超薄壁鈦焊管制造工藝研究*

謝 祎

（湖南湘投金天新材料有限公司，湖南 益陽413000）

超薄壁鈦焊管制造工藝研究*

謝 祎

（湖南湘投金天新材料有限公司，湖南 益陽413000）

針對應(yīng)用于海水淡化裝置中的銅合金管耐腐蝕性能差，易結(jié)垢的缺點(diǎn)，對鈦焊管的工藝進(jìn)行了研究。由于鈦在濕氯氣介質(zhì)及海水中，具有極其優(yōu)異的耐腐蝕性，即使在污染的海水中也保持有良好的耐腐蝕性，但鈦管導(dǎo)熱性能不及銅管，不過可以通過減小鈦管壁厚來彌補(bǔ)其導(dǎo)熱性不足，以逐步取代銅合金管，將會被廣泛應(yīng)用于海水淡化裝置中。為了適應(yīng)高端市場的需求，降低設(shè)備及其維護(hù)成本，提高換熱效率，以壁厚小于0.5mm的鈦焊管為研究對象，通過對管坯鈦帶性能的要求、鈦焊管生產(chǎn)線設(shè)備精度和穩(wěn)定性控制，鈦帶成型及焊接工藝研究，成功焊接出了牌號為Gr.2厚徑比（t/d）小于1.5%外徑25.4mm、壁厚0.3mm的超薄壁鈦焊管，各項(xiàng)性能達(dá)到了國際標(biāo)準(zhǔn)要求。

焊接；鈦焊管；鈦帶；成型；銅合金管；耐腐蝕性

由于鈦在濕氯氣介質(zhì)及海水中，具有極其優(yōu)異的耐腐蝕性[1]。即使在污染的海水中也具有良好的耐腐蝕性。因此，在20世紀(jì)70年代就被應(yīng)用到海水淡化工程。

早期海水淡化設(shè)備導(dǎo)熱管主要用銅合金管，但銅合金管耐腐蝕性能差，且容易結(jié)垢，水垢處會滋生細(xì)菌和病毒，不僅會加速銅管腐蝕，還會釋放出有害物質(zhì)，對海域水質(zhì)造成污染[2]。用鈦管代替銅合金管，其抗腐蝕性能顯著提高，但是其導(dǎo)熱性能卻遠(yuǎn)低于銅合金管[3]。鈦的熱導(dǎo)率為 17 W/（m·K），而 B10白銅的熱導(dǎo)率為 30.93 W/（m·K）[4]。通常銅合金導(dǎo)熱管的壁厚為0.9～1.2mm，為彌補(bǔ)鈦管導(dǎo)熱性不足，可以通過減小鈦管壁厚尺寸來提高其換熱效率。國外依靠海水或苦咸水冷卻的濱海電站冷凝器大部分采用Φ25mm×0.5mm規(guī)格鈦焊管。在海水淡化裝置中，日本三菱、川崎及神戶制鋼等公司也大量使用了壁厚0.5mm及0.7mm的鈦焊接管[5]。1995年華北電力學(xué)院北京研究所與河北電力設(shè)備廠聯(lián)合研制了1 200 m3/d的海水淡化中間試驗(yàn)裝置[6]，采用的鈦管規(guī)格是Φ18mm×0.6mm×6 000mm/4 830mm/3 280mm。在壁厚更薄的鈦管應(yīng)用方面，1975年5月日本鶴崎制成的日產(chǎn)10萬噸能力的多級閃蒸法裝置中，放熱部及加熱部用了6 000根鈦焊管，其規(guī)格分別為 Φ16mm×0.3mm、Φ16mm×0.4mm和Φ19mm×0.4mm。1963年日本大阪發(fā)電廠采用壁厚0.3～0.5mm的鈦焊管進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)。

在各國鈦焊管的產(chǎn)品目錄中，英國以及俄羅斯等國產(chǎn)品的最小壁厚為0.5mm，法國Valinox產(chǎn)品最小壁厚為0.4mm。只有日本有最小壁厚為0.3mm的鈦焊管產(chǎn)品，但也僅限于小規(guī)格管，如住友金屬僅限于Φ6.5mm、Φ8.0mm以及Φ10.0mm三種規(guī)格，神戶制鋼的鈦焊管最小壁厚為0.3mm的Φ16mm、Φ19mm產(chǎn)品。國內(nèi)某設(shè)計(jì)單位，為充分發(fā)揮鈦焊管在海水介質(zhì)中工作的冷凝器的技術(shù)性能指標(biāo)，對壁厚小于0.5mm、外徑不大于25.4mm的鈦焊管提出需求。為適應(yīng)高端市場的需求，本研究對外徑為25.4mm、壁厚為0.3mm的超薄壁鈦焊管，從原材料性能、管材成型、焊接等一系列工藝進(jìn)行了技術(shù)研究。

1 薄壁鈦焊管對管坯鈦帶的性能要求

1.1 鈦帶的技術(shù)指標(biāo)

鈦帶制造常用標(biāo)準(zhǔn)有ASTM B265、JISH4600、GB/T 3622、YS/T 658以及國標(biāo)GB/T 26723。這些標(biāo)準(zhǔn)只有ASTM B265、YS/T 658和GB/T 26723規(guī)定了非比例延伸強(qiáng)度Rp0.2的上限。但根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)購置鈦帶往往生產(chǎn)不出合格的鈦焊管。如按ASTM B265購入2級鈦帶非比例延伸強(qiáng)度Rp0.2為450 MPa，但焊出的鈦焊管卻達(dá)不到ASTM B338鈦焊管非比例延伸強(qiáng)度Rp0.2為275~450 MPa的技術(shù)要求[7]。

日本JIS H4600雖對非比例延伸強(qiáng)度Rp0.2的上限沒有限制，但它對非比例延伸強(qiáng)度Rp0.2的下限規(guī)定較低，如2級鈦非比例延伸強(qiáng)度Rp0.2的下限為215 MPa，遠(yuǎn)低于其他標(biāo)準(zhǔn)的275 MPa，且延伸率、彎曲角指標(biāo)均高于其他標(biāo)準(zhǔn)，這就保證了管坯在連續(xù)冷彎輥式成型過程的良好成形性。同時(shí)，日本鈦管的質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)JIS H4631《熱交換器用鈦及鈦合金管件》、JISH4635《鈦及鈦合金管焊接管材》中，均沒有非比例延伸強(qiáng)度Rp0.2指標(biāo)要求。所以，簡單的按日本JIS購置鈦帶，也未畢能生產(chǎn)出滿足國內(nèi)和國際市場、客戶要求的鈦焊管。因冷彎成型在一定程度會提高材料的非比例延伸強(qiáng)度Rp0.2指標(biāo)，但達(dá)到JIS 2級鈦非比例延伸強(qiáng)度Rp0.2的下限為215 MPa的合格鈦帶，也保證不了生產(chǎn)出非比例延伸強(qiáng)度Rp0.2的下限為275 MPa的合格鈦焊管。

表1對2級鈦焊管國內(nèi)外技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了對比分析，國際標(biāo)準(zhǔn)ASTM B338和國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3625規(guī)定了非比例延伸強(qiáng)度Rp0.2指標(biāo)，而日本標(biāo)準(zhǔn)JIS H4631、JIS H4635對非比例延伸強(qiáng)度Rp0.2沒有規(guī)定，如果要生產(chǎn)滿足ASTM B338要求的產(chǎn)品，必須對鈦帶的性能進(jìn)行合理的控制。

表1 鈦焊管性能國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對比表

1.2 國產(chǎn)鈦焊管生產(chǎn)現(xiàn)狀

早期雖然我國從國外引進(jìn)了小直徑鈦焊管生產(chǎn)線，但鈦帶卷仍依賴進(jìn)口，國內(nèi)無法提供優(yōu)質(zhì)的薄壁鈦焊接管用的帶坯[8]。本研究使用的是國產(chǎn)Gr.2級，厚度0.3mm的鈦帶，進(jìn)行了鈦焊管成型、焊接試驗(yàn)。該國產(chǎn)鈦帶雖然板形不好、厚度尺寸超差，但力學(xué)性能完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求，見表2。

表2 鈦帶力學(xué)性能

用此鈦帶進(jìn)行鈦焊管成型、焊接試驗(yàn)，首先遇到的問題是回彈大，難成型。由于鈦金屬本身彈性模量低，屈強(qiáng)比高，冷加工回彈大，給鈦制產(chǎn)品的加工帶來了一定的困難[9]。又由于厚度太薄，帶邊在不均勻受力的情況下非常容易產(chǎn)生變形，當(dāng)變形程度超過彈性極限，很容易產(chǎn)生鼓包、波浪形邊等，導(dǎo)致無法焊接。將此帶通過多道輥成型后取出，觀察其成型效果，如圖1所示。從圖1可以明顯看出，成型過程中鼓包嚴(yán)重，邊部波浪大，導(dǎo)致無法焊接或焊接打孔，焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，無法確保連續(xù)生產(chǎn)。

圖1 薄壁鈦帶成型回彈圖示

成型良好的鈦帶是鈦焊管連續(xù)生產(chǎn)的前提，不能保證穩(wěn)定成型的鈦帶是不能連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)出高質(zhì)量鈦焊管，若生產(chǎn)超薄壁鈦焊管則更加困難。

板形好、性能適宜、厚度均勻是保證鈦管良好成型的前提之一。另外，良好的成型也與機(jī)組機(jī)架的排布方式、機(jī)組加工及裝配精度、軋輥弧形的設(shè)計(jì)等緊密相關(guān)。為了能夠成功開發(fā)出成型良好的超薄壁鈦焊管，不但根據(jù)前一次開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，制定了鈦焊管用鈦帶采購企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，而且對成型段軋輥弧形進(jìn)行了優(yōu)化，以適應(yīng)超薄壁鈦帶的冷彎成型。

1.3 鈦焊管用鈦帶企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定

通過分析對比，鈦帶性能國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對比見表3，并結(jié)合國內(nèi)外鈦焊管生產(chǎn)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，湖南湘投金天新材料有限公司制定了“鈦焊管用鈦帶采購企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”。此標(biāo)準(zhǔn)除了對非比例延伸強(qiáng)度Rp0.2有嚴(yán)格的要求外，還規(guī)定了硬度指標(biāo)要求，硬度越高，冷彎成型越困難，反彈越大，也會加劇軋輥模具的磨損，降低模具的使用壽命。

本研究根據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)采購了牌號為Gr.2、厚度為0.3mm的進(jìn)口超薄壁鈦帶卷，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，見表4。

表3 鈦帶性能國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對比表

表4 Gr.2鈦帶的力學(xué)性能

2 鈦焊管生產(chǎn)要求設(shè)備具有高精度和高穩(wěn)定性

鈦焊管生產(chǎn)設(shè)備的高精度靠三方面來保證：①設(shè)備的制造加工精度；②裝配精度；③結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想。

設(shè)備的制造加工精度和裝配精度兩者密切配合、相互關(guān)聯(lián)、缺一不可。如果某部件安裝精度達(dá)不到指標(biāo)，就應(yīng)該要求廠家重新加工，而不是用墊片等臨時(shí)措施解決。如果設(shè)備加工精度和裝配精度不達(dá)標(biāo)，將會導(dǎo)致鈦焊管生產(chǎn)過程中，機(jī)架及軋輥跳動(dòng)大，運(yùn)行不穩(wěn)定。如圖2所示為基準(zhǔn)端面精度控制，基準(zhǔn)面平面度達(dá)到0.025mm。

圖2 基準(zhǔn)端面精度測量

而對于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想來說，箱型結(jié)構(gòu)的底座、鑄造的牌坊架、成型-定徑機(jī)組間的張力平衡等設(shè)計(jì)保證了焊管生產(chǎn)線整體運(yùn)行的穩(wěn)定性。而細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)更為重要，如在選擇軸承結(jié)構(gòu)形式時(shí)，選擇的是圓錐滾子軸承，而不是滾子球軸承。圖3所示為鑄造的牌坊架及軸跳動(dòng)檢測，平輥徑向圓跳動(dòng)達(dá)到0.02mm。

圖3 鑄造的牌坊架

3 采用企標(biāo)購入鈦帶的成型焊接情況

3.1 企標(biāo)購入鈦帶成型情況

相對于普通焊管的成型，超薄壁鈦焊管由于壁薄，帶邊在不均勻受力的情況下非常容易產(chǎn)生變形，加之鈦金屬本身反彈大，導(dǎo)致成型非常困難。按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)購入的鈦帶，通過優(yōu)化成型軋輥弧形，成型過程中產(chǎn)生的鼓包得以消除，達(dá)到了理想的成型效果，如圖4所示。

圖4 穩(wěn)定成型效果

3.2 鈦管焊接情況

鈦的化學(xué)性質(zhì)非?；顫?，高溫下與氮、氫、氧親和性高，極易氧化，鈦在吸收氮、氫、氧后會使鈦的綜合力學(xué)性能下降[10]。本研究在焊接時(shí)采用密閉焊合室，充純度99.99%以上的氬氣進(jìn)行保護(hù)，焊接效果比較理想，焊縫沒有出現(xiàn)氧化等其他變色，焊縫表面狀態(tài)如5所示。

圖5 焊縫表面狀態(tài)

3.3 鈦管性能測試

（1）鈦管力學(xué)性能測試。所制得的超薄壁鈦焊管力學(xué)性能滿足ASMT B338標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定。鈦管力學(xué)性能檢測結(jié)果見表4。

表4 鈦焊管力學(xué)性能測試結(jié)果

（2）鈦管工藝性能測試。所制得的鈦管經(jīng)過擴(kuò)口試驗(yàn)、壓扁試驗(yàn)、反向展平試驗(yàn)，內(nèi)外表面均未發(fā)現(xiàn)裂紋。

（3）鈦焊管顯微組織分析。所制得的鈦焊管母材、焊縫的顯微組織如圖6所示。

圖6 鈦焊管焊縫和母材的顯微組織

從圖6（a）可以看出，焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)域存在不規(guī)則組織，為等軸α相粗大板條狀α相和針狀α相。從圖6（b）可以看出，母材組織為均勻的等軸α組織，晶粒細(xì)小。

可見，合理的焊接工藝是保證焊縫組織及質(zhì)量的前提，若焊接工藝不匹配時(shí)，將會導(dǎo)致焊縫組織晶粒粗化，引起塑性和斷裂韌度降低，焊縫強(qiáng)度難以保障。

4 結(jié) 語

本研究按“鈦焊管用鈦帶采購企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”購入鈦帶，用自行制定的工藝，成功的焊接出了厚徑比（t/d）小于1.5%外徑為25.4mm、壁厚為0.3mm的超薄壁鈦焊管產(chǎn)品，各項(xiàng)性能均滿足國際標(biāo)準(zhǔn)ASTM B338要求，掌握了壁厚0.3mm及以上壁厚的超薄壁鈦焊管生產(chǎn)工藝。

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Technology Research of Ultra-thin Wall Titanium Tubes

XIE Yi
（Hunan Xiangtou Goldsky New Materials Co.,Ltd.,Yiyang 413000,Hunan,China）

Aim at the disadvantages of copper alloy tube in sea water desalination device,such as poor corrosion resistance and easy to scale,it studied the welding process of titanium tube.Because of titanium in sea water and wet chlorine gas medium,has extremely excellent corrosion resistance,even in the polluted sea water also has a good corrosion resistance,but the thermal conductivity is not as good as copper,but the insufficient thermal conductivity of titanium tube can be compensated for by reducing the wall thickness,titanium tube will gradually replace the copper alloy tube,will be widely used in the desalination device.In order to meet the needs of high-end market,reduce the equipment and maintenance costs,increase thermal efficiency.In this article,taking titanium welded pipe with wall thickness less than 0.5mm as the research object,through controlling the performance requirements of the titanium tube billet,titanium welded pipe production line equipment accuracy and stability,titanium belt forming and welding technology research,the Gr.2 ultra-thin titanium welded pipe（the t/d less than 1.5%,outside diameter 25.4mm,wall thickness 0.3mm）,was successfully developed,and the performance reached the international standard requirements.

welding;titanium welded tube;titanium strip;forming;copper alloy tubes;corrosion resistance

TE832.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI:10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.05.008

湖南省戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)科技攻關(guān)類項(xiàng)目“海洋工程用高端耐蝕鈦管材關(guān)鍵技術(shù)研究與產(chǎn)業(yè)化示范”（2014GK1009）

謝 祎（1984—），男，國際焊接工程師，主要從事鈦及鈦合金焊管的技術(shù)研究與產(chǎn)品開發(fā)工作。

2016-02-01

張 歌