于碳钢管道，腐蚀速率可取0.075 mm/a；对于不锈钢管道，腐蚀速率可取0.005 mm/a，例如我们采用SS304不锈钢管，预期使用寿命20年，则C2=0.005×20=0.1 mm；C3为机械加工深度，可取C3=0.5 mm。

（7）材料厚度负偏差C1，可取0.1~0.3 mm。

举例计算说明如下。

例：反渗透进水量Q=100 m³/h，经济流速v=2.0 m/s，进水泵扬程H1=40 m、高压泵扬程H2=180 m、段间增压泵扬程H3=30 m，分别计算反渗透进水管道材质为SS304和SS316L时壁厚。

（1）计算管道外径D

（2）计算设计压力P

（3）选取计温度下管材的许用应力S

根据上文中的表格，SS304许用应力S=138 MPa，SS316L许用应力S=115 MPa。

（4）取计算系数Y=0.4 mm，取材料厚度负偏差C1=0.2 mm。

（5）计算管道壁厚td

对于SS304材质管道：

对于SS316L材质管道：

根据计算结果，结合GB/T17395-2024《钢管尺寸、外形、重量及允许偏差》，如果采用SS304材质管道可选择ф133×2.0的管道，如果采用SS316L材质管道可选择ф133×2.2的管道。

总结

由案例计算可知，并不是材质越高，管道壁厚就可以取得越薄，部分EPC单位以管道材质高为说辞而选择薄壁管道，给生产运行埋下了极大的安全隐患。

关联文献

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