设计技术石油化工设计PetrochemicalDesign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，北京100101)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、Br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、PTA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280MPa，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40O℃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1650～1704℃，比碳钢约高130℃，比不锈钢约高240℃，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10850kg(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8．5x10(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，胀收稿日期：2008—04一O1。作者简介i李胜利(1967～)，男，河北唐山人。1991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：010—84877468维普资讯http://www.cqvip.com石油化工设计第25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。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250cI=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150cI=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ⅡTi一0．15—0．20Pd，Ti一0．3Mo一0．8N)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...
