钛材及钛制容器的结构设计和制造.pdf

设 计技 术 石油 化工 设 计 Pe t r o c h e mi c a l De s i g n 钛材及钛制容器的结构设计和制造 李胜利，陈 昊(中国石化工程建设公 司，北京 1 0 0 1 0 1)摘要：文章介 绍 了钛材 的特点，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。关键 词 i 钛；钛合金；性 能；选择；容器；结构设计；制造 钛材及其合金作为较好 的耐蚀 材料，在含有 C】一、B r 一、醋酸、硫酸、硝酸等腐蚀性介质 的化工装 置中，其应用范 围不 断扩大，如近十 年中，不断扩 大规模建设 的醋酸装 置、P T A装 置 中都 有大量设 备采用钛及其合金。1 钛的主要特点及设计、制造 中需注意的问题 钛及其合金材料与碳钢、不锈钢等材料相 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。钛具有较好 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(在一定浓度和温度下)、多数氧化性 的 酸及有机物都具有抗腐蚀性。钛具有 良好 的机械性能，钛及钛合 金的室温 抗拉强度均大于 2 8 0 M P a，有些 高强合金 的极限抗 拉强度可以达到高强钢水平。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 4 0 O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。钛的熔点较高，通常为 1 6 5 01 7 0 4，比碳钢 约高 1 3 0，比不锈钢约高 2 4 0，而导热 系数又 较低，比碳钢低 3 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，只可采用粘接、钎焊、爆 炸焊 接、螺栓连接，而不能采用直接焊接。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。钛材的弹性模量较低，为 1 0 8 5 0 k g(f)，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。钛材的线膨胀系数为 8 5 x 1 0 (1 )，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。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 45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 收稿 日期：2 0 0 8 0 4 一O 1。作者简介i 李胜利(1 9 6 7)，男，河北唐山人。1 9 9 1 年 毕业于大连理工大学化工设备与机械专业，获工学学 士学位，高级工程师。现从事石油化工设备的设计工 作，已发表论 文 1 篇。联 系电话：[phone] 维普资讯 http:/ 石 油 化 工 设 计 第 2 5 卷 管间隙要比不锈钢小。钛具有明显的 回弹性，其 回弹能力是不锈钢 冷成型时的 23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。成 型后应进行热处理。钛及其合金 的抗拉强度随温度升高降低较快，当温度达到 2 5 0 c I=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 1 5 0 c I=时，应考虑使用衬钛或用钛复合板而不用纯钛。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(女 T i 一0 1 50 2 0 P d，T i 一0 3 Mo 一0 8 N)作为法兰密封面 的材料，并应避免在法兰密封面 等缝隙处出现焊缝。工业纯钛的塑性 随温度 变化成非线性 变化，由室温到 2 0 0 c I=时，钛的相对延伸率增加，由 2 0 0 c I=到 5 0 0 c I=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 3 5 0 c I=。我国 钛制焊接容器(J B T 4 7 4 5 2 0 0 2)中规定的限制使用温度是：变形钛及钛合金 3 0 0 c I=；钛复合板 3 5 0 c I=。A S M E规范：变形钛及钛 合金 3 1 5 c I=。J t S 规范：变形钛及钛合金 3 5 0 c I=。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。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。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。切割钛材一般用水切割机，在水下进行。2 钛及其合金的合理选择 选用钛材作为耐蚀材料时，必须注意以下几点：(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 T i 一5 T a 合金。(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 9 0 c I=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 T i 一0 2 P d合金。(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。(4)钛不受潮湿氯气(含 1 以上的水分)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 一2 5 3 9 3 c I=时，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。(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。(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。(7)虽然钛对于 p H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。3 钛制容器的结构设计 钛制容器有全钛、衬钛及其钛复合板设备。全钛设备：一般适用于壁厚较薄(笔者认为小 维普资讯 http:/ 第 2 5卷 李胜 利等 钛材及钛制 容器的结构设 计和制造 3 于等于 8 m m时可以使用)，用量不大 的容器，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 5 m m时，通常不开坡 口，不 留间隙，可不加填充 丝；板厚在 1 5 m m6 m m时，开 V坡 口，留 0 5 m m钝边；板厚 大于 6 m m时，开 V坡 口，钝 边间隙小 于 2 m m。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。衬钛设备：由于钛的价格较贵，工业纯钛在较 高温度下的强度较低，采用全钛所需 的钛 材厚度 较大，且厚度超过 2 5 ra m时其焊接质量不易保证。但 由于其线 膨胀 系数及 弹性模 量都较小，在操作 简体 f 复 筒 温度较高时，衬里极易产生变形，甚至发生破裂或 疲劳破坏，在设计时需要考虑的因素很多，且制造 质量不易保证，一般不采用衬里结构，而采用复合 板作为容器的主体材料。复合板设备：复合板 的复层和基层之 间有一 定的结合强度，所 以能够 承受 由它们之 间的膨胀 差引起 的热应 力和真空的吸引，应是设 计 中着重 考虑的方案。复合板容器 的使用 条件归纳如下：采用全钛 计算壁厚大 于 8 m m；要求设备具有好 的热 传递性 能或在真空下操作或设备在操作 中真空出现较频 繁时。壳体 的复层厚度 根据介质 的腐蚀性决定，一般取 2 4 m m。3 1 钛复合板容器接管衬里与简体的连接结构 在设计接管的衬里时应考虑到 由于壳体和接 管衬里的热膨胀量 的不 同而产生的应力，以及 在 水压试验时或在使用过程 中由于压力作用在接管 与简体交接处产生的局部峰值应力等。因此在设 计接管衬里与筒体 的连接结构 时，应使 内衬有一 定的相对运动余量。常用的连接结构见图 1。接管 接管内衬 接管 接管内衬：(复合膜)而 l 简体 f (a)(h)(c)图 1 接管衬里与简体的 3种连接结构 设计时如何选择最 佳结构，要结合 每种 结构 这种结构制造比较简单，但不能承受较大压力，一 的特点，具体分析。图 1(a)结构是 预先 压制一个 与筒体或封头开孔处 内面轮廓相吻合 的钛衬里过 渡段，这种结构的挠性较大，有利于消除 因壳体和 接管衬里的热膨胀量 的不 同而产生 的应 力，但 因 内衬过渡段为不规则的马鞍形而较难加 工，因此 一般应用于温度、压力较高的重要设备，能够保证 长期使用。这种马鞍形过度段衬里在成 型后应进 行消除应力热处理。图 1(b)、图 1(c)结构相似，是在接管衬里后，在衬里筒外面再套一个宽 5 0 ra m的半圆圈或半径 为 5 m m的半 圆环，然后将其 与简体 和衬筒焊 接。般 1 O M P a 以下的容器可以选用，但容易造成焊点 开裂，其使用温度也不宜超过 1 5 O。3 2 钛复合板容器简体对焊结构和丁字焊缝结构 图 2所示，是一种 常用的钛复合板焊缝 布置 结构，此部分结构 的设计和焊接是保证 钛钢复合 板制设备制造质量 的重要环节之一，其焊 接结 构 比较复杂，原 因在于：由于使用钛为容器 的材料，其内部介质势必带有 较强的腐 蚀性，而钛 的特点 决定了它不能 与其 它金 属直接焊接，所 以其结构 既要满足焊接密闭性，又要方便焊接，确保焊接质 量，还要能够方便检 查焊接质量。首先要在焊缝 维普资讯 http:/ 石 油 化 工 设 计 第 2 5卷 处将覆层 剥离掉宽 3 0 m m，内部用钛板或铜 板垫 平，上面加盖板覆盖，为 了方便 检测，根据容器规 格大小，将垫板分成若 干块，按 图示进行焊接，在 环焊缝 二 不按比例 银钎焊(间断焊)环、纵焊缝交叉处还要另加一块盖板，以确保密封 性，在垫板端部背面开设检查孔，通入气体进行检 查，很方便的确定本段内焊缝是否有泄露。纵焊缝(a)(b)一一 一 环焊缝信号 环 向垫板 BB 不按比例 钛覆盖板 银钎焊 环向钛贴条 钛复层 CC 图 2 焊缝结构 图 2中AA是本文推荐 的一种结构，使用 的 压力、温度范围广，结构平滑简单，易于制造；图 2 (a)是有些设计或制造单位选用的结构，这种结构 看似简单，能够减少制造单位的工作量，但由于其 盖板需要弯制，会产生应力，温度高时还会产生较 大的膨胀，盖板与覆层 之间的角焊缝 容易产 生裂 纹，导致容器腐蚀，此结构并不可取。图2(b)结构 是在焊缝处盖一半圆钛管，在压力、温度不高的情 况下，可以使用，有较好 的使用 经验(笔者使用此 结构的操作条件：压力小于等于 1 O M P a，温度小于 等于 1 2 0)。总之，各种结构的选用，要根据容器的使用条 件进行选用，总 的原则应该是：既然使用 了钛材，就说明了设备 的重要性，就要确保其质量能够满 足长周期使用。3 3 对换热管与管板胀接方法的分析 换热 管与管板 胀接 不论采用 贴胀 还是 强度 胀，其胀接方法归纳起来有机械胀、液压胀或液袋 胀、橡胶胀几种。对于钛管制换热器，机械胀对钛 管的胀接很不理想，液压或液袋胀对管 内受力 均 匀，应用较为广泛，而橡胶胀是最适合钛管胀接的 方法。在设计钛 管换 热器时，应 明确提 出管 子胀 接方法，即要求采用橡胶胀或液压(液袋)胀，而在 结构设计上特别是 强度胀 时，因钛材有 明显 的加 维普资讯 http:/ 第 2 5 卷 李胜利等 钛材及钛制容 器的结构设计 和制造 5 工硬化的特点，不应套用机械胀 的开槽 尺寸，应针 对液压胀或橡胶胀 的特点，另行设计开槽尺寸。4 钛钢复合板制容器的制造 本文将针对制造环节 中应特别关注的几个问 题介绍一些 国际上 某公司 的制作要求，并进行 分 析，这些制作要求 在国内 F r r A等装 置 中的钛 一钢 复合板设备中都有 实际应 用，大大提 高了设 备的 制作质量。4 1 防止污染确保制造环境的洁净 由于钛的活泼性，在整个 钛制设备 的制 造全 过程中，防止污染 问题应 引起 足够重视。对 于气 体如氧、氢等，应提 出具体要求，如焊接应规定采 用惰性气体保护焊，热处理应规定采用电加热炉，炉内应为弱氧化环境等；对于铁离子的污染，更应 提出严格规定。对于铁离子检验要求，应贯穿整 个制造过程，如制造环境、焊前、热处理前、水压试 验前等等钛表面都要通过铁离子检验。国内 J B T 4 7 4 5(钛制焊接容器 对污染 问题有所提及，但没 有给出具体要求。4 2 制造程序 钛复合板制设备 的制作过 程：首先进行基层 焊接，并进行射线探伤，合格后进行整体热处理(如需要)，接管处的钛衬筒成 型并进行热处理，对 于尺寸较大，无法通过人孔进 入容器 内部的钛衬 筒，应成型并消除应力热处理之后，在筒体与封头 焊接前放于筒体中。检测合格及热处理(如需要)之后进行水压试验，合格后 吹干容器，进行复层及 接管衬里的焊接，并对焊缝进行着色检验及 氦气 检漏，并以二分之一设计压力和 0 7 k g c m 2的小值 进行致密性压力试验，合格后再次进行水压试验，最后还要进行热气循 环试验 以及钛焊缝、法兰 密 封面的阳极化处理。热气循环试验的 目的是对复层及钛焊缝模拟 真实操作条件，作进一步检验，以进一步验证容器 制作质量。这是 因为对钛制容器不但要对其常温 下的性能进行检验，还有必要在高温下进行检验。因为通常的压力试验不能对设计温 度下钛层及钛 焊缝受拉伸热应力产生 的影 响进行 检验，所 以为 了检验钛钢复合板压力容器在设计 温度情况下不 出现上述问题，需要对钛钢 复合板压力容器进行 热气循环试验。阳极化处理的目的是在容易产生腐蚀 的表面 进行 阳极化处理，使其表面形成氧化膜，进一步增 强防腐蚀性能。J B T 4 7 4 5 钛制焊接容器 虽然没 有给出热气循 环及 阳极 化处理 的要求，但笔者认 为这是必要的。从上述制作过程 中不难 发现，某公 司对 于钛 复合板制设备 的检验、试验要求确实 比标准严格 得多，且有其合理性。首先，关于无损检验和热处 理，基层焊完后进行无损检测，可以及时发现焊接 缺陷，及 时补救，因为 容器 的强度是 由基层 承担 的，而复层焊接后，则无法实 现基层焊缝 的检验。消除应力热处理主要是针对基层材料，如 果在复 层焊接完成后 进行，由于钛在 高温下具有较 大的 活性，对焊缝的耐腐蚀性及 塑性均不利。其次，关 于各种检验、试验以及热气循环试验、阳极化处理 等，看似很 烦琐 的过程，但 对于腐蚀 性很 强的容 器，既然使 用 了钛这样 昂贵 的材料，多作 一些检 验、试验，来确保其长周期的使用寿命，是值得的。践 4 0 0 k t a聚丙烯装置工艺包在北京通过集团公司审查 2 0 0 8 年 3月 2 1日，由中国石化集团公司科技委副主任袁晴棠院士主持，股份公司科技开发部组织了对 4 0 0 k t 聚丙 烯装置工艺包的审查，并通过了总部专家鉴定。4 0 0 k t a 聚丙烯工艺包采用了中国石化具有 自主运作权的第二代环管聚丙烯成套技术，该工艺包采用有 自主知识产 权的 N型和 D Q型高效催化剂，双环管反应器加气相反应技术，可生产均聚、无规、抗冲共聚等产品，技术先进可靠、流程 合 理。S E I 消息)2 0 0 8 0 3 2 8 维普资讯 http:/