引言

鈦及其合金在許多酸、堿及鹽類介質(zhì)中具有優(yōu)異的耐蝕性，還具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，因而在化工、石油、冶金、電力、海洋工程等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

雖然鈦材成本較高，但從壽命周期、強(qiáng)度、環(huán)境影響等方面綜合分析，使用鈦材可以獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。鈦的密度小，約為銅的50％，1Crl8Ni9Ti不銹鋼的57％，所以，制造同樣尺寸的設(shè)備，使用鈦比使用鋼、銅減少一半的質(zhì)量。鈦的比強(qiáng)度比不銹鋼等材料高，又可以減輕一些質(zhì)量。鈦設(shè)備的使用壽命比傳統(tǒng)材料設(shè)備的使用壽命長(zhǎng)。此外，使用鈦設(shè)備，還可提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，減少設(shè)備維修費(fèi)用，改善勞動(dòng)條件。因此，隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鈦設(shè)備的應(yīng)用也越來越廣泛。

本文對(duì)鈦設(shè)備在化工、石油、冶金、電力、海洋工程等領(lǐng)域的應(yīng)用概況及鈦設(shè)備制造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，提出了我國(guó)鈦設(shè)備制造中存在的一些問題及相應(yīng)對(duì)策。

2、鈦設(shè)備的應(yīng)用概況

2.1鈦設(shè)備在化工行業(yè)的應(yīng)用

據(jù)報(bào)道，工業(yè)化國(guó)家每年用于腐蝕防護(hù)的費(fèi)用占國(guó)民生產(chǎn)總額(GNP)的3％～4％。因此，材料選擇在建設(shè)現(xiàn)代化化工廠中起著十分重要的作用。鈦及其合金由于具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、優(yōu)良的耐蝕性及良好的熱傳導(dǎo)性，因而廣泛用于許多化學(xué)工業(yè)中。

2.1.1純堿工業(yè)

采用氨堿法或者聯(lián)合制堿法生產(chǎn)純堿時(shí)，設(shè)備都會(huì)受到氯化鈉和氯化銨等介質(zhì)的強(qiáng)烈腐蝕。因經(jīng)常維修、更換設(shè)備，造成頻繁停產(chǎn)。鈦及其合金在氯化鈉和氯化銨介質(zhì)中具有優(yōu)異的耐蝕性，具體見表1。通過對(duì)鈦設(shè)備在純堿工業(yè)的應(yīng)用進(jìn)行試驗(yàn)，獲得了良好的效果。

目前，純堿工業(yè)中使用了大量的鈦管、鈦外冷器。

據(jù)報(bào)道，美國(guó)一家純堿廠蒸氨塔的換熱器鑄鐵管改用鈦管后，使用5年仍然一直完好無損。使用鈦管后不僅設(shè)備使用壽命延長(zhǎng)，而且換熱能力提高了25％。過去純堿工業(yè)用于冷卻結(jié)晶氯化銨母液的外冷器采用碳鋼材料，由于氯化銨母液腐蝕性強(qiáng)，使用壽命一般為4年，如果防腐層質(zhì)量不好，使用壽命還有可能降低到1年左右。為了解決腐蝕問題，提高生產(chǎn)效率，許多廠家首選鈦設(shè)備。由表1可以看出，鈦及其合金在氯化銨母液中年腐蝕率只有0.001mm/a，因此，越來越多的純堿生產(chǎn)廠家現(xiàn)已用鈦外冷器代替碳鋼外冷器。

2.1.2氯堿工業(yè)

氯堿工業(yè)過去一直用石墨電極作為電解用的不溶性陽極，在實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)了許多問題，使用壽命僅為4～9個(gè)月；由于石墨陽極被高溫鹽水腐蝕，造成極距逐漸增大，耗電量增大；不僅如此，石墨被腐蝕脫落，進(jìn)入堿液，還降低了堿液的質(zhì)量。

由于鈦具有優(yōu)異的耐蝕性，氯堿生產(chǎn)廠家逐漸用鈦陽極替代了石墨陽極。使用鈦陽極的主要優(yōu)點(diǎn)：鈦陽極導(dǎo)電性能優(yōu)良，且耐高溫鹽水腐蝕，因而極距變化很小，槽電壓穩(wěn)定，且陽極使用壽命可達(dá)10年以E；同時(shí)，生產(chǎn)的堿液質(zhì)量明顯提高。我國(guó)的上海燎原化工廠、上海電化廠、珠江電化廠、沈陽化工廠等單位均使用了大量鈦陽極，都取得了良好的效果。

2.1.3漂白粉行業(yè)

生產(chǎn)漂白粉的設(shè)備由于要接觸濕氯氣、次氯酸根等強(qiáng)腐蝕介質(zhì)，腐蝕問題十分嚴(yán)重，設(shè)備維修工作量很大，經(jīng)常停產(chǎn)維修，一般企業(yè)的開工率很低。特別是反應(yīng)塔的橫臂和刮板，腐蝕十分嚴(yán)重。使用了鈦橫臂和鈦刮板后，運(yùn)行情況良好，效果十分顯著，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益，維修及更換設(shè)備的費(fèi)用大幅降低，漂白粉產(chǎn)最明顯增加。

2.1.4尿素工業(yè)

尿素合成塔的腐蝕問題十分嚴(yán)重。過去使用不銹鋼材料制造合成塔，存在局部腐蝕問題，且不銹鋼的使用溫度只能達(dá)到190℃，超過此溫度則腐蝕速度成倍增加，這就限制了合成尿素的溫度，使尿素轉(zhuǎn)化率很低。采用工業(yè)純鈦襯里的尿素合成塔，不但解決了腐蝕問題，而且還使合成尿素的轉(zhuǎn)化率提高。

在尿素工業(yè)中，除了合成塔用鈦材制造外，尿素生產(chǎn)中的汽提塔、分解系統(tǒng)設(shè)備、往復(fù)式高壓甲銨泵、減壓閥等都采用鈦材制造。

2.1.5其他

鈦設(shè)備除了在上述化工行業(yè)大量應(yīng)用外，還用于防老劑丁、乙內(nèi)酰胺、順丁烯二酸酐、丙烯、丙酮、對(duì)苯二甲酸、乙醛等化工產(chǎn)品的生產(chǎn)設(shè)備中。

2.2鈦設(shè)備在石油工業(yè)的應(yīng)用

在石油精煉過程中，石油產(chǎn)品中的硫化物、氯化物等對(duì)設(shè)備的腐蝕十分嚴(yán)重，尤其是石油精煉設(shè)備如初餾塔、常壓塔塔頂部及塔頂冷凝器。采用鈦材作為上述部位材料，取得了良好的效果，基本上解決了上述部位的腐蝕問題。

國(guó)外煉油廠最早用鈦管作為冷卻器，不僅應(yīng)用于海水腐蝕部位，而且對(duì)不用海水冷卻的工藝熱交換器也適用。鈦管用于原油蒸餾塔頂冷凝冷卻系統(tǒng)，可防止氯化物和硫化物腐蝕。鈦管束與管板組合，不僅在美國(guó)而且在英國(guó)已使用多年，包括加熱原油的換熱器和利用污水冷卻的最終產(chǎn)品冷凝器，使用鈦換熱器后，效果很好。

如Exxon Bayway煉油廠有超過40臺(tái)鈦管式換熱器成功的應(yīng)用例子。此外，該煉油廠還在催化裂化、工藝水處理、加氫精制、脫硫、不飽和分離、氫提純、重整、管式蒸餾和聚合反應(yīng)等工藝中使用了大量鈦設(shè)備。

2.3鈦設(shè)備在冶金工業(yè)的應(yīng)用

隨著冶金工業(yè)的發(fā)展，鈦材作為高強(qiáng)度、耐腐蝕的結(jié)構(gòu)材料得到了推廣和應(yīng)用。在濕法冶金過程中，由于設(shè)備接觸堿、酸及各種腐蝕性強(qiáng)的氣體、煙塵等，傳統(tǒng)的鋁合金、耐酸不銹鋼等材料不能滿足生產(chǎn)工藝的需要，限制了濕法冶金的發(fā)展。鈦設(shè)備的使用，對(duì)于提高生產(chǎn)效率，解決濕法冶金常見的跑、冒、滴、漏等現(xiàn)象及減少環(huán)境污染等具有重要的意義。

2.3.1鈦設(shè)備在電解鎳生產(chǎn)中的應(yīng)用

電解鎳生產(chǎn)中，設(shè)備接觸含酸量很高的溶液和活性離子，而鈦的耐蝕性優(yōu)異，因而成為制造電解鎳設(shè)備的理想材料。

電解鎳生產(chǎn)中的陰極母板與不銹鋼母板相比，具有更好的經(jīng)濟(jì)效果和優(yōu)越的使用性能，如沉積鎳皮不易沾板，剝離容易，剝離率提高；鈦母板的始極片平直，剛性好，電解時(shí)電流密度均勻。上海冶煉廠、金川有色金屬公司等均使用了鈦陰極母板，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。此外，電解鎳生產(chǎn)設(shè)備的加熱器、泵、閥門等也大量使用了鈦材料。

2.3.2鈦設(shè)備在電解銅生產(chǎn)中的應(yīng)用

電解銅乍產(chǎn)設(shè)備陰極輥筒原先是用鋼陰極輥筒，由于電解液的腐蝕，導(dǎo)致輥筒表面出現(xiàn)點(diǎn)蝕，影響了銅箔的質(zhì)量，且定期打磨輥筒也浪費(fèi)了人力財(cái)力。使用鈦輥筒后可以解決上述問題。

此外，電解銅生產(chǎn)中的加熱器、陰極母板等大部分都是由鈦材制造的。

2.3.3其它

鈦設(shè)備還用于鈷、鋅、鋁、汞等冶煉、鎢酸提純等冶金工業(yè)中，主要設(shè)備有電解槽、反應(yīng)器、洗滌塔、熱交換器、攪拌器、蒸發(fā)裝置、收塵裝置等，均取得了顯著的效益。如前蘇聯(lián)用鈦泵輸送氯化物、氯化鈉、氯化鉀、稀鹽酸時(shí)，泵的使用壽命比鑄鐵泵或耐酸鋼泵提高5～20倍，液體損失減少了3／5。氯化車間的鈦儲(chǔ)槽能使用3、4年，而鋼制儲(chǔ)槽只能用2個(gè)月[1]。

2.4鈦設(shè)備在電力工業(yè)的應(yīng)用

火電站和核電站的凝氣器是發(fā)電機(jī)組的重要設(shè)備。鈦設(shè)備在電力工業(yè)的應(yīng)用主要是指在沿海電站凝氣器的應(yīng)用。電站凝氣器是利用海水量較大的設(shè)備。

由于冷凝器是用海水做冷卻水的，而海水中含有大量的泥砂、懸浮物質(zhì)、海牛物和各種腐蝕性物質(zhì)，在海水與河水交替變化的淡鹽水中的情況更為嚴(yán)重。傳統(tǒng)的凝汽器是用銅合金管，因各種腐蝕經(jīng)常遭到嚴(yán)重破壞，凝氣器運(yùn)行1年左右就腐蝕泄漏。

我國(guó)從20世紀(jì)70年代開始，就開展了電站凝氣器用鈦管的研究。寶鈦集團(tuán)承擔(dān)了冷軋無縫薄擘管的研制任務(wù)。所提供的鈦管在金山熱電廠、鎮(zhèn)海電廠等凝氣器中使用后，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，鈦凝氣器的壽命比銅合金凝氣器的壽命提高4~6倍，保證了電廠穩(wěn)定安全生產(chǎn)。

2.5鈦設(shè)備在海洋工程的應(yīng)用

目前，海洋工程用鈦已成為鈦民用應(yīng)用的主要領(lǐng)域之一。

2.5.1海洋油氣開發(fā)

海上石油開采設(shè)備主要包括采油平臺(tái)和附屬設(shè)備。這些設(shè)備均與海水及原油中的硫化物、氨、氯等介質(zhì)接觸。由于鈦在這些介質(zhì)中具有優(yōu)異的耐蝕性，所以美國(guó)在20世紀(jì)70年代初就在其油田中使用了鈦制造的近海石油平臺(tái)支柱，同時(shí)用鈦制造了列管式換熱器和板式換熱器。美國(guó)在北海油田鉆井平臺(tái)上大約使用了100個(gè)鈦熱交換器。

鈦鉆探管的使用壽命較長(zhǎng)，其質(zhì)量?jī)H為不銹鋼的一半，而使用靈活性卻是不銹鋼的二倍，使用壽命為鋼的10倍。美國(guó)的Grant Prideco公司、RTI能源系統(tǒng)公司及Torch鉆探服務(wù)公司在2000年首次將鈦鉆探管用于工業(yè)應(yīng)用。

2.5.2海水淡化

早期的海水淡化裝置使用銅合金、碳素鋼等材料，因這些材料不耐海水腐蝕。生產(chǎn)效率低，很快被鈦所代替。在海水淡化中，鈦的主要應(yīng)用是淡化裝置的加熱器傳熱管。日本一家公司為沙特建造日產(chǎn)淡水3×10⁴t的蒸餾法裝置10臺(tái)，用鈦管3200t，平均日產(chǎn)1×10⁴t的裝置，需用鈦107 t。我國(guó)的天津、山東等地均建有或在建海水淡化裝置。預(yù)計(jì)天津和山東的海水淡化工程設(shè)備用鈦量大約是250 t。

2.5.3其它

鈦及其合金在船舶中的應(yīng)用十分廣泛，如船體結(jié)構(gòu)件、深海調(diào)查船及潛艇耐壓殼體、管道、閥、船舵、軸托架、配件、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置中的推進(jìn)器和推進(jìn)器軸、熱交換器、冷卻器、船殼聲吶導(dǎo)流罩等[2]。此外，鈦設(shè)備還用于海洋漁業(yè)、海洋熱能轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域，如日本在人工養(yǎng)殖技術(shù)中，大量使用了鈦金屬網(wǎng)和維持一定海水溫度的鈦管式熱交換器等；在海洋熱能轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，美國(guó)、日本的溫差發(fā)電站的主要設(shè)備蒸發(fā)器、凝縮器及海水吸管、環(huán)路系統(tǒng)等都使用了鈦制設(shè)備，均取得了良好的效果。

2.6鈦設(shè)備在制藥工業(yè)的應(yīng)用

制藥生產(chǎn)過程中，設(shè)備接觸鹽酸、硝酸、醋酸、硫酸及其鹽類和有機(jī)溶劑等介質(zhì)，腐蝕現(xiàn)象很嚴(yán)重。

經(jīng)常停產(chǎn)維修會(huì)影響生產(chǎn)，設(shè)備腐蝕產(chǎn)生污染還會(huì)影響產(chǎn)品的質(zhì)量。

制藥工業(yè)的氣流干燥裝置，包括管道、螺旋加料機(jī)、加熱器、旋風(fēng)分離器等設(shè)備，使用不銹鋼設(shè)備產(chǎn)生明顯的腐蝕，腐蝕產(chǎn)物中的鐵離子還有可能污染產(chǎn)品，影響產(chǎn)品的質(zhì)量。選用腐蝕速率僅為0.0008～0.003mm／a的鈦材料可以解決鐵離子污染問題。

3、鈦設(shè)備制造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

3.1鈦設(shè)備通用制造技術(shù)

鈦設(shè)備在各行各業(yè)的應(yīng)用日益廣泛，從設(shè)計(jì)方法和技術(shù)規(guī)范角度出發(fā)，可將鈦設(shè)備的設(shè)計(jì)分為以下幾類：1)壓力容器設(shè)備：如某些化工應(yīng)用的蒸發(fā)器、反應(yīng)器等；2)常壓設(shè)備：如鈦制列管式換熱器、各種鈦容器等；3)通用機(jī)械設(shè)備；如鈦風(fēng)機(jī)、鈦閥門、鈦接頭等；4)特殊或者專用條件下的鈦設(shè)備和零部件：如醫(yī)療用的鈦關(guān)節(jié)、鈦骨頭等。

目前，許多鈦設(shè)備為壓力容器，它不但要求材料具有優(yōu)異的耐蝕性，而且還要求具有較高的綜合力學(xué)性能及良好的焊接性能。從事鈦壓力容器設(shè)計(jì)人員必須首先掌握我國(guó)已頒布實(shí)施的有關(guān)“壓力容器”各項(xiàng)通用技術(shù)規(guī)范。

鈦材具有良好的可加工性，絕大多數(shù)冷加工過程均可直接采用普通的加工設(shè)備進(jìn)行加工，鈦材冷加工工藝基本上不存在問題。

目前，國(guó)內(nèi)外可用于制造壓力容器的鈦牌號(hào)很多，隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷增加，新的耐蝕、耐熱高強(qiáng)鈦合金也在不斷的研究開發(fā)之中。

3.2焊接技術(shù)

先進(jìn)的焊接結(jié)構(gòu)是降低材料消耗、減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量的有效途徑。鈦及鈦合金的焊接方法很多，如鎢極氳弧焊、熔化焊接、等離子弧焊、電子束焊等等。近年來，為適應(yīng)現(xiàn)代焊接產(chǎn)品不斷增長(zhǎng)的高功率、高精度、高可靠性和高效率的要求，各種新型焊接技術(shù)不斷出現(xiàn)，如高能束流焊接技術(shù)就是其中最有發(fā)展?jié)摿Φ暮附蛹夹g(shù)之一，它包括電子束焊、激光焊、復(fù)合束流焊接等方法，具有焊接速度快、焊縫質(zhì)量高及高效節(jié)能等許多優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)外已被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、核工業(yè)等高技術(shù)領(lǐng)域。如激光技術(shù)已用于焊接結(jié)構(gòu)件等，從而改善了焊接生產(chǎn)的工作環(huán)境，在一些發(fā)達(dá)國(guó)家，已用電子束焊接管道，其焊縫質(zhì)量高，勞動(dòng)生產(chǎn)率能提高2～10倍。此外，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家還在開發(fā)鈦的攪拌摩擦焊等新的焊接技術(shù)。

目前國(guó)內(nèi)在鈦產(chǎn)品焊接中使用最普遍的是鎢極氬弧焊(TIG)，除氬弧焊外，其它焊接方法如真空電子束焊、熔化極氬弧焊等工藝也可用于焊接鈦設(shè)備，但這些焊接方法使用很少。在國(guó)內(nèi)鈦設(shè)備制造過程中，幾乎95％以上的焊接工作是采用手工鎢極氬弧焊完成的。

3.3檢驗(yàn)

鈦設(shè)備檢驗(yàn)除了常規(guī)的X射線探傷、超聲波探傷、滲透探傷以外，還有鐵離子污染試驗(yàn)、氨滲透檢驗(yàn)、肥皂泡檢漏等。純鈦設(shè)備的檢驗(yàn)用x射線探傷、滲透探傷、壓力試驗(yàn)等手段可以保證鈦設(shè)備的制造質(zhì)量。復(fù)合板設(shè)備所需要的檢驗(yàn)方法要復(fù)雜一些，檢驗(yàn)復(fù)合板焊縫的方法可以采用滲透探傷、肥皂泡檢漏、氦質(zhì)譜檢漏等措施。對(duì)于鈦襯里設(shè)備，焊前或者過程檢驗(yàn)十分重要。

4、我國(guó)鈦設(shè)備制造中存在的問題和對(duì)策

4.1鈦設(shè)備制造自動(dòng)化水平

我國(guó)鈦設(shè)備制造技術(shù)與發(fā)達(dá)國(guó)家之間的另一重大差距是自動(dòng)化水平不高。國(guó)內(nèi)鈦設(shè)備專業(yè)廠的鈦的自動(dòng)切割、自動(dòng)焊接、數(shù)控鉆床等自動(dòng)化裝備還不能滿足專業(yè)化和大型化的要求。許多工業(yè)應(yīng)用的大型設(shè)備，必須依靠機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)工藝來實(shí)現(xiàn)。因此，我們應(yīng)加強(qiáng)技術(shù)開發(fā)力度，努力提高生產(chǎn)效率，提高設(shè)備制造的自動(dòng)化水平，從而提高鈦設(shè)備的質(zhì)量。

4.2鈦設(shè)備焊接水平

近年來，國(guó)外焊接技術(shù)水平發(fā)展很快，新型焊接設(shè)備、焊接技術(shù)不斷涌現(xiàn)。設(shè)備的焊縫質(zhì)量及勞動(dòng)生產(chǎn)率大幅提高。而我國(guó)鈦設(shè)備制造企業(yè)在這方面存在明顯不足，我們應(yīng)該不斷的開發(fā)和應(yīng)用新型焊接設(shè)備，小與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距。

4.3鈦設(shè)備制造企業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境水平

鈦是一種活性金屬，容易受到鐵離子、灰塵及其它污染物的污染。因此，鈦設(shè)備的生產(chǎn)要在潔凈廠房?jī)?nèi)進(jìn)行。我國(guó)鈦設(shè)備企業(yè)雖然有了相對(duì)隔離的潔凈廠房，但在廠房?jī)?nèi)的清潔程度、鐵污染的控制、專門成形設(shè)備和工具等方面與國(guó)外廠家仍有一定差距。國(guó)內(nèi)鈦設(shè)備專業(yè)廠家的廠房高度、起吊重量還不能滿足大型化的要求，普遍存在著鋼結(jié)構(gòu)和鈦部件同時(shí)施工等不合理的現(xiàn)象，這有可能對(duì)鈦設(shè)備的質(zhì)量產(chǎn)生影響。

4.4鈦設(shè)備的推廣應(yīng)用及產(chǎn)品系列化

目前國(guó)內(nèi)許多企業(yè)在使用鈦設(shè)備時(shí)，多考慮設(shè)備的一次性投資較高，因而，與國(guó)外企業(yè)相比，選用鈦材較少。我國(guó)企業(yè)應(yīng)借鑒美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)，從壽命周期、強(qiáng)度等方面綜合分析，選用鈦材應(yīng)是十分理想的。因此，國(guó)內(nèi)鈦設(shè)備企業(yè)應(yīng)大力宣傳、推廣鈦設(shè)備的應(yīng)用，開發(fā)市場(chǎng)、推廣技術(shù)、擴(kuò)大應(yīng)用。

我國(guó)許多鈦壓力容器、換熱器、泵、閥、風(fēng)機(jī)等已經(jīng)廣泛應(yīng)用，但沒有形成專門的產(chǎn)品系列。因此，要針對(duì)市場(chǎng)需求，加強(qiáng)鈦產(chǎn)品系列的標(biāo)準(zhǔn)化工作，提供相應(yīng)的各種系列的鈦產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)References

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