核電冷凝器Gr2鈦焊接管專(zhuān)用帶材研究

劉軼群 張延生

摘 要：Gr2鈦焊接管是核電站以海水為交換介質(zhì)冷凝器的關(guān)鍵部件，由于其加工和使用的特殊性，普通Gr2鈦帶不能滿(mǎn)足其制造要求，而專(zhuān)用Gr2鈦帶的制造技術(shù)由少數(shù)幾個(gè)國(guó)家所壟斷，只能長(zhǎng)期依賴(lài)于進(jìn)口。文章從Gr2鈦焊接管的制造工藝及使用要求入手，深入研究、分析用于制造焊接管的Gr2鈦帶最佳力學(xué)性能指標(biāo)，并通過(guò)控制其化學(xué)成份，獲得期望的性能。

關(guān)鍵詞：Gr2鈦焊接鈦管專(zhuān)用帶材；力學(xué)性能；化學(xué)成份

引言

Gr2鈦焊接管以其優(yōu)異的耐海水腐蝕特性、較好的熱傳導(dǎo)性能，被廣泛應(yīng)用于以海水為交換介質(zhì)的冷凝設(shè)備，其在濱海核電站及海水淡化領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。目前，只有美國(guó)Timet公司、日本新日鐵公司等少數(shù)幾個(gè)鈦制造企業(yè)擁有自己的焊接管專(zhuān)用鈦帶制造技術(shù)，國(guó)內(nèi)鈦工業(yè)起步較晚，專(zhuān)用Gr2鈦帶的制造工藝研究進(jìn)展緩慢，一直未能實(shí)現(xiàn)突破性進(jìn)展，國(guó)內(nèi)使用的專(zhuān)用Gr2鈦帶長(zhǎng)期依賴(lài)進(jìn)口。文章將從Gr2鈦焊接管的制造工藝和使用要求入手，對(duì)Gr2鈦焊接管專(zhuān)用帶材的力學(xué)性能指標(biāo)、化學(xué)成份展開(kāi)研究。

1 鈦焊接管制造工藝及使用要求分析

焊接管的制造是利用成型輥將鈦帶橫向彎曲變形加工成圓形，如圖1所示；隨后，利用定徑輥對(duì)焊接管產(chǎn)生拉、壓作用，產(chǎn)生截面變形，從而加工成符合外徑精度要求的產(chǎn)品。

焊接管的成型、定徑加工都是冷加工，要求鈦帶的橫、縱向應(yīng)有良好的加工性，強(qiáng)度不宜過(guò)高，具有一定的塑性，否則，加工過(guò)程中鈦帶變形困難，工模具承受作用力大、磨損嚴(yán)重，不僅降低工模具的使用壽命，更重要的是造成產(chǎn)品內(nèi)、外表面劃傷。

鈦帶加工成焊接管，室溫力學(xué)性能指標(biāo)中的規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度有較大幅度的提高，提高的幅度約25-40%，如果鈦帶本身強(qiáng)度偏高，加工后其規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度將會(huì)超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的275-420MPa的上限。[1]

鈦焊接管在冷凝器制作過(guò)程中兩端部要進(jìn)行脹管工藝，這也要求材料具有一定的塑性，保證脹接部分不會(huì)在加工過(guò)程及后續(xù)使用過(guò)程中開(kāi)裂。

綜上所述，用于制造鈦焊接管的帶材要求強(qiáng)度適中，具有一定的塑性，而普通鈦帶強(qiáng)度偏高，不能滿(mǎn)足要求。

2 專(zhuān)用Gr2鈦帶力學(xué)性能分析

分析冷凝器設(shè)計(jì)和制造相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及核電站產(chǎn)品使用數(shù)據(jù)，結(jié)合Gr2材料本身特性認(rèn)為Gr2鈦焊接管的最佳室溫力學(xué)性能為：抗拉強(qiáng)度Rm420-480 MPa、規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度Rp0.2310-380MPa、伸長(zhǎng)率不小于20%。

由于焊接管的成型、定徑加工都是冷加工，經(jīng)過(guò)完全退火后，室溫力學(xué)性能指標(biāo)中的規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度提高25-40%，抗拉強(qiáng)度提高5-10%，伸長(zhǎng)率提高15-25%，抗拉強(qiáng)度提高的幅度不大，而伸長(zhǎng)率的提高又是所期望的，故重點(diǎn)考慮規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度。通過(guò)反推得出專(zhuān)用Gr2鈦帶的縱向規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度Rp0.2取240-310MPa為宜，根據(jù)鈦帶縱、橫向的一般規(guī)律，橫向規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度Rp0.2取290-360MPa為宜，具體見(jiàn)表1。[2]

3 專(zhuān)用Gr2鈦帶化學(xué)成份分析

Gr2鈦材屬于純鈦，雜質(zhì)元素有N、C、H、Fe、O，其中的Fe、O含量對(duì)材料本身的力學(xué)性能的影響非常大，C含量次之，F(xiàn)e、O、C的含量如果按普通鈦帶標(biāo)準(zhǔn)控制，將無(wú)法保證專(zhuān)用Gr2鈦帶的塑性及加工性能上的要求。Fe元素屬于β穩(wěn)定元素，使室溫抗拉強(qiáng)度提高，同時(shí)降低伸長(zhǎng)率等塑性指標(biāo)；O、C元素都提高鈦的室溫抗拉強(qiáng)度，起到強(qiáng)化效應(yīng)，提高鈦的彈性模量[3]。為了得到期望的性能，F(xiàn)e、O、C的含量應(yīng)比通用ASTMB265標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的雜質(zhì)含量更嚴(yán)格控制，以此降低材料的強(qiáng)度，提高塑性?？紤]到實(shí)際生產(chǎn)狀況，規(guī)定雜質(zhì)含量要求為：Fe≤0.15%、O≤0.15%、C≤0.03%，其它元素也稍微加嚴(yán)控制，如表2。

4 試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)工藝

海綿鈦→真空自耗熔煉（二次，Φ1040mm）→鍛造（T200mm）→熱軋（T5mm）→半成品退火（650℃）→冷軋（T0.5mm）→退火（700℃）

海綿鈦選擇0級(jí)或0A級(jí)海綿鈦，熔煉過(guò)程中嚴(yán)格控制真空度和漏氣率；鑄錠變形率達(dá)70-80%，以保證粗大的鑄造組織基本上被打碎，得到均勻、細(xì)小的纖維組織。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

在熔煉鑄錠取樣檢測(cè)分析N、C、H、Fe、O含量，檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

在最終產(chǎn)品鈦帶上取樣檢測(cè)室溫力學(xué)性能和H含量，檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

可以看出，表3、表4結(jié)果完全符合預(yù)期。使用此鈦帶制造規(guī)格為Ф25×0.5mm焊接管100米，依據(jù)ASTM B338要求對(duì)與材料相關(guān)的項(xiàng)目進(jìn)行試驗(yàn)和檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表5，各項(xiàng)指標(biāo)不僅完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求，而且性能指標(biāo)在最佳范圍內(nèi)。

5 結(jié)束語(yǔ)

普通的Gr2鈦帶由于強(qiáng)度偏高，加工性能不能滿(mǎn)足要求，且易造成產(chǎn)成品規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度超出標(biāo)準(zhǔn)要求，故不適宜于制作核電冷凝器鈦焊接管，專(zhuān)用Gr2鈦帶通過(guò)控制材料的化學(xué)成份（見(jiàn)表2），尤其是Fe、O元素含量，適度降低鈦帶的強(qiáng)度，以達(dá)到最佳的力學(xué)性能（見(jiàn)表1），保證產(chǎn)品的后續(xù)加工性能和使用要求。

參考文獻(xiàn)

[1]ASTM Technical Committee. ASTM B338. Standard Specification for Seamless and Welded Titanium and Titanium Alloy Tubes for Condensers and Heat Exchangers[S].United States：ASTM International，2010.

[2]ASTM Technical Committee. ASTM B265. Standard Specification for Titanium and Titanium Alloy Strip， Sheet， and Plate[S]. United States：ASTM International，2010.

[3]《稀有金屬材料加工手冊(cè)》編寫(xiě)組. 稀有金屬材料加工手冊(cè)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1984，P4-27.

作者簡(jiǎn)介：劉軼群（1970-），男，碩士研究生，工程師。