钛及钛合金性能及设备应用特点

1、化工装备技术第27卷第5期2006年55钛及钛合金性能及设备应用特点马国印李超(河南神马尼龙化工有限责任公司)3摘要介绍了钛和钛合金设备的发展,性能、,提出了建议。特点350000t/a。目前我国每年有数百吨钛材用于0前言化工生产装置,至今累计已达几千吨。钛的耐腐蚀机理:(1)钛的钝化特性钛在元素周期表中属第4周期第族表1各国钛材与钛制设备的发展情况年代日本19571961钛及钛合金作为一种有效的耐蚀材料,正在世界各国推广应用,且呈急剧增长的趋势。目前钛及钛合金广泛应用于化工、制碱、冶金、石油、医药等行业中的压力容器、换热器、塔器、蒸发器、搅拌器、冷凝器、反应釜和储运设备等。实践证明,钛及钛合

2、金对于延长设备使用寿命、提高产品质量、改善劳动条件等均具有重要作用并取得了良好的经济效益。本文对钛及钛合金的性能及设备结构特点进行了讨论。1钛材与钛制设备的发展进展情况开始将工业纯钛用于化工设备,其后每年约有1500t(占80%90%)用于化工一般民用工业约245t(占5%)剧增民用工业5400t(占30%)民用工业占25%30%开始采用钛制设备、管道,钛材使用分配比例与美相仿开始大量使用民用占70%有所下降开始用于设备内件与零部件(温度计套管、阴极母板等)制造钛-钢复合板二甲苯氧化塔70%80%用于化工、轻工、制湿氯冷却器与涂钌阳极美国1968年后19791984前苏联196080年代在20

3、世纪40年代初期,钛材开始用于工业生产,起初多用于航空等军事工业,钛材作为设备结构材料在一般民用工业中的应用则是在50年代末期才开始的。各国钛材与钛制设备的发展情况见表1。海绵钛的产量增长速度很快,早在80年代中期,美国已超过21000t/a,前苏联已超过3马国印,男,1971年生,工程师。平顶山市,467013。西欧1978年前1978年后60年代中期中国1970197256钛及钛合金性能及设备应用特点(1)缝隙内氧被消耗阶段。(2)宏观电池形成,pH值降低。(3)活化溶解,缝隙内钝化膜完全破坏。2钛及钛合金的性能211物理性能和机械性能(类)元素,化学性质活泼,它与氧有很大的亲合力,当钛暴

4、露于大气或任何含氧介质中,表面立即形成一层坚固而致密的钝化氧化膜,这层薄膜十分稳定,接近金属膜内表面是TiO,外表面是TiO2,中间是Ti2O3,这层钝化膜保护性非常高,在许多介质中显示极好的耐蚀性。(2)抗局部腐蚀性能局部腐蚀是一种最危险的腐蚀形态,钛能抗海水及氯化物的点蚀。(3)抗缝隙腐蚀性能钛的抗缝隙腐蚀能力比点蚀能力差一些缝隙腐蚀是在构件的缝隙处,:表2材料常温100200钛及钛合金的物理性能及与其它合金性能的比较见表2。3。、,相应,。机械性,在250300时,;低温冲击韧性较高,可在-196低温下使用;在常温下也有蠕变现象,但只有当设计温度大于钛及钛合金与其它材料的物理性能比较钛T

5、A1TA3311%钛合金105444151不锈钢0Cr18Ni9Ti199187低碳钢1520199187弹性模量E/GPa切变模量G/GPa密度/tm-3熔点/比热容kJkg-1K-1泊松比7191450111610-6(20100)-6常温200015440133215%常温200平均热膨胀系数kcp0100-1导电度(以铜为100%,与铜比)导热系数Wm-1K-1表3牌号TA1TA2TA3Ti20115PdTi2013Mo2018Ni钛及钛合金的机械性能b/MPa300530450600540720350490012/MPa3303904305/%3040253520302020/%35

6、304025k/Jcm-280(棒)1088849)冷弯角度/(d=3a供货状态退火退火退火退火退火(M)(M)(M)(M)(M)1301409010080908090化工装备技术第27卷第5期2006年300时才必须考虑持久强度的影响;具有较57表4介质钛的耐腐蚀性能浓度/%5102035510高的疲劳强度,对缺口的敏感性比一般碳钢要低些。212钛及钛合金的耐蚀性能钛对介质的耐腐蚀性归纳如下:(1)对中性、氧化性、弱还原性介质耐腐蚀,如淡水、海水、湿氯气、二氧化氯、硝酸、铬酸、醋酸、氧化铁、氯化铜、熔融硫、氯化烃类、次氯酸钠、含氯漂白剂、乳酸、苯二甲酸、尿素、浓度低于3%的盐酸、浓度低于4%

7、的硫酸等。(2)对强还原性和无水强氧化性等介质不耐腐蚀。如发烟硝酸、氢氟酸3%的盐酸、干氯气、。(如Ti-0115Pd)在中等还原性介质(如低浓度硫酸、盐酸)中,以及处于氧化-还原交替环境中的耐腐蚀性比工业纯钛要优越得多,而且在氧化性介质中的耐腐蚀性也好,特别用于抗缝隙腐蚀的部位。钛钼镍合金(如Ti2013Mo2018Ni)在若干还原性介质(如甲酸)中的耐腐蚀性比工业纯钛高得多。钛的耐腐蚀性能见表4。3钛材的使用条件和钛制设备的结构特点311钛制设备的使用温度及壁厚要求有机酸无机酸温度/RTRTRTRTRTRTRTRTRTRT腐蚀程度ABCCABBCCAAA盐酸硫酸6080953030磷酸50

8、7085王水氢氟酸醋酸蚁酸草酸柠檬酸氢氧化钠氢氧化钾氯化铁氯化物氯化钠氯化铵氯化钙氯化银硫化物硫酸铵硫化钠硫酸钠HClHNO3碱常用钛材的使用条件见表5。由于钛材在200时强度显著下降,而且其弹性模量又低,因此采用各级工业纯钛和Ti2013Mo2018Ni制造的全钛压力容器其许用温度不得超过150,工作条件较好的压力容器和常压容器可达250,并认为压力在015MPa、温度在150以下的中小型容器或容积较大的常压容器,采用全钛结构是经济合理的。全钛或钛合金制压力容器的最小壁厚不应小于3mm,对于直径较小、参数较低的多节塔器其壁厚可为2mm。对于压力高、直径大RTRTRTRTRTRTRTRTRTR

9、TRTRTRTRTRTRTRTRTRTRTRTABBBACAAAAAACAAAAAAAA符号说明:A腐蚀速度0113mm/a以下B腐蚀速度0113113mm/aC腐蚀速度113mm/a以上BT室温,BP沸点58钛及钛合金性能及设备应用特点常用钛材的使用条件牌号TA1表5类别须考虑由于热膨胀差而产生的热应力的影响,以免使构件拉裂。(5)粘连性钛材和不锈钢一样,容易发生粘连,在采用钛材作为运动元件时,必须选择合适的摩擦副材料(如塑料,或不同牌号、不同硬度的钛合金),或采取其它措施。(6)机械性能对高温的敏感性很大工业纯钛和某些钛合金,强明显为例,在1/2。但使用条件用于要求具有较高的塑性、良好的成

10、型性和低温设备的受压元件用于换热管及壁厚小于14mm的壳体封头等受压元件用于要求耐摩擦或具有较高强度但不需进行深度冷冲压的受压元件用于承受较大应力的紧固件和锻件价格昂贵,使用受到限制;适用于抗缝隙腐蚀的部位,如法兰密封面和金属垫圈工业纯钛(a2钛含量)TA2TA3TA4钛钯合金Ti20115Pd,代Ti20;钛钼镍合金Ti201、易-与0时使用值,不仅在高温下是如此,即使在常温时也有蠕变,在200300时遵循稳定的蠕变特性。(7)焊接接头钛设备的焊接接头设计与其它金属采用的接头形式相似,但有其自身的坡口与焊缝标准。由于钛的导热系数小、熔点高,施焊时应严格按其标准执行。(8)工业纯钛对缝隙腐蚀敏

11、感在设计钛制设备时应尽量消除缝隙,选用合适的垫片或选用耐缝隙腐蚀较好的钛钼镍合金(Ti2013Mo2018Ni)。(9)换热器管板与换热管之间的连接最好采用胀焊结合,即先贴胀后强度焊。如果只采用胀接,管板与换热管之间易产生泄漏;如果只焊接不胀接,管板与换热管之间有缝隙,易产生缝隙腐蚀。因此,管板与换热管之间的连接最好采用贴胀后再强度焊。胀接时胀管率应控制在3%5%,不允许欠胀或过胀。综上所述,钛材作为一种新型的化工设备结构材料,正在很多化工厂逐步推广应用并已取得巨大的经济效益。我们深信,钛材将会越来越广泛地应用于国民经济的各个领域。(收稿日期:2006206218)的设备可采用钛钢复合板,一般壁厚超过8mm时用钛钢复合板是经济合理的,而且钛钢复合板设备最高使用温度可达350。312钛制设备的结构特点(1)结构必须简单钛是一种非常活泼的金属,在温度超过400时很易与碳、氢、氧、氮等化合。为此,设备结构应便于清洗焊缝附近的表面和提供用惰性气体保护焊缝的正背面的条件。(2)不可与其它