钛制容器在化工装置中的应用内容简介：本文介绍了钛材的特点、工业纯钛及其耐腐蚀合金的简介、分析了钛及其合金的合理选择，钛制容器的结构设计及钛制容器的制造要点INTRODUCTION: Briefly introduced the character of Titanium, class of Titanium and anti-corrosion alloy , election Titanium and it’s alloy, structure desing and fabrication relative vessel made from Titanium.关键词：钛、钛合金、性能、选择、容器、结构设计、制造Titanium ，Titanium alloy, Character, Election, Vessel, Structure design ,Fabriction作者：李胜利、陈昊钛材及其合金材料作为优良的耐蚀材料，在含有氯、溴、醋酸、硫酸、硝酸等介质化工装置中的应用范围不断扩大，如近十年中，不断扩大规模建设的醋酸装置、PTA装置中都有大量设备采用钛及其合金。
本文将从钛材的特点、钛材的选用、钛制容器的设计、制造等方面总结探讨钛及其合金材料的应用。
1. 钛及其合金的主要特点及设计、制造中要注意的问题钛及其合金材料与碳素钢、不锈钢等金属相比，在物理、化学、机械和耐蚀性能等方面，具有独特的特点，在设计、制造钛材设备时，应充分考虑这些特点。
1.1钛具有优异的耐腐蚀性能。
与不锈钢相比，容易钝化，形成抗氯离子腐蚀较强的氧化膜。
因此，钛及其部分合金对海水、海洋大气、含氯离子的化合物、多数氧化性的酸及有机物都具有抗腐蚀性。
1.2 钛具有良好的机械性能，钛及钛合金的室温抗拉强度均对于280MPa，有些高强合金的极限抗拉强度可以达到高强钢水平。
1.3 钛的化学性质非常活泼，在室温下，钛即能吸收氢气，在温度超过400 C时，就开始和空气中的氮、氧等发生化学反应，所生成的化合物使钛的性能，特别是塑性显著下降。
在设计钛制设备时，其结构必须简单，以便于清洗焊缝附近的表面和焊接时用惰性气体保护焊缝的正背面，避免气体污染。
1.4钛的熔点较高，通常为1668︒C左右，比碳素钢约高130︒C，比不锈钢约高240︒C，而导热系数又很低，比碳钢低4.5倍。
与其它金属熔焊易形成脆性的金属间化合物，引起焊缝脆化，所以在需要与其它金属连接时，只能采用粘接、钎焊、爆炸焊接、螺栓连接，而不能采用焊接。
然而，工业纯钛和钛合金本身或相互间是可以焊接的，但焊缝金属在高温区停留时间较长，容易造成晶粒粗大，塑性降低，且存在较大的焊接残余应力。
设计焊接结构时，必须认真考虑。
1.5钛材的弹性模量较低，为10850kg(f)/mm2，约为碳钢和不锈钢的二分之一，在较低应力下易产生变形。
所以在设计抗弯构件或需要校核刚度的构件时，不能套用钢制构件的尺寸。
例如，设计钛制塔盘支撑圈或支持板时，应该按照钛在设计温度下的弹性模量来计算所需断面的形状尺寸，其断面尺寸比钢制构件应大。
对于钛制换热器，为了防止列管产生振动破坏，其折流板或支撑板间距应比钢制换热器的小。
1.6钛材的线膨胀系数为8.5x10-6(1/︒C)，约为碳钢的三分之二，不锈钢的一半，因此在设计钛衬里设备或换热管为钛材而壳体为碳钢或不锈钢的换热器时，必须要考虑因膨胀差而产生的热应力。
1.7钛的硬度和强度随冷变形的程度增加而增加，延伸率值则迅速下降，其塑性变形范围狭小，而且具有明显的加工硬化现象，所以钛制零件的弯曲和翻边应采用较大的弯曲半径（其弯曲半径不得小于4~5倍的板厚），在考虑换热器管子与管板的胀接方法、以及胀接率时都要予以考虑，胀管间隙要比不锈钢小。
1.8钛具有明显的回弹性，其回弹能力是不锈钢冷成型时的2~3倍。
这是由于钛的屈服限与弹性模量的比值大，屈强比也较大。
在零件成型时，内部会存在较大的应力，所以钛一般不适用于冷态冲压加工，应采用温成型或冷成型热校形。
1.9钛及其合金的抗拉强度随温度升高降低较快，当温度达到250︒C时，其抗拉强度只有室温的一半。
因此在设计钛制设备时，在温度超过150︒C时，应考虑使用衬钛或用钛复合板而不用纯钛。
1.10工业纯钛对缝隙腐蚀非常敏感，因此，在设计钛设备时应尽量消除缝隙。
对于不可能消除的缝隙，如法兰密封面，应选用浸透性、膨润性和表面湿润性小的材料制作垫片，并选用耐缝隙腐蚀的钛合金（如Ti-0.15~0.20Pd,Ti-0.3Mo-0.8Ni）作为法兰密封面的材料。
1.11工业纯钛的塑性随温度变化成非线形变化，由室温到200︒C时，钛的相对延伸率增加，由200︒C到500︒C时，逐渐减小到最低，之后随温度继续升高而明显上升。
因此，工业纯钛的使用温度最好不要超过350︒C。
我国《钛制焊接容器》（JB/T4745-2002）中规定变形钛及钛合金的使用温度限制在300︒C，钛复合板的使用温度限制在350︒C，ASME规范对变形钛及钛合金的限制使用温度为315︒C，JIS规范对变形钛及钛合金的限制使用温度为350︒C。
1.12钛具有较为优良的抗疲劳性能，但对缺口的敏感性较高，在设计钛制设备时，应避免结构的不连续性，焊缝应尽可能平滑。
1.13 电偶腐蚀在设计钛制设备时，还要考虑到钛与其它金属接触可能产生的电偶腐蚀。
钛和异种金属接触，由于钛表面氧化膜的耐蚀性，使钛成为阴极，而加快另一金属的腐蚀。
钛在盐酸等介质中与碳钢接触，由于钛表面产生原子氢，容易通过钛的氧化膜，使钛的腐蚀加速，且容易引起钛的氢脆。
解决方法是对钛表面进行阳极化处理，关于阳极化处理的方法国内外有很多论述，但国家标准中还没有相关规定。
本文介绍了一种阳极化处理的方法。
1.14 钛在切削过程中，产生塑性变形，加之温度较高，很容易与空气中的氧、氮等反应形成硬而脆的外皮，产生加工硬化。
减低疲劳强度，降低耐腐蚀性能。
所以一般切割钛材，都用水切割机，在水下进行。
2.工业纯钛与耐腐蚀钛合金简介我国现行标准《钛及钛合金牌号和化学成分》（GB/T3620.1）规定了钛钛合金产品的牌号、化学成分，工业纯钛为4级，分别用TA0、TA1、TA2、TA3表示，钛合金若干，分别用TA4~TA10，TB2~TB4，TC1~TC12表示，钛合金用TA、TB、TC表示合金不同的分类，这里不详细介绍。
ASME标准中工业纯钛同样是4级，分别为Grad1~4，其余从Grad5~34为钛合金。
2个标准中的等级并不是一一对应的。
2.1 工业纯钛4级工业纯钛从TA0到TA3的区别在于其间隙元素是逐渐增加的，机械强度和硬度也是逐级增加的。
各级工业纯钛的抗腐蚀性能相近，对于海水、海洋大气、湿氯气及氧化性、中性、弱还原性介质都具有良好的耐腐蚀性，综合机械性能和加工性能也较优越，价格相对钛合金也较低，所以用作一般抗腐蚀材料，仍大量使用工业纯钛。
TA1、TA2的耐腐蚀性能和综合机械性能适中，使用更为广泛；对要求较好的成型性能时，可考虑使用TA0；对要求较高强度和耐磨性能时，可考虑使用TA3；在强氧化性或还原性酸中，其中铁元素会引起热影响区金相组织的变化，使其耐腐蚀性能下降，因此可以控制材料中铁离子的含量，一般控制在0.05%以下。
2.2 钛合金：合金钛的种类繁多，典型的抗腐蚀钛合金有：Ti-Pd合金、Ti-Ni-Mo 合金、Ti-Mo合金、Ti-2N合金等，这里仅介绍Ti-Pd合金。
Ti-Pd合金是在工业纯钛中加入0.15~0.20%的Pd，具有下列三个优点：A.对氧化性介质具有优良的耐腐蚀性，同时对弱还原性介质的耐腐蚀性，可比工业纯钛几百倍的提高，如对硝酸的耐腐蚀性与工业纯钛相当，但对稀盐酸、稀硫酸的耐腐蚀性却比工业纯钛高500~1000倍；B.具有良好的耐缝隙腐蚀能力；在三井造船技术的PTA装置中，法兰密封面大量采用堆焊Ti-Pd合金就是这个道理；C.吸氢能力小，不易产生氢脆。
3.钛及其合金的合理选择虽然钛及其合金具有比强高、耐腐蚀等优点；但如果使用不当，未能扬长避短，仍会达不到预期的效果，反而造成不应有的损失。
但在选用钛材作为耐蚀材料时，仍必须注意以下几点：3.1 工业纯钛在静止的高温、高浓度的硝酸溶液中的耐蚀性较好；但在流动的硝酸溶液中往往由于缺少起缓蚀作用的四价钛离子而遭到腐蚀。
故在这种环境中采用钛时应选用Ti-5Ta合金。
3.2 钛在海水和氯化物溶液中不发生点蚀；但在含有氯化镁、氯化铝、氯化铜、氯化锌和氯化钙的沸腾溶液中发生点蚀。
工业纯钛在温度高于90︒C的海水中有发生缝隙腐蚀的可能性，故在这种环境中，推荐选用Ti-0.2Pd合金。
3.3 工业纯钛在碳氢化合物及含氯、氟的碳氢化合物中不发生腐蚀。
但在有水的情况下，水解而产生的盐酸和氢氟酸，对钛产生腐蚀。
当碳氢化合物在高温下分解而产生氢时，钛可能吸收氢，而产生氢脆。
3.4 钛不受潮湿氯气（含1%以上的水份）以及二氧化硫、二氧化碳、硫化氢等气体的腐蚀；但在干燥的氯气中遭受腐蚀；并引起着火自燃。
在-253~93︒C温度范围内，钛对氢和过氧化氮的耐蚀性优良；但在气态氧、液态氧和某些氧分压高的水溶液中，也可能引起钛着火自燃。
在这种环境下使用钛时，必须慎重。
3.5 工业纯钛一般不发生应力腐蚀破裂；但在含有微量盐酸的甲醇、乙醇为主的有机溶剂中和在发烟硝酸中易发生应力腐蚀破裂或着火自燃。
3.6 钛与电位较低的金属接触，则低电位金属发生腐蚀。
腐蚀的程度取决于与钛接触的金属表面积比例。
3.7 虽然钛对于pH值大于9的碱液具有较好的耐蚀性能；但由于在较高的温度下易产生氢脆，因此，钛仅用在低温下的碱液中。
当碱液中含有游离氯时，则提高钛对碱液的耐蚀性。
反之，当碱液中含有氧和氨时，则加剧碱液对钛的腐蚀。
4. 钛制容器的结构设计钛制容器有全钛设备、衬钛设备和钛复合板设备。
4.1 全钛设备：一般适用于设计温度小于150 C，壁厚小于12mm时，其结构与钢制和其它有色金属制设备的差异不大，因此可以采用其它金属制设备的行之有效的结构。
但应注意，由于钛的导热系数小，熔点高，熔融钛具有更大的流动性，因此，在设计对接接头时，钝边的间隙应比其它金属小。
板厚小于1.5mm时，通常不开坡口，不留间隙，可不加填充丝；板厚在1.5mm~6mm时，开V坡口，留0.5mm钝边；板厚大于6mm时，开V坡口，钝边间隙<2mm。
即使这样，由于焊缝金属在高温区停留时间较长，仍容易造成晶粒粗大，塑性降低，且存在较大的焊接残余应力，应采取措施，加速焊缝区的冷却，但冷却过快时，容易形成针状的马氏体组织，使焊缝变脆。
所以在设计钛制设备时，焊缝是钛制压力容器最薄弱的环节，应要求尽可能地选用大型尺寸的钛板，减少焊缝。