钛设备的设计制造特点及其应用

钛设备的设计制造特点及其应用钛及钛合金是一种新兴的具有极大发展前途的新金属材料．已广泛应用于航空，航天、石油、化工、制药．轻工等几十个行业．经过30多年的努力，我国钛工业无论是从原料一加工一翻造还是从科研一生产一应用，都已形成一定的规模．一个国家钛应用量的多少，标志着该国科技水平的高低和军事实力的强弱，这已成为人们的共识．在我国，大力推广应用钛．带动钛加工业和海绵钛生产太规模的发展；以钛的民用为基础，坚持以军工和高科技为发展方向。被认为是我国进人2l世纪钛工业发展的思路，对促进国防和国民经济发展具有举足轻重的作用．1历史与现状在我国钛应用历史上，1972年是历史性转变的一年，钛材民用开始步人发展阶段．由于钛是新型工程金属材料，人们对准确地掌握钛的特性和正确地使用钛的特性还认识不足，所以钛设备的设计和翻造技术成为需要解决的重要课题．宝色厂钛设备翻造公司是较早从事钛设备技术研制和生产的单位之一，1976年初开始正式承接钛设备的翻造并大力推广使用钛制设备．至今已为各行业用户提供钛制设备近4000t，为制造与维修钛设备培养以焊接技术为主的专业人员近100人，扶植建成钍设备制造厂20多个．钛设备制造行业的兴起和发展，为我国钛设备设计、制造技术的发展和在民用工业中推广应用钛材做出了贡献．经过多年的不断探索，该公司已拥有～批从事钛设备设计和翻造的专业人才，并积景了丰富的经验，掌握了有关。压力容器”各项通用技术规范DB标准和a)BOA9—87“钛翻设备技术条件’、。钛制设备设计技术规定。；是国内第1家取得一．二、三类压力容器设计和制造许可证的单位，持有美国机械工程师梆会(AsME)颁发的。u’类容器制造许可证，产品质量受控于ISO一9002质量体系；拥有先进的无损检测装置和仪器、系列机加工设备，通过引进的瑞典伊萨公司自动焊接设备，已形成钛的成套设备年加工能力在l。00t以上．钛，镍翻非标准设备综合能力400t／a．为满足国内外钛制设备市场的需求创造了良好条件．2钛制设备设计，制造的特点因钛材本身的特性不同于其它金属材料，因此在设计、翻造钛设备时必须考虑以下因素．1．钛是一种化学性质非常话浚的金属，在温度超过400℃时，就开始和空气中的氮、氧等发生化学反应，达到600℃时，反应就更加剧烈．钛与氢，氲．氧和碳反应后，生成的化台物使钛的性能变坏，其硬度和强度升高，而塑性显著下降．铡如，钛在焊接过程中，如果惰性气体保护不好，就会使焊缝中的氧、氮，碳古量增加．造成焊缝金属的强度和硬度增加而塑性剧烈下降．所以在设计钛制设备时，其结构必须简单，减少焊缝应力集中，便于清洗焊缝附近的表面并提供使用惰性气体．保护焊缝背面和正面的条件，同时用工业纯钛和某些钛合金制造的设备，其长期使用温度不能超过350℃．短期和间断使用温度也应在400℃以下．2．工业纯钛和大多数钛合金本身或相互间是可以焊接的．针对钛制设备的不同，局部可以采用相应的耐腐蚀合金进行补充焊接，使设备的应用及寿命更加合理．倒如在纯钛法兰密封面焊接钛钯合金、钛钼镰合金等耐蚀合金，既降低了成本费用又起到了防止间隙腐蚀的良好作用．但钛不能与其他金属熔焊，否则易形成脆性的金属间化合物，引起焊缝脆断，所以在需要与其它金属连接时，只能采用牯接、钎焊、爆炸焊接或螺纹连接．3．钛的弹性模数较低，约为碳钢和不锈钢的l／2，故在较低应力下易产生变形．所以，在设计抗弯曲构件或需要校核刚度的构件时，不能套用钢制件的尺寸．例如，用钛制作塔板支架时，应该按照钛在使用温度下的弹性模数来计算，所需的断面形状较不锈钢或碳钢大．对于钛制管壳式热交换器，为了防止列管产生振动破坏．其折流板或支承板的间距应比钢制热交换器小得多．4钛的热膨胀系数约为碳钢的2／3，相当于不锈钢的一半，在设计钛衬里设备或者钛列管、不锈钢或碳钢外壳的热交换器时，必须要考虑因膨胀差而产生的热应力，这是在设计钛衬里设备时必须注意的．5．工业纯钛和某些钍合金的抗拉强度随温度的升高而降低，当温度达到250℃时．其抗拉强度差不多只有室温下的一半，因此在计算钛设备的强度时，必须选用设计温度下的强度极限．6．钛设备的焊接接头设计和其它金属采用的接头形式相似．但钛的导热系数小．熔点商，熔融钛具有更大的流动性．因此，其纯边间隙比其它金属小．正因为如此，使焊缝在高温区的停留时间长．易造成焊缝区晶粒粗大．魍性降低．所以应采取措施，加速焊缝区的冷却．但冷却过快，又易形成针状的马氏体组织，使焊缝变脆，因此．在设计钛设备时应注意，焊接接头往往是钛制压力容器的最薄弱环节．应尽可能选用大尺寸的钛板．减少焊缝，避免十字焊缝，该厂3．3m宽板轧机能提供宽钛板．有效地解决焊缝多的问题．7．工业纯钛对缝隙腐蚀敏感．因此在设计钛设备时应尽量消除缝隙．例如用耐腐蚀的腔泥或塑料堵塞缝隙或者用焊接代替螺栓连接或胀接等等．对于不可能消除的缝隙(如法兰连接密封面)应选用浸透性、膨润性和表面润湿性小的材料制作垫片和选用耐缝隙腐蚀的钛合金作为法兰密封面的材料．8．常温时．工业纯钛的拉伸曲线段有明显的物理屈服现象．条件屈服强度非常接近于抗拉强度，屈服强度如0与抗拉强度的比值随强度增加而增加，抗拉强度在390MPa左右时．屈强比为0．75；而抗拉强度在680MPa左右时，屈强比则为0．85．因此在设计钛设备时应按照屈强比来选择安全系数．9．钛和不锈钢一样容易发生粘连，因此未经特殊处理的钛不宜翻造承受磨擦的转动部件．否则它们会因擦伤或咬死而迅速报废．10．钛的攻丝是比较困难的，这是因为丝锥中有限的切屑沟和钛的严重粘着作用．均导致丝锥断裂．因此，在设计钛设备时应尽可能避免盲孔或过长的通孔，而且要适当放松配台等级．11．钛的回弹量大，要比不锈钢高出l～2倍．因此在压力加工、弯曲．模具设计时应引起重视．根据我们的经验，采取温压或加热成形是理想的．钛制设备的设计．在于根据不同的介质．压力、温度和工况条件选用正确的钛材，才能达到钛制设备‘永久使用。的目的，否则将会前功尽弃而达不到应有的效果．由于钛材的价格较贵．一次性投资大．正确地、合理地选用钛材的型号和种类将显得尤为重要．目前国外涌进和走私进来的一些不台格钛材在钛设备制造中被滥用和不负责任地使用，都将会对钛制设备的质量、使用寿命起到严重的破坏作用，要引起足够的重视．设计人员和使用厂家应该走出钛材是万能耐腐蚀材料的误区，要严格根据不同的工况条件采用针对性的钛材才是正确设计的前提条件．