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我国钛直管、钛焊管、钛合金管的发展、标准、展望

发布时间 :2019-01-05 10:39:07 浏览次数 :

随着我国工业技术发展及新技术的引进,管道的腐蚀问题是影响现代工业发展的一个极为严重的破坏因素,工矿化工等企业的管道腐蚀所引起跑、冒、滴、漏除影响着正常生产外,还降低了产品质量、污染环境、浪费能源及提高了安全隐患出现的几率,上述问题的长期存在严重阻碍了我国工业化发展进度。所以一种具备耐腐蚀、高强度、耐磨损、低成本、低污染及便于维护等特点的管道的出现势在必行。

钛及钛合金直缝焊管(以下简称“钛焊管”)由于具有强度高、重量轻,良好的热传递性和耐腐蚀性能,作为钢及不锈钢管道的替代产品应运而生,而大口径钛焊管在工业输送管道中的使用也得到市场的认可。虽然钛焊管与常用流体输送管道相比投资成本较高,但是其成本要低于钛无缝管约15%~25%,且从钛焊管的使用寿命和维护周期来分析,钛焊管的投资成本可以在使用中得到补偿,管道系统中使用钛焊管可通过减少定期维护次数,减少停产时间、提高产品质量,提高管道寿命来降低生产成本。

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时至今日,钛材已被广泛使用在化工、石油、石化、真空制盐、制药、海水淡化、电力等工业中。尤其是钛能较好地抵抗氯离子的侵蚀,所以,钛材使用在与氯相关的介质中较多,如离子膜法烧碱生产中已大量使用钛材制造设备、管道和管配件等。还有甲酸、醋酸、环氧丙烷等化工项目中均采用钛管道输送介质,以解决管道腐蚀问题,延长管道使用寿命[1]。而在钛管道中,钛焊管和钛无缝管的化学成分、力学性能和工艺性能基本一致[2],然而钛焊管在实际应用中却有着钛无缝管所没有的优势:钛焊管可实现大口径及超大口径流量的输送,另外钛焊管的经济性和适用性更易得到推广和使用。

钛焊管作为一种相对独特的钛管产品形式,是把钛板或钛卷带进行轧制成管形后采用钨极惰性气体保护焊将缝隙焊合而成的一种产品。由于其优异的耐腐蚀性能和较大的比强度,自开发出来后就引起了工业领域的广泛关注和使用。现在小口径钛焊管(公称尺寸DN100及以下)已用在各类冷凝器和热交换器中逐渐替代钛无缝管作为换热管的首选材料,而大口径钛焊管(公称尺寸DN100以上)也被广泛用作化工、石油、石化、制盐、制药和海洋工程等行业的工业管道。

一、我国钛焊管的发展历程

我国建国初期开始钛金属只用于军品工业,属于国家战略管控物资,直至70年代才在民用工业的化工领域中使用钛材,迄今已有四十多年的历史,钛作为一种优良的耐腐蚀结构材料,已经确立了它无可替代的地位,而作为化工输送腐蚀介质管道中的理想材料,钛焊管也愈来愈引起设备和管道设计人员的重视和使用。

1、钛焊管的工作情况

众所周知,钛焊管因其优异特性多用在具有腐蚀性的环境中,当带腐蚀性介质的液体流经钛焊管时,腐蚀介质会对焊管内壁进行微弱的冲刷腐蚀。随着介质及其浓度的不同,钛焊管受腐蚀程度也不同。一般情况下,相同介质下高浓度介质的腐蚀速率大于低浓度,沸腾时介质的腐蚀速率大于室温时,含卤素介质的腐蚀速率大于其它盐溶液,相同壁厚、相同介质下内壁承载压力高的钛材腐蚀速率大于内壁承载压力低的钛材。

因此,钛焊管的寿命长短主要取决于与之接触的腐蚀性介质、使用环境及承载压力。

2、钛焊管的发展过程

由于受到原材料和加工技术等多方面的制约,钛焊管的生产技术多年来一直掌握在日本、美国、法国、俄罗斯等少数一些国家的专业厂家手中[3]。所以中国的钛焊管相对于其它的钛加工产品起步较晚,且前期发展比较缓慢,直接影响了钛焊管产品的标准化形成,所以目前为止,钛焊管的国家标准尚不完善。

我国从80年代起开始研制钛焊接管1985年原宝鸡有色金属加工厂(现在的宝钛集团有限公司)从美国引进中国第一条完整的小口径钛焊管自动生产线,结束了我国不能生产钛焊管的历史。但由于当时国内不能够生产钛焊管的原料产品――钛带卷,因技术引进消化和原料采购困难的多重影响,一直到上世纪九十年代末,该生产线才真正具备生产能力,年产能仅有200吨左右[4]。

90年代中期,我国常州与法国Valtimet(法钛美)公司合资组建了法力诺长城焊管有限公司,引进了3条小口径焊管生产线,生产钛焊管。但还是受国内钛卷带生产技术不过关因素的影响,前期原料大多为日本、美国进口。受质量和产量的限制,当时国内的钛焊管市场仍未真正形成。

直至2005年,宝钛集团控股的宝鸡钛业股份有限公司发起和常州法力诺长城焊管有限公司、法国Valtimet(法钛美)公司、美国Timet公司共同出资组建西安宝钛美特法力诺焊管有限公司,由法国提供技术支持,建成两条具有国际先进水平,年产能初步设计为600吨的全自动小口径钛焊管生产线,并由美国提供原料供应[5]。自2007年正式投产后,作为中国最大的钛焊管专业生产厂家,借助股东的资源优势和技术支持,公司成长迅速,产品受到了市场的认可和用户的好评,使得中国的钛焊管生产技术水品有了很大的上升。

2011年,随着国内钛带生产技术的突破,西安宝钛美特法力诺焊管有限公司采用宝钛集团生产的冷轧板带,成功实现批量生产,其开发的厚壁钛焊管焊接技术填补了国内焊管生产技术空白。同时,宝钛集团钛带卷的使用也填补了我国国产钛带生产钛焊管的空白。

本世纪初期,随着工业输送管道因腐蚀所引起跑、冒、滴、漏等问题的出现,工业管道系统中对耐腐蚀的大口径钛焊管的需求日益增大。一些钛设备制造厂家采用滚轧法生产制造短型大口径钛焊管(单支长度不超过3米),但因生产技术的不成熟,存在着生产量小、生产率低下、产品质量不稳定及不利于安装等问题。   2009年12月由宝钛集团参股的南京宝色股份有限公司成功制造出符合工业压力管道要求的大口径钛焊管,并成功取得国家质检总局颁发的特种设备(有色金属管道)制造许可证,代表着钛焊管在工业压力管道领域中的正式使用。

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2013年10月宝鸡市守善管件有限公司采用模压法成功制造出单支6米长大口径钛焊管,产品符合ASTM B862标准要求,其生产技术已经申报国家发明专利,并在2014年1月取得国家质检总局颁发的特种设备(有色金属管道和有色金属管件)制造许可证。该技术是一种6米直缝管的生产技术,改变了传统工艺中的环焊缝拼接焊接的方法,使用等离子弧自动焊直缝焊接技术(PAW),达到节省人力物力,且生产的钛焊管具有直线度小,焊缝表面美观,焊缝承压能力增强等优点。

3、小口径钛直缝焊管生产工艺的简介

小口径钛焊管的加工是以钛带卷作为原材料,经解卷后在专用辊式连续成型机上挤压成型,在整体生产线上完成最终成品,见图1。该方法为连续式生产,具有生产量大,生产率高,成型质量好及节省人力等优点。其中辊式连续成型机成型方法方法较多,钛焊管多采用W弯曲成型法方法[6]。

图1 小口径钛直缝焊管的生产主要工艺流程

4、大口径钛直缝焊管生产工艺的简介

国内大口径钛焊管的生产受技术水平和市场需求量小的限制,生产方法多采用断续式生产工艺。生产原料采用钛卷带或钛宽幅板,经专用设备压制成型,见图2。

图2 大口径钛焊管的生产主要工艺流程

大口径钛焊管成型设备的成型方法也有好几种,对于钛焊管,常用的为单半径弯曲变形法和多半径弯曲变形法。多半径弯曲变形法较单半径弯曲变形法成型直径不受限制,单半径弯曲成型法只适用于标准管子的外径尺寸,不适用于非标管的生产。现在我国对大口径钛焊管的需求量还比较低,这与其生产成本、生产技术和产品未标准化有关。

5、钛焊管的应用

钛焊管因其极高的比强度最早应用于航天航空领域,减少飞行器重量的同时,还可以延长使用寿命,减少维护时间。

本世纪初期钛材料及产品的民用市场形成,钛焊管以其优良的耐腐蚀性和热传导性被广泛地应用于石油化工、制盐、制药等行业。

随着现代工业的快速发展,使得自然环境和水资源受到极大的污染,让原本在纯净的水和清洁的海水中表现优异的铜及铜合金管、不锈钢管极易发生严重的腐蚀泄漏,因此钛焊管作为其他金属材料的替代品也被应用于海水淡化设备中。

钛焊管虽然价格稍高,但使整个钛管道寿命大大提高,减少了停产维修费用,对环境污染小,符合当前国家建设节约型环保型社会的总体要求。

二、我国钛焊管标准和规范简述

我国钛焊管生产技术发展缓慢,起步较晚,所以钛焊管的标准和规范至今为止仍在发展和完善中。

我国在1984年由原宝鸡有色金属加工厂编订,经国家技术监督局批准发布了国家标准GB4367-84《焊接及焊接-轧制钛管》和GB4368-84《热交换器及冷凝器用焊接-轧制钛管》。.此标准执行了近11年的时间,在当时指导及规范了小口径钛焊管的生产制造,这两个标准的出台代表我国小口径钛焊管标准化的起步,是我国钛焊管生产、经销、设计、施工的主要参考文件。

随着钛焊管生产制造技术的发展和成熟,为了使标准能更好更有效地指导我国钛焊管的生产制造,我国在1995年10月修订发布了国家标准GB/T3624-1995《钛及钛合金管》(替代GB 4367-84)和GB/T《换热器及冷凝器用钛及钛合金管》(替代GB4368-84)。这两个标准把钛无缝管和钛焊管有效地合并在一个标准中,代表着我国小口径钛无缝管和钛焊管的生产制造已经进入正常发展水平。

2006年12月30日由中国质检总局和国家标准化管理委员会共同发布了国家标准GB/T20801-2006《压力管道规范 工业管道》,其中对承压用途的钛焊管的材料、设计和计算、制作与安装、检验与试验及安全防护等方面进行了明确的规定,正式将用于承压用途的钛焊管纳入了特种设备管理体系。

为了更有效地规范工业流体用小口径钛焊管的生产制造、标准化生产、设计选用、采购经销及安装施工,中国国家和发展改革委员会于2006年3月发布了行业标准YS/T 576-2006《工业流体用钛及钛合金管》。该标准对工业流体用小口径钛焊管的理化性能和检验项目进行了明确规定,进一步指导和规范了流体输送用途的小口径钛焊管的标准化生产。

基于实际需要,2011年1月中国国家质检总局和中国国家标准化管理委员会联合发布GB/T26057-2010《钛及钛合金焊接管》,该标准对我国小口径(外径?15-?38)钛焊管与国际同类产品的接轨起着很大的推动作用,为我国小口径钛焊管更好地进入国际市场提供了生产依据和规范。

然而我国大口径钛焊管的产品标准和规范受设计研发、生产技术、设备能力、生产规模和用量需求等因素的限制,相配套的指导标准和规范一直没有制订和发布,而国内的钛焊管生产厂家或参考国外标准自订企标,或参考钢或不锈钢焊管国家标准,或参考执行国外标准,致使大口径钛焊管产品在检验和试验项目中没有评价依据。目前生产厂家多参考不锈钢焊管标准GB/T2771-2008《流体输送用不锈钢焊接钢管》或美标ASTM B862《钛及钛合金技术规范》进行钛及钛合金焊管的生产制作及检验与试验,而随着大口径钛焊管在市场上需求量的增大及在应用领域中的扩展,相关国家标准的制订和发布势在必行,否则大口径钛焊管产业在国内的发展势必受到影响。

三、钛焊管的展望

目前我国钛材在民用工业中的应用占全部钛材用量的80%以上。十二五规划中,国家加大了能源、化工、海洋工程等项目的投入与改建,计划我国石油、化工、合成纤维、制盐、制碱、海洋工程等行业的装备正处于发展、更新、改造的新时期,以往石油、化工装备多采用普通钢材或不锈钢材,设备结构陈旧,影响着产品的质量。新型现代化装置所使用的防腐材料大多要求具有很强的耐腐蚀性,如离子膜烧碱装置中的纳离子和氯离子,用离子膜法或隔膜法将其分离后都具有很强的酸性和碱性,温度在80℃左右,用普通钢材和不锈钢材料制造管道,很难抵御介质的腐蚀作用。因此,国内外大量地应用钛材来代替钢或不锈钢材料制作电解槽、隔板、容器、管道、管件和泵阀,获得了良好的使用价值和经济效益,年产100万吨烧碱装置中大约用到300~500吨钛材,其中用到钛管道管件60~100吨[7]。而钛焊管也将逐渐扩大应用范围,如海上平台、海水淡化装置及发电厂中的盐水冷却装置等腐蚀介质管道输送中。

因为钛材的成本较高,所以对钛焊管的广泛应用有着一定的限制,为了降低钛管道的费用,国内有些生产厂家参考SY6623-2005《双金属复合管》已成功研发出钛/钢复合管(基管材质为钢材,衬里或内覆材质为钛材),在工艺成熟的情况下,钛/钢复合管的造价比钛管道减少30~50%,未来复合管将是防腐蚀管道的发展方向。

参考文献:

[1]戴红卫,段文森.中国钛管道标准配件的发展[A].第18届全国氯碱技术年会暨中日电解技术交流会会议专辑[C].天津.中国氯碱工业协会.2000.126.

[2]曾庆楠.钛焊管在制盐设备应用前景的分析[J].中国井矿盐,2013.44(3):35-37.

[3]吴丕杰.钛焊管生产技术[J].钛工业进展,1995.39(1):17-18.

[4]韩明辰,陈清勤.焊接钛管的生产及其在电站冷凝器上的应用前景[J].焊管,1992.22(2):2-3.

[5]李长江.中国钛焊管行业发展现状分析[J].钛工业进展,2013,30(1):5-7.

[6]邹武装.钛手册[M].北京:化学工业出版社,2012.280-282.

[7]段文森.钛及钛合金管弯头成形工艺论述[J].金属学报,2002.38(增刊):422-424.

作者简介:李晓瑜(1984-),男,陕西宝鸡人,工学学士,助理工程师,主要从事钛制压力容器和压力管道的工艺设计工作。

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