隨著石化工業(yè)的發(fā)展?設(shè)備結(jié)構(gòu)材料有向高級耐蝕金屬發(fā)展的趨勢?而鈦材是其中的佼佼者。雖然大部分鈦設(shè)備使用良好?但仍暴露了一些問題。這大多與設(shè)計(jì)有關(guān)?也與制作、維護(hù)和管理等有關(guān)。早年我國由于缺少鈦設(shè)備設(shè)計(jì)制造及檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)?需用時往往參考ASTMJIS等有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)?同時還借鑒了美國阿莫柯、德國魯奇等公司有關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。上世紀(jì)80年代國家大力倡議鈦在民用工業(yè)推廣應(yīng)用?我國自己的鈦設(shè)備設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范也陸續(xù)產(chǎn)生。如全國化工設(shè)備設(shè)計(jì)技術(shù)中心站主編的《鈦制設(shè)備設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》（CD130A8—87）、《鈦制設(shè)備技術(shù)條件》（CD130A9—87）?近年來還頒布布了JB/T4745—2002《鈦制焊接容器》?目前《鈦制壓力容器》國家標(biāo)準(zhǔn)也已問世。本文主要就石化鈦設(shè)備設(shè)計(jì)制造中有關(guān)經(jīng)濟(jì)性與可靠性問題?借助正反面實(shí)例進(jìn)行討論。

1、選用鈦材的經(jīng)濟(jì)性

石化企業(yè)選用鈦材?除考慮耐蝕性與使用可靠性外?更應(yīng)注重投資的經(jīng)濟(jì)性。因?yàn)槭髽I(yè)決策者對采用鈦設(shè)備一次性投資較高看法不盡一致。

（1）對石化生產(chǎn)較強(qiáng)的工藝環(huán)境?只有用鈦材才耐腐蝕?當(dāng)然沒有爭議。如全循環(huán)改良C法尿素合成塔（190~200℃?24.5MPa?72％轉(zhuǎn)化率）只能用鈦材?因?yàn)?16L（尿素級）只能用于CO2汽提法尿素生產(chǎn)（180~185℃14MPa?58％轉(zhuǎn)化率）；又如PTA氧化反應(yīng)器（190℃?1MPa?含B—ｒ醋酸）唯有鈦材能勝任?316L、317L會產(chǎn)生嚴(yán)重點(diǎn)蝕無法應(yīng)用；再如乙烯氧化制乙醛的換熱器在含氯化銅氯化鈀的鹽酸中只有鈦材可作結(jié)構(gòu)材料；濕氯冷卻器也只有用鈦較佳。

（2）某些生產(chǎn)環(huán)境?幾種材料均可選用?則要作經(jīng)濟(jì)分析。首先應(yīng)考慮鈦的耐蝕性好?使用壽命長；其次鈦的強(qiáng)度／比重高?在設(shè)計(jì)制造同規(guī)格設(shè)備時與傳統(tǒng)材料比?費(fèi)用相對較低；此外設(shè)計(jì)時一般不考慮腐蝕裕量（根據(jù)介質(zhì)的腐蝕性有時應(yīng)加<1mm的裕量）?設(shè)備的壁厚可減簿；鈦管不易結(jié)垢?表面具有滴狀冷凝特性?又可采用較高流速?且由于壁簿換熱效率不低于銅管?生產(chǎn)運(yùn)用費(fèi)用較低。另外考慮可減少維修與停車損失?提高產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量等?通過權(quán)衡利弊?綜合評估?選用鈦材是合理的。如海水冷卻器?可用鈦也可用雙相不銹鋼?上海石化（以下稱SPC）30余臺采用鈦?僅少數(shù)采用雙相鋼。又如PVA醋酸提濃塔?原用脫氧銅?SPC改用254SMO鋼?川維等維綸廠改用鈦材?這里如考慮254SMO需進(jìn)口?而鈦材可用國產(chǎn)?比起來選用鈦較經(jīng)濟(jì)。SPC醋酸裝置脫水塔原用316L后改用904L?中段因高溫甲乙混酸腐蝕嚴(yán)重多次更新。雖然有關(guān)單位根據(jù)該塔中段使用TA2?TA10塔板很好?多次建議改用鈦材?但廠方堅(jiān)持用904L?由于腐蝕率達(dá)1mm／A?4~5年需更新?為此被迫改變工藝?從常壓改負(fù)壓?以降低工藝溫度來減緩腐蝕?實(shí)際上得不償失。又如儀征化纖PTA裝置換熱器引進(jìn)時采用904L?國產(chǎn)化應(yīng)改用鈦材?鈦耐蝕性與相對經(jīng)濟(jì)性均優(yōu)于904L（鈦比重相當(dāng)于904L的57％）。

2、材質(zhì)要求與品種適用性

鈦與鈦合金納入GB的有20余種?納入ASTM的有30余種?而實(shí)際能滿足石化設(shè)備應(yīng)用的僅有工業(yè)純鈦GBTA0、TA1、TA2、TA34種?相當(dāng)于ASTMGr1、Gr2、Gr3、Gr4?耐蝕鈦合金TA9或Gr7（Ti-0.15~0.2Pd）與TA10或Gr12（Ti-0.3ＭO-0.8Ni）2種。

高強(qiáng)鈦合金TC4或Gr5（Ti-6Al-4V）、Gr9（Ti-3Al-2.5V）2種。這都要根據(jù)設(shè)備使用條件與加工要求來選擇?一般根據(jù)資料與同類設(shè)備使用經(jīng)驗(yàn)作參比。

但對新工藝介質(zhì)應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)?現(xiàn)場掛片與實(shí)物小試來確定。對用于石化壓力容器鈦材化學(xué)成分與機(jī)械性能應(yīng)根據(jù)GB／Ｔ3620?GB／Ｔ3625規(guī)定?并應(yīng)在退火態(tài)使用。

工業(yè)純鈦?Ti99％以上?耐氯化物及各類氧化性介質(zhì)?耐含氧化劑的還原性酸腐蝕?不宜在還原性條件下使用?最高使用溫度為230℃?其中TA0?TA1用于要求較高塑性?沖壓、襯里的筒體?封頭與板式換熱器；TA2綜合機(jī)械性能好?作換熱器管板復(fù)層?換熱管?整體容器；TA3?較高強(qiáng)度?塑性較差?作耐摩擦部件、攪拌器、軸與緊固件。

TA9、TA10耐氧化性介質(zhì)?及用于弱還原性或波動于氧化性和還原性之間介質(zhì)?主要用于抗縫隙腐蝕場合。TA9最高使用溫度230℃?TA10強(qiáng)度較TA9高?最高使用溫度350℃。

TC4、Gr9?可熱處理強(qiáng)化?耐蝕性稍次于工業(yè)純鈦?可作承受較高應(yīng)力或要求比強(qiáng)度高又需要一定耐蝕性零部件?如閥、泵葉輪、緊固件、鍛件。后者比前者強(qiáng)度低?但塑性較高?綜合性能更優(yōu)?最高使用溫度為400℃。

為保證鈦設(shè)備安全運(yùn)行?對鈦中特殊元素有一定限制?對于在可能使鈦從純態(tài)轉(zhuǎn)為活化的環(huán)境中?即從抗焊縫選擇性腐蝕與抗氫脆綜合考慮?所用鈦材的鐵含量應(yīng)<0.05％；為防止氫脆、鈦中氫含量應(yīng)<0.015％?對于有壓力劇變、轉(zhuǎn)動與摩擦的部件?鈦中氫含量應(yīng)<0.01％；對于低溫下使用的鈦材?要求其間隙元素總含量應(yīng)<0.30％。

3、鈦容器結(jié)構(gòu)選擇[1］

鈦制化工容器可采用全鈦?鈦鋼復(fù)合與鈦襯里三種結(jié)構(gòu)。不同結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)比較?應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)溫度與壓力?在確定容器直徑及最大容積所要求的壁厚以后?才能估算最合理材料與制作費(fèi)用?并作出比較。

3.1全鈦結(jié)構(gòu)

從經(jīng)濟(jì)性考慮?全鈦結(jié)構(gòu)容器較少采用。其最高設(shè)計(jì)溫度為300℃?但《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》要求對工業(yè)純鈦不高于230℃?而CD130A8-87要求不超過150℃。一般設(shè)計(jì)壓力應(yīng)<0.5MPa?全鈦結(jié)構(gòu)容器壁厚應(yīng)在3~12mm?可承受真空與熱循環(huán)。應(yīng)保證焊縫正反面及熱影響區(qū)受到惰性氣體保護(hù)?采用連續(xù)全焊透結(jié)構(gòu)?焊縫應(yīng)避免處于受力最大處。采用外部環(huán)狀加強(qiáng)承受壓力設(shè)計(jì)?常可減輕鈦材費(fèi)用。

如SPCPTA裝置母液罐?φ3700mm×2750mm?容積38ｍ3?內(nèi)裝含醋酸的TA?112℃?大氣壓?采用日本TP35（相當(dāng)于TA1）鈦板焊制。又如SPC滌綸廠1985年對脫水塔技改?由于下塔體在125℃含CL—醋酸侵蝕下?317L發(fā)生嚴(yán)重點(diǎn)蝕與焊縫腐蝕。為此由四聯(lián)鈦公司設(shè)計(jì)?廣重廠制作?用11mm厚的TA2板制作了φ2400mm×1500mm的下塔體與上部316L塔體法蘭連接。采用全鈦結(jié)構(gòu)?雖然費(fèi)用昂貴?但比襯里更具有可靠性。

3.2鈦鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)

鈦鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于較高壓力、規(guī)格較大的反應(yīng)器與塔器設(shè)計(jì)。一般如全鈦設(shè)備計(jì)算壁厚＞13mm時才可采用。如壁厚超過20mm時?采用鈦鋼復(fù)合最為合理?一般可降低50％成本。鈦復(fù)層厚度常為2~4mm。最高設(shè)計(jì)溫度達(dá)350℃?比全鈦與襯里結(jié)構(gòu)不僅提高了使用溫度?而且具有更高的結(jié)合強(qiáng)度與承受壓力能力?所以復(fù)合結(jié)構(gòu)從經(jīng)濟(jì)性與可靠性綜合評價是最優(yōu)選擇。該結(jié)構(gòu)可用作承受真空與要求良好熱傳導(dǎo)的容器。它要求絕對避免腐蝕介質(zhì)泄漏至基層?制造程序較復(fù)雜。以SPCPTA氧化反應(yīng)器為例?先把復(fù)合板冷卷成形?焊接碳鋼部分為單面焊、第一道采用TiＧ?其余可用電弧焊?全部碳鋼焊完后經(jīng)無損探傷合格在惰性氣體保護(hù)下退火?以消除殘余應(yīng)力?然后對鈦復(fù)層拋光?把鈦半圓管用TiＧ角焊于鈦復(fù)層兩側(cè)（見圖1）?半圓管角焊剛性較好?不易變形?較加平蓋板搭接焊好。正對鈦半圓管的碳鋼焊接接頭部必須開檢漏孔（φ6mm）。

其作用有三?一是在鈦半圓管角焊時背部通氬氣保護(hù)?二是焊后可對焊縫進(jìn)行檢漏?三是設(shè)備運(yùn)行時可及時發(fā)現(xiàn)泄漏部位。由于半圓管形成空間用擋塊分隔成不同區(qū)域?這樣可由多個檢漏孔通過管線導(dǎo)入觀察瓶中監(jiān)察。如瓶中液體變色可判斷反應(yīng)器運(yùn)行時泄漏。該反應(yīng)器曾因緊固件掉下底部?造成攪拌器刮傷凸起的鈦焊縫引起泄漏。通過上述辦法監(jiān)測到泄漏部位而及時安排停車檢修。

SPCPTA裝置引進(jìn)時共有8臺鈦容器?其中6臺采用鈦鋼復(fù)合。如氧化反應(yīng)器?φ4000mm／φ5300mm×24000mm?505ｍ3?上部SB49（29mm）＋TP28Pd復(fù)合（3mm）?下部SB49（36mm）＋TP28復(fù)合（3mm）?攪拌器與軸SFA45＋TP49包復(fù)。其它還有加氫反應(yīng)器、蒸餾塔下部、漿料罐、溶解器與第二薄膜蒸發(fā)器均用鈦鋼復(fù)合。該裝置1998年還采用SB265Gr2鈦復(fù)合板取代嚴(yán)重腐蝕的304L制作了2臺吸附塔?規(guī)格為φ4200mm×9700mm?由SPC機(jī)械制造公司制造。但至2005年檢修發(fā)現(xiàn)B臺底封頭環(huán)焊縫開裂泄漏?可能是焊接缺陷造成?經(jīng)修補(bǔ)投用。據(jù)悉燕山石化PTA鈦反應(yīng)器曾發(fā)生炸壞?由寶雞902廠新制了一臺。

3.3鈦襯里結(jié)構(gòu)

鈦襯里結(jié)構(gòu)最高設(shè)計(jì)溫度為250℃?而CD130A8-87規(guī)定應(yīng)低于205℃?但實(shí)際常用于130℃以下?一般設(shè)計(jì)壓力應(yīng)≤1.5MPa?但也有例外。最好應(yīng)用于不發(fā)生壓力突降或溫度劇變和載荷頻變的場合?無內(nèi)外熱交換及不承受真空的場合。鈦襯層厚度約1~3mm。鈦襯里比不銹鋼襯里復(fù)雜?由于鈦與鋼不能焊接?兩者固定只能采用爆炸焊、釬焊與機(jī)械法等?其中機(jī)械法是采用鈦螺釘將襯層緊固再用鈦蓋板焊死。對襯層鈦與鈦之間應(yīng)采用全周焊接避免縫隙與死角。這種局部連接法襯里在溫度較高時會在連接點(diǎn)產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力?有可能導(dǎo)致襯層破壞。鈦襯里與復(fù)層結(jié)構(gòu)一樣?焊接應(yīng)確保焊縫完整性?避免鈦鋼互溶?應(yīng)設(shè)檢漏孔?TiＧ焊接時可通入氬氣從背部保護(hù)?還可排除夾層中空氣?焊后可用液壓或氣密試驗(yàn)檢漏。否則由于背部無法用氬氣保護(hù)?焊縫質(zhì)量很難保證?設(shè)備運(yùn)行時造成焊縫泄漏?使腐蝕介質(zhì)侵入夾層?引起穿孔。如早年岳陽化工滌綸鈦襯里氧化塔失效就是教訓(xùn)。

SPCPTA循環(huán)醋酸罐?φ5500mm×6270mm?容積170ｍ3?用于170℃?大氣壓條件下?殼體采用SS41＋TP35襯里?頭部采用SM41B＋TP28復(fù)合?由于焊接與制作質(zhì)量很好?從投產(chǎn)至今20余年一直使用良好。而寶鋼煤氣精制廠脫硫高壓反應(yīng)塔系內(nèi)徑為1.3ｍ多層卷板襯鈦壓力容器、碳鋼（12mm）＋鈦（3mm）?工作溫度273℃?壓力7.3MPa。投產(chǎn)多年?多次泄漏穿孔?介質(zhì)外噴。據(jù)報道泄漏大多由焊縫缺陷引起?由于塔內(nèi)壁受沖刷?使鈦焊縫皮下缺陷露頭而致含硫酸與硫氰酸介質(zhì)滲入鈦鋼夾層?引起鋼電偶腐蝕與鈦氫脆。四川化工廠與齊魯石化第二化肥廠從日本引進(jìn)的襯鈦尿素合成塔?操作條件為200℃、24.5MPa?分別經(jīng)4年與7年發(fā)生失效。主要是由于焊縫開裂導(dǎo)致尿素反應(yīng)物滲入夾層?也造成電偶腐蝕與鈦氫脆。因此對鈦襯里容器應(yīng)確保鈦焊接質(zhì)量?絕對避免腐蝕介質(zhì)泄漏至鈦鋼夾層?否則會造成災(zāi)難性事故。

4、鈦熱交換器管板結(jié)構(gòu)選擇[2］

鈦?zhàn)畛跤糜跒I海電廠凝汽器?僅按清潔海水條件設(shè)計(jì)?而石化用的鈦換熱器則應(yīng)考慮可能最惡劣的工況與結(jié)污因素。結(jié)污對導(dǎo)熱有重要影響?設(shè)計(jì)時應(yīng)考慮有一定的過剩換熱面積?以滿足技術(shù)要求。如實(shí)際工況鈦管表面能抗結(jié)污?則并不需要增多鈦管根數(shù)。鈦實(shí)際上免于腐蝕、設(shè)計(jì)時應(yīng)舍棄腐蝕裕量?否則會造成浪費(fèi)。如用于海水時可采用0.5~0.7mm薄壁鈦管?但對化工介質(zhì)宜采用1.4~1.6mm壁厚鈦管。由于焊接鈦管質(zhì)量保證?比采用無縫鈦管能節(jié)約投資。鈦制管殼式換熱器有異金屬整體、全鈦、鈦鋼復(fù)合與鈦襯里4種管板結(jié)構(gòu)?在設(shè)計(jì)選用中有關(guān)經(jīng)濟(jì)性與可靠性還有異議?分述如下。

4.1異金屬整體管板

主要用于濱海電廠凝汽器技改?以鈦管取代原B30或鋁黃銅管子?其最大優(yōu)點(diǎn)是保留設(shè)備的銅合金管板與鋼殼體?廠方僅用鈦管自行脹接?節(jié)約了投資。其缺點(diǎn)是銅管板與鈦管會產(chǎn)生電偶腐蝕。如SPC熱電廠4臺凝汽器相繼用鈦管取代銅管?在銅管板上雖采用環(huán)氧漆防腐?但仍發(fā)生沿鈦管口環(huán)狀蝕溝?后用高分子合金“冷焊”修補(bǔ)。此外鈦與銅熱脹系數(shù)不同?會造成鈦管在管孔處在熱循環(huán)作用下松弛而導(dǎo)致泄漏。為保證脹接密封可靠?應(yīng)在管孔部開雙槽較好。

4.2全鈦管板

用全鈦厚板作管板。既可在管程又可在殼程接觸腐蝕介質(zhì)?如對煉廠可適用于殼程走Ｈ2S-ＨCL-Ｈ2O油氣?管程走海水的冷卻器。對管板厚度不考慮腐蝕裕量?而主要考慮在使用溫度下鈦能承受許用應(yīng)力所必須的厚度。全鈦管板與鈦管連接允許比其他管板結(jié)構(gòu)有較多選擇。可以單用脹接或開槽脹接?雖均能密封?但易產(chǎn)生縫隙腐蝕?如再在管口密封焊?則能消除縫隙腐蝕?也可用強(qiáng)度焊可防止在較大軸向應(yīng)力下管子松弛。從可靠性觀點(diǎn)來看?全鈦管板是最好選擇?它沒有電偶腐蝕或由于熱脹系數(shù)不同而引起的管子松弛?可允許管板兩側(cè)有效的耐蝕性而有較長的使用壽命。但由于投資較高?而且制造與提供大型厚板或鍛件相對困難因此不常采用。

4.3鈦復(fù)層管板

鈦復(fù)層管板由基層鋼板與薄層鈦板經(jīng)爆炸復(fù)合而成。鈦復(fù)層厚度約為2~13mm。鈦管與管板連接形式影響復(fù)層的厚度?通常在管程面采用密封焊?為防止基層金屬稀釋到密封焊縫中?因而鈦復(fù)層必須足夠厚。但單用密封焊并不滿足要求?還應(yīng)在基板管孔中開2個寬3mm深0.3mm環(huán)形槽再脹接?以達(dá)到真正密封?脹度控制在3％~5％?欠脹不能保證密封?過脹易使鈦管開裂。鈦復(fù)層管板給予材料最優(yōu)選擇?以基層強(qiáng)度高的鋼承受壓力得到可靠性。且以鈦復(fù)層提供耐蝕性。因此對用于化工介質(zhì)且壓力較高的工況寧可選用鈦復(fù)合管板而不用鈦襯里管板結(jié)構(gòu)。如SPCPTA進(jìn)料預(yù)熱器?φ850mm×8000mm?工作溫度196~280℃?壓力7MPa?引進(jìn)時均采用SF50＋TP28復(fù)合管板。

鈦復(fù)層通常同鈦管密封焊?而基層也可以同鋼殼體焊接?這樣可以采用簡單又可靠的固定管板設(shè)計(jì)。但由于管束與殼體熱脹系數(shù)不一應(yīng)設(shè)膨脹節(jié)補(bǔ)償。復(fù)層管板采用脹焊與鈦管連接?不僅可獲得真正的密封防止泄漏?又防縫隙腐蝕?又防止熱循環(huán)松弛。由于設(shè)備的可靠性而避免重脹?因而獲得了較多應(yīng)用。但是復(fù)層管板上如有少量缺陷會導(dǎo)致焊接返修?較大缺陷如進(jìn)入基層?則不太容易修補(bǔ)。此外如密封焊縫有微細(xì)裂紋?造成腐蝕介質(zhì)滲入到夾層中?將使設(shè)備損壞。但只要加強(qiáng)檢驗(yàn)?保證管板與密封焊質(zhì)量?一般不會有什么問題。當(dāng)然僅采用脹接而未用密封焊?也會造成失效。如秦山核電站一臺由美引進(jìn)的凝汽器?鈦復(fù)合管板曾有幾個管口因海水滲入?不僅引起縫隙腐蝕?而且產(chǎn)生鈦／鋼電偶腐蝕及鈦吸氫。

4.4鈦襯里管板

鈦襯里管板由薄的鈦襯板與厚的鋼基板組成?基板厚度根據(jù)設(shè)計(jì)壓力而定。由于襯里不象復(fù)層管板兩者是分離的?僅通過襯板與鈦管密封焊及在基板管孔上開槽再脹接?還有鈦襯板通過銀焊或鈦螺絲壓緊的方法與管板連接。為防止密封焊時基板金屬稀釋引起焊接污染?應(yīng)考慮襯板有一定厚度?一般厚為5~6mm?對大直徑設(shè)備則應(yīng)為10~13mm。

另外應(yīng)考慮襯板的平整度?以保證脹焊后設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時的耐用性。為保證鈦襯里管板密封焊質(zhì)量應(yīng)在基板邊緣開檢漏孔?通過基板表面銑出的小溝槽連接各管孔?以便氬氣從小孔通入保護(hù)密封焊根部。該小孔也可成為如脹焊不當(dāng)引起泄漏的監(jiān)測孔。從制作程序來講?鈦襯里管板應(yīng)先脹接再密封焊?可避免因后脹接造成焊縫開裂?但如先脹接采用的潤滑劑會造成焊縫氣孔。也有人推薦?先定位脹?再密封焊后再強(qiáng)度脹。

鈦襯里管板結(jié)構(gòu)由于提供比復(fù)層與全鈦管板結(jié)構(gòu)較低的成本?因而被較多采用。尤其是用于壓力<1MPa的換熱器。例如SPCPTA鈦換熱器大多采用襯里管板?多為SM50B＋TP35襯或SF50＋TP35襯?計(jì)有氧化反應(yīng)器冷凝器2臺（φ2100mm×5750mm?φ1400mm×6000mm）、預(yù)熱器（φ700mm×3660mm）?清洗用醋酸加熱器（φ400mm×2440mm）?蒸餾塔再沸器（φ1750mm×2440mm）等。鈦襯里管板結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)是不宜用于真空?否則襯層容易凸起。此外經(jīng)脹接的鈦管如松弛引起泄漏難于定位?因而有必要在密封焊前作水壓試驗(yàn)。這對大設(shè)備相當(dāng)不利?因?yàn)閷ι锨Ц伖転橄孤┬柚匦旅浗印Ａ硪粋€維修問題是當(dāng)更換鈦管和當(dāng)現(xiàn)場重新密封焊時必須去除原有焊縫。SPCPTA反應(yīng)器冷凝器曾發(fā)生過由于含Bｒ—醋酸通過管板管口鈦焊縫細(xì)裂紋滲入到殼程冷凝水或蒸汽中?造成鋼基層與鋼殼體嚴(yán)重腐蝕減簿穿孔?雖然鈦管可利舊使用?但不得不更新設(shè)備。

5、鈦熱交換器振動破壞及對策[3?4］

對熱交換器由于鈦耐蝕性好?故可用薄壁鈦管?但其剛性比銅管小?往往產(chǎn)生振動。鈦換熱器有兩種振動破壞形式：一是支承板處鈦管振動疲勞切斷；另一是鈦管間振動碰撞破壞。經(jīng)調(diào)研振動破壞主要發(fā)生在換熱器殼程進(jìn)料管附近?大多由折流板管孔與管子偏差造成振動疲勞磨損引起。還發(fā)現(xiàn)支承板腐蝕使管孔擴(kuò)大也會引起振動破壞。發(fā)生振動破壞實(shí)例很多。如日本石油公司常頂換熱器鈦管經(jīng)7個月運(yùn)行?對應(yīng)折流板下鈦管有嚴(yán)重磨蝕?發(fā)現(xiàn)折流板管孔與鈦管外徑相差0.3mm?折流板徑與殼體內(nèi)徑相差1.9mm?從而造成塔頂油氣流對管束引起共振。SPC熱電廠凝汽器采用0.6mm厚無縫鈦管代替1.25mm厚鋁黃銅管?僅經(jīng)10個月使用有3根鈦管在折流板處振損斷裂。寶鋼電廠也發(fā)生過類似破壞。SPC乙烯裂解氣壓縮機(jī)三段出口冷卻器?使用1年也有2根鈦管在折流板處振動斷裂。大慶石化醋酸冷卻器因氣體進(jìn)口處未設(shè)擋板?曾造成20余根鈦管振動斷裂。遼陽化纖硝酸蒸餾塔再沸器經(jīng)4年運(yùn)行?有15根鈦管泄漏?是由于防沖檔板振落?撞擊管束產(chǎn)生交變應(yīng)力造成斷裂。

為防止鈦換熱器振動破壞?在設(shè)計(jì)時根據(jù)國外經(jīng)驗(yàn)?支承板間距應(yīng)按ASMＥ規(guī)定進(jìn)行校核?也可根據(jù)美西屋公司ＰｅAｋｅ公式核算?但過于復(fù)雜?而且不一定正確。如SPC熱電廠按ＰｅAｋｅ公式核算認(rèn)為安全沒有問題?但實(shí)際上仍發(fā)生振動破壞。根據(jù)日本實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)?認(rèn)為減小支承板間距最為有效?如對于外徑24.4mm壁厚1.245mm的黃銅管凝汽器?如用同樣外徑而壁厚為0.5mm的鈦管改造?則支承板間距約縮短20％可防止振動破壞。美TiＭＥＴ公司也認(rèn)為通過減小支承板間距以減少撓度比增加管子壁厚更有效。根據(jù)SPC經(jīng)驗(yàn)?對老設(shè)備可在鈦管束間插竹片以防止管間碰撞而得以解決；對新設(shè)備可適當(dāng)縮小支承板間距?并在鈦管與折流板管孔間裝四氟環(huán)防振。

6、鈦轉(zhuǎn)動機(jī)械與部件疲勞損壞分析[5］

對攪拌器、離心機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)葉輪與軸等鈦制機(jī)械及部件應(yīng)考慮疲勞或其他循環(huán)載荷?還應(yīng)考慮缺口敏感性與應(yīng)力集中。雖然目前工業(yè)純鈦及TA9?TA10等均有強(qiáng)度與塑性數(shù)據(jù)?但缺疲勞數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)時應(yīng)考慮安全系數(shù)?取決于設(shè)計(jì)精確性?服役環(huán)境和疲勞的嚴(yán)重性等。

SPC滌綸廠鈦復(fù)合的高溫洗滌器?曾發(fā)現(xiàn)在攪拌機(jī)機(jī)械密封法蘭面拼接的鈦焊縫受到松襯短管的縱向溫升應(yīng)力作用使焊縫疲勞開裂。主要是在開停車工況下鈦焊縫與鋼筒體熱脹系數(shù)不一造成的。后采取加強(qiáng)性襯套法蘭結(jié)構(gòu)修理?并對襯套加強(qiáng)法蘭焊接作了移位設(shè)計(jì)才得補(bǔ)救。

鈦轉(zhuǎn)動機(jī)械破裂通常起因于應(yīng)力集中?它嚴(yán)重減少材料的抗疲勞性能?其對策應(yīng)采用較寬大的半徑?逐漸縮減的截面?充分融合的焊接坡口?完全焊透的焊縫。由于焊縫金屬的設(shè)計(jì)應(yīng)力在疲勞載荷下比基體金屬小?因此焊縫應(yīng)遠(yuǎn)離臨界應(yīng)力區(qū)與截面變化部位?但在某些設(shè)備中這不切實(shí)際。當(dāng)焊縫必須用在截面變化時?焊接坡口應(yīng)仔細(xì)融合?避免咬邊?使焊縫韌性不致減少。未完全焊透的焊縫在焊根上總會造成很嚴(yán)重的缺口條件?以致產(chǎn)生應(yīng)力集中?會促進(jìn)鈦焊縫區(qū)域的脆斷。因此對鈦轉(zhuǎn)動機(jī)械及部件在設(shè)計(jì)階段應(yīng)盡可能使焊接減至最小。通過減少焊接?不僅可降低制作成本?而且可減少疲勞破壞的可能性。在制作階段焊接應(yīng)保證完全焊透?無論如何應(yīng)能得到良好融合的表面外型?這不僅有助于改進(jìn)抗疲勞性能?也有利于維修。未完全焊透的部件?不僅在運(yùn)行中會遭受開裂?而且物料會滲入到焊根部?以致在維修補(bǔ)焊時這些缺陷必須從焊根部徹底清除?才能得到合格質(zhì)量?但有時簡直不可能； 而完全焊透的焊縫?只要研磨去除全部裂紋?重焊修補(bǔ)?質(zhì)量可得到保證。

7、鈦設(shè)備縫隙腐蝕?氫脆與沖蝕對策

7.1鈦縫隙腐蝕對策

對易產(chǎn)生縫隙腐蝕的部位如密封面?換熱器脹接管口?塔盤與塔體接觸部件與塔內(nèi)緊固件應(yīng)采用TA9、TA10等耐蝕合金。根據(jù)阿莫柯與魯奇公司規(guī)范?鈦設(shè)備密封面均采用Ti-0.15~0.20Pd合金。如SPCPTA氧化反應(yīng)器上塔體因接觸塔板采用TP28Pd?所有法蘭密封面也采用TP28Pd?該裝置至今未發(fā)生鈦縫隙腐蝕。SPC乙醛裝置引進(jìn)的催化劑再生器頂蓋原用Ti-0.2Pd?用了8年后設(shè)備更新?頂蓋及法蘭面因TA9缺貨?用TA2襯層代替?經(jīng)1年后發(fā)生嚴(yán)重縫隙腐蝕?后換成TA10襯層后良好。為節(jié)約也可局部涂鍍Pd?也可進(jìn)行PdO／TiO2涂復(fù)。對法蘭密封面在高溫強(qiáng)腐蝕條件下?如乙醛裝置采用Ti-0.2Pd制的菱狀墊?PTA裝置則采用鈦／增強(qiáng)四氟乙烯纏繞墊?兩者一直使用很好。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)避免出現(xiàn)縫隙與滯流區(qū)?如換熱器管板與管子采用脹接加密封焊結(jié)構(gòu)較單純脹接好。早在70年代國內(nèi)氯堿廠鈦制濕氯冷卻器因采用脹接?在氯氣進(jìn)口端管板多發(fā)生嚴(yán)重縫隙腐蝕?后新制鈦冷卻器均用脹焊結(jié)合消除管口縫隙而解決問題。

7.2鈦氫脆對策

對處于氫分壓環(huán)境?至少要含有2％H2O?且溫度<315℃?可選用含F(xiàn)e量少的工業(yè)純鈦?如PTA加氫反應(yīng)器曾多年使用鈦復(fù)合基本良好。最好經(jīng)預(yù)氧化處理?據(jù)報道日本尿素塔鈦襯層經(jīng)熱氧化處理。

對臨氫環(huán)境避免使用Ti-0.2Pd或Ti-0.3ＭO-0.8Ni合金。對高溫還原性環(huán)境（如熔融尿素?含醋酐醋酸）?由全面腐蝕的陰極反應(yīng)產(chǎn)生的Ｈ＋會在鈦表面積聚而吸氫?如介質(zhì)pH<3或＞12?以及溫度＞77℃?應(yīng)避免選用鈦或采取加氧化劑等防護(hù)措施。

對鈦制海水冷卻器?為保護(hù)銅管板與封頭進(jìn)行陰極保護(hù)?應(yīng)選擇合適電位?避免過保護(hù)而產(chǎn)生氫脆。

SPC鈦海水冷卻器由于采用鋅基與鑄鋼作犧牲陽極?曾引起多臺設(shè)備鈦管口焊縫開裂。為防止腐蝕反應(yīng)產(chǎn)生的吸氫致脆?雖可采用Ti-0.2Pd或Ti-0.3ＭO-0.8Ni合金防止腐蝕?但一旦發(fā)生局部腐蝕?則氫脆的破壞程度可能比工業(yè)純鈦還嚴(yán)重?如SPC醋酸塔采用TA10的緊固件比TA2的腐蝕氫脆重。

7.3鈦沖蝕對策

對某些高流速與流速突變的工況?鈦設(shè)備易產(chǎn)生沖蝕。腐蝕介質(zhì)的流速應(yīng)低于臨界流速以避免沖蝕?當(dāng)流速超過6ｍ／S時?應(yīng)設(shè)防沖檔板。SPCPTA漿料罐（φ6500mm×5000mm）?從1980至2003年使用正常?但經(jīng)增量改造產(chǎn)量從225ｋｔ／A擴(kuò)大到400ｋｔ／A后?因從反應(yīng)器生成的TA漿料連續(xù)排放到該罐的流量大大增加?2004年發(fā)現(xiàn)進(jìn)料處防沖檔板沖下罐底?造成攪拌漿刮傷凸起的鈦焊縫?含醋酸的漿料（112℃）滲入夾層?使鋼殼多處穿孔泄漏?經(jīng)修復(fù)?2006年檔板又被沖下?再次造成失效。因此應(yīng)根據(jù)流量與流速?對防沖檔板采取特別加固設(shè)計(jì)。

根據(jù)大連某廠采用TC4泵葉輪長期用于海水的成功經(jīng)驗(yàn)?SPC也由沈陽某廠澆鑄一只大型TC4泵葉輪用于金山衛(wèi)海水?卻發(fā)現(xiàn)早期失效?究其原因是因大量泥砂的海水比清潔海水對鈦葉輪沖蝕嚴(yán)重。秦山核電站由于過濾器失效?含貝殼的海水沖擊某臺凝汽器?造成進(jìn)口鈦管端部渦流磨耗穿孔。根據(jù)中石化SＨ／Ｔ3096—2001要求常減壓空冷器與換熱器 入口管端為防止渦流沖蝕可設(shè)置300~600mm長鈦襯管?SPC在常頂油氣換熱器因沖蝕嚴(yán)重在新制設(shè)備時在08Cｒ2AlＭO鋼管口鑲襯鈦管套?經(jīng)使用1年發(fā)現(xiàn)有若干根管子穿孔?腐蝕發(fā)生在鈦管套與鋼管結(jié)合部?因有1~2mm落差造成渦流坑蝕?此外鈦／鋼電偶腐蝕也是因素之一?同時也應(yīng)考慮鈦鋼兩者熱脹系數(shù)不一?用于高溫（＞150℃）容易松動?根據(jù)兄弟廠經(jīng)驗(yàn)鑲襯鈦套管應(yīng)采用耐溫防腐膠與鋼管粘結(jié)。

參考文獻(xiàn)

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