引言

鈦及其合金在許多酸、堿及鹽類介質中具有優異的耐蝕性，還具有質量輕、比強度高等優點，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，隨著工業經濟的發展，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展現狀進行了綜述，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鈦設備在化工行業的應用

據報道，工業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中。

2.1.1純堿工業

采用氨堿法或者聯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異的耐蝕性，具體見表1。通過對鈦設備在純堿工業的應用進行試驗，獲得了良好的效果。

目前，純堿工業中使用了大量的鈦管、鈦外冷器。

據報道，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已用鈦外冷器代替碳鋼外冷器。

2.1.2氯堿工業

氯堿工業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點：鈦陽極導電性能優良，且耐高溫鹽水腐蝕，因而極距變化很小，槽電壓穩定，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

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

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，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鈦設備在冶金工業的應用

隨著冶金工業的發展，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、漏等現象及減少環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中，主要設備有電解槽、反應器、洗滌塔、熱交換器、攪拌器、蒸發裝置、收塵裝置等，均取得了顯著的效益。如前蘇聯用鈦泵輸送氯化物、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鈦設備在電力工業的應用

火電站和核電站的凝氣器是發電機組的重要設備。鈦設備在電力工業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

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能源系統公司及Torch鉆探服務公司在2000年首次將鈦鉆探管用于工業應用。

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、海洋熱能轉換等領域，如日本在人工養殖技術中，大量使用了鈦金屬網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、日本的溫差發電站的主要設備蒸發器、凝縮器及海水吸管、環路系統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、鈦設備制造技術發展現狀

3.1鈦設備通用制造技術

鈦設備在各行各業的應用日益廣泛，從設計方法和技術規范角度出發，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：如醫療用的鈦關節、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”各項通用技術規范。

鈦材具有良好的可加工性，絕大多數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，如高能束流焊接技術就是其中最有發展潛力的焊接技術之一，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能等許多優點，在國外已被廣泛應用于航空航天、汽車、核工業等高技術領域。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境，在一些發達國家，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，國外發達國家還在開發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。國內鈦設備專業廠的鈦的自動切割、自動焊接、數控鉆床等自動化裝備還不能滿足專業化和大型化的要求。許多工業應用的大型設備，必須依靠機械化、自動化生產工藝來實現。因此，我們應加強技術開發力度，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展很快，新型焊接設備、焊接技術不斷涌現。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在這方面存在明顯不足，我們應該不斷的開發和應用新型焊接設備，小與發達國家的差距。

4.3鈦設備制造企業的生產環境水平

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，與國外企業相比，選用鈦材較少。我國企業應借鑒美國、日本等發達國家的經驗，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，國內鈦設備企業應大力宣傳、推廣鈦設備的應用，開發市場、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(鈦工業進展)[J]，2003，20(6)：42

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