引言

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

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

本文對鈦設備在化工、石油、冶金、電力、海洋工程等領域的應用概況及鈦設備制造技術發(fā)展現(xiàn)狀進行了綜述，提出了我國鈦設備制造中存在的一些問題及相應對策。

2、鈦設備的應用概況

2.1鈦設備在化工行業(yè)的應用

據(jù)報道，工業(yè)化國家每年用于腐蝕防護的費用占國民生產總額(GNP)的3％～4％。因此，材料選擇在建設現(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度高、質量輕、優(yōu)良的耐蝕性及良好的熱傳導性，因而廣泛用于許多化學工業(yè)中。

2.1.1純堿工業(yè)

采用氨堿法或者聯(lián)合制堿法生產純堿時，設備都會受到氯化鈉和氯化銨等介質的強烈腐蝕。因經常維修、更換設備，造成頻繁停產。鈦及其合金在氯化鈉和氯化銨介質中具有優(yōu)異的耐蝕性，具體見表1。通過對鈦設備在純堿工業(yè)的應用進行試驗，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)報道，美國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。使用鈦管后不僅設備使用壽命延長，而且換熱能力提高了25％。過去純堿工業(yè)用于冷卻結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，使用壽命一般為4年，如果防腐層質量不好，使用壽命還有可能降低到1年左右。為了解決腐蝕問題，提高生產效率，許多廠家首選鈦設備。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，在實際生產中出現(xiàn)了許多問題，使用壽命僅為4～9個月；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，進入堿液，還降低了堿液的質量。

由于鈦具有優(yōu)異的耐蝕性，氯堿生產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：鈦陽極導電性能優(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10年以E；同時，生產的堿液質量明顯提高。我國的上海燎原化工廠、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)

生產漂白粉的設備由于要接觸濕氯氣、次氯酸根等強腐蝕介質，腐蝕問題十分嚴重，設備維修工作量很大，經常停產維修，一般企業(yè)的開工率很低。特別是反應塔的橫臂和刮板，腐蝕十分嚴重。使用了鈦橫臂和鈦刮板后，運行情況良好，效果十分顯著，取得了較好的經濟效益，維修及更換設備的費用大幅降低，漂白粉產最明顯增加。

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，尿素生產中的汽提塔、分解系統(tǒng)設備、往復式高壓甲銨泵、減壓閥等都采用鈦材制造。

2.1.5其他

鈦設備除了在上述化工行業(yè)大量應用外，還用于防老劑丁、乙內酰胺、順丁烯二酸酐、丙烯、丙酮、對苯二甲酸、乙醛等化工產品的生產設備中。

2.2鈦設備在石油工業(yè)的應用

在石油精煉過程中，石油產品中的硫化物、氯化物等對設備的腐蝕十分嚴重，尤其是石油精煉設備如初餾塔、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。

國外煉油廠最早用鈦管作為冷卻器，不僅應用于海水腐蝕部位，而且對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，不僅在美國而且在英國已使用多年，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臺鈦管式換熱器成功的應用例子。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等工藝中使用了大量鈦設備。

2.3鈦設備在冶金工業(yè)的應用

隨著冶金工業(yè)的發(fā)展，鈦材作為高強度、耐腐蝕的結構材料得到了推廣和應用。在濕法冶金過程中，由于設備接觸堿、酸及各種腐蝕性強的氣體、煙塵等，傳統(tǒng)的鋁合金、耐酸不銹鋼等材料不能滿足生產工藝的需要，限制了濕法冶金的發(fā)展。鈦設備的使用，對于提高生產效率，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鈦設備在電解鎳生產中的應用

電解鎳生產中，設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備的理想材料。

電解鎳生產中的陰極母板與不銹鋼母板相比，具有更好的經濟效果和優(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，獲得了良好的經濟效益。此外，電解鎳生產設備的加熱器、泵、閥門等也大量使用了鈦材料。

2.3.2鈦設備在電解銅生產中的應用

電解銅乍產設備陰極輥筒原先是用鋼陰極輥筒，由于電解液的腐蝕，導致輥筒表面出現(xiàn)點蝕，影響了銅箔的質量，且定期打磨輥筒也浪費了人力財力。使用鈦輥筒后可以解決上述問題。

此外，電解銅生產中的加熱器、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，主要設備有電解槽、反應器、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，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。氯化車間的鈦儲槽能使用3、4年，而鋼制儲槽只能用2個月[1]。

2.4鈦設備在電力工業(yè)的應用

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

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、海牛物和各種腐蝕性物質，在海水與河水交替變化的淡鹽水中的情況更為嚴重。傳統(tǒng)的凝汽器是用銅合金管，因各種腐蝕經常遭到嚴重破壞，凝氣器運行1年左右就腐蝕泄漏。

我國從20世紀70年代開始，就開展了電站凝氣器用鈦管的研究。寶鈦集團承擔了冷軋無縫薄擘管的研制任務。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，取得了顯著的經濟效益，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。

2.5鈦設備在海洋工程的應用

目前，海洋工程用鈦已成為鈦民用應用的主要領域之一。

2.5.1海洋油氣開發(fā)

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

鈦鉆探管的使用壽命較長，其質量僅為不銹鋼的一半，而使用靈活性卻是不銹鋼的二倍，使用壽命為鋼的10倍。美國的Grant Prideco公司、RTI能源系統(tǒng)公司及Torch鉆探服務公司在2000年首次將鈦鉆探管用于工業(yè)應用。

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。生產效率低，很快被鈦所代替。在海水淡化中，鈦的主要應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淡水3×10⁴t的蒸餾法裝置10臺，用鈦管3200t，平均日產1×10⁴t的裝置，需用鈦107 t。我國的天津、山東等地均建有或在建海水淡化裝置。預計天津和山東的海水淡化工程設備用鈦量大約是250 t。

2.5.3其它

鈦及其合金在船舶中的應用十分廣泛，如船體結構件、深海調查船及潛艇耐壓殼體、管道、閥、船舵、軸托架、配件、動力驅動裝置中的推進器和推進器軸、熱交換器、冷卻器、船殼聲吶導流罩等[2]。此外，鈦設備還用于海洋漁業(yè)、海洋熱能轉換等領域，如日本在人工養(yǎng)殖技術中，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；在海洋熱能轉換領域，美國、日本的溫差發(fā)電站的主要設備蒸發(fā)器、凝縮器及海水吸管、環(huán)路系統(tǒng)等都使用了鈦制設備，均取得了良好的效果。

2.6鈦設備在制藥工業(yè)的應用

制藥生產過程中，設備接觸鹽酸、硝酸、醋酸、硫酸及其鹽類和有機溶劑等介質，腐蝕現(xiàn)象很嚴重。

經常停產維修會影響生產，設備腐蝕產生污染還會影響產品的質量。

制藥工業(yè)的氣流干燥裝置，包括管道、螺旋加料機、加熱器、旋風分離器等設備，使用不銹鋼設備產生明顯的腐蝕，腐蝕產物中的鐵離子還有可能污染產品，影響產品的質量。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、鈦設備制造技術發(fā)展現(xiàn)狀

3.1鈦設備通用制造技術

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

目前，許多鈦設備為壓力容器，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性能及良好的焊接性能。從事鈦壓力容器設計人員必須首先掌握我國已頒布實施的有關“壓力容器”各項通用技術規(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備進行加工，鈦材冷加工工藝基本上不存在問題。

目前，國內外可用于制造壓力容器的鈦牌號很多，隨著應用領域的不斷增加，新的耐蝕、耐熱高強鈦合金也在不斷的研究開發(fā)之中。

3.2焊接技術

先進的焊接結構是降低材料消耗、減輕結構質量的有效途徑。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，為適應現(xiàn)代焊接產品不斷增長的高功率、高精度、高可靠性和高效率的要求，各種新型焊接技術不斷出現(xiàn)，如高能束流焊接技術就是其中最有發(fā)展?jié)摿Φ暮附蛹夹g之一，它包括電子束焊、激光焊、復合束流焊接等方法，具有焊接速度快、焊縫質量高及高效節(jié)能等許多優(yōu)點，在國外已被廣泛應用于航空航天、汽車、核工業(yè)等高技術領域。如激光技術已用于焊接結構件等，從而改善了焊接生產的工作環(huán)境，在一些發(fā)達國家，已用電子束焊接管道，其焊縫質量高，勞動生產率能提高2～10倍。此外，國外發(fā)達國家還在開發(fā)鈦的攪拌摩擦焊等新的焊接技術。

目前國內在鈦產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備，但這些焊接方法使用很少。在國內鈦設備制造過程中，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

鈦設備檢驗除了常規(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、氨滲透檢驗、肥皂泡檢漏等。純鈦設備的檢驗用x射線探傷、滲透探傷、壓力試驗等手段可以保證鈦設備的制造質量。復合板設備所需要的檢驗方法要復雜一些，檢驗復合板焊縫的方法可以采用滲透探傷、肥皂泡檢漏、氦質譜檢漏等措施。對于鈦襯里設備，焊前或者過程檢驗十分重要。

4、我國鈦設備制造中存在的問題和對策

4.1鈦設備制造自動化水平

我國鈦設備制造技術與發(fā)達國家之間的另一重大差距是自動化水平不高。國內鈦設備專業(yè)廠的鈦的自動切割、自動焊接、數(shù)控鉆床等自動化裝備還不能滿足專業(yè)化和大型化的要求。許多工業(yè)應用的大型設備，必須依靠機械化、自動化生產工藝來實現(xiàn)。因此，我們應加強技術開發(fā)力度，努力提高生產效率，提高設備制造的自動化水平，從而提高鈦設備的質量。

4.2鈦設備焊接水平

近年來，國外焊接技術水平發(fā)展很快，新型焊接設備、焊接技術不斷涌現(xiàn)。設備的焊縫質量及勞動生產率大幅提高。而我國鈦設備制造企業(yè)在這方面存在明顯不足，我們應該不斷的開發(fā)和應用新型焊接設備，小與發(fā)達國家的差距。

4.3鈦設備制造企業(yè)的生產環(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，鈦設備的生產要在潔凈廠房內進行。我國鈦設備企業(yè)雖然有了相對隔離的潔凈廠房，但在廠房內的清潔程度、鐵污染的控制、專門成形設備和工具等方面與國外廠家仍有一定差距。國內鈦設備專業(yè)廠家的廠房高度、起吊重量還不能滿足大型化的要求，普遍存在著鋼結構和鈦部件同時施工等不合理的現(xiàn)象，這有可能對鈦設備的質量產生影響。

4.4鈦設備的推廣應用及產品系列化

目前國內許多企業(yè)在使用鈦設備時，多考慮設備的一次性投資較高，因而，與國外企業(yè)相比，選用鈦材較少。我國企業(yè)應借鑒美國、日本等發(fā)達國家的經驗，從壽命周期、強度等方面綜合分析，選用鈦材應是十分理想的。因此，國內鈦設備企業(yè)應大力宣傳、推廣鈦設備的應用，開發(fā)市場、推廣技術、擴大應用。

我國許多鈦壓力容器、換熱器、泵、閥、風機等已經廣泛應用，但沒有形成專門的產品系列。因此，要針對市場需求，加強鈦產品系列的標準化工作，提供相應的各種系列的鈦產品。

參考文獻References

[1]Ma Fengyun(馬風云).Titanium Industry Progress(鈦工業(yè)進展)[J]，2004，21(3)：14

[2]Wang Hao(：E鎬)，Zhu Jianwen(祝建雯)，He Yu(何瑜)et a1.Titanium Industry Progress(鈦工業(yè)進展)[J]，2003，20(6)：42