引言
钛及其合金在许多酸、碱及盐类介质中具有优异的耐蚀性，同时它还具有重量轻、比强度高等优点，因而在化工、石油、冶金、电力、海洋工程等领域得到了广泛地应用。虽然钛材成本比一般材料成本高，但从寿命周期、强度、环境影响等方面综合分析，使用钛材可以获得显著的经济效益。
钛的密度小，约为铜的50%，1Cr18NigTi不锈钢的57%，所以，制造同样大小尺寸的设备，使用钛比使用钢、铜减少一半的重量。钛的比强度比不锈钢等材料高，因而又可以减轻一些重量。钛设备的使用寿命比使用传统材料如钢、铜、铅等的使用寿命长此外，使用钛设备，还可以提高产品质量，减少设备维修费用，改善劳动条件。因此，随着工业经济的不断发展，钛设备的应用也越来越广泛。
本文对钛换热器、钛储罐、钛盘管、钛蒸发器等钛设备在在化工、石油、冶金、电力、海洋工程等领域的应用概况及钛设备制造技术发展现状进行了综述，提出了我国钛设备制造中存在的一些问题及相应对策。
钛设备的应用概况
1.钛设备在化工行业的应用
据报道[1][2]，工业化国家每年用于腐蚀防护的费用占国民生产总额(GNP)的3一4%。因此，材料选择在建设现代化化工厂中起着十分重要的作用。钛及其合金由于具有强度高、重量轻、优异的耐蚀性及良好的热传递性，因而广泛用于许多化学工业中。
1.1纯碱工业
纯碱(又称碳酸钠)是基本的化工原料之一，市场需求量很大。采用氨碱法或者联合制碱法生产纯碱时，设备都会受到氯化钠和氧化按等介质的强烈腐蚀。因经常维修、更换设备，造成频繁停产。钛在抓化钠和氧化按介质中具有优异的耐蚀性，见表1。通过对钛设备在纯碱工业的应用进行试验，获得了良好的效果。
目前，纯碱工业中使用了大量的钛管、钛外冷器。据报道，美国一家纯碱厂蒸氨塔的换热器铸钛管改用钛管后，使用5年仍然一直完好无损。使用钛管后不仅设备使用寿命延长，而且换热能力提高了25%。
过去纯碱工业用于冷却结晶抓化按母液的外冷器采用碳钢材料，由于氧化按母液腐蚀性强，使用寿命一般为四年、如果防腐层质量不好，使用寿命还有可能降低到1年左右。为了解决腐蚀问题，提高生产效率，许多厂家选用钛设备。由表1可以看出，钛在氧化按母液中年腐蚀率只有0.001mm/年，因此，越来越多的纯碱生产厂家用钛外冷器代替碳钢外冷器。
1.2氯碱工业
氯碱工业过去一直用石墨电极作为电解用的不溶性阳极，在实际生产中出现了许多问题，如由于石墨不耐高温盐水腐蚀，使得其使用寿命一般仅为4~9个月;由于石墨阳极被腐蚀，造成极距逐渐增大，耗电量增大;另外，由于石墨被腐蚀脱落，进入碱液，还降低了碱液的质量。由于钛具有优异的耐蚀性，氯碱生产厂家逐渐用钛阳极替代了石墨阳极。使用钛阳极的主要优点如下:钛阳极导电性能优良，且耐高温盐水腐蚀，因而极距变化很小，槽电压稳定，且阳极使用寿命可达10年以上;同时，生产的碱液的质量明显提高。我国的上海燎原化工厂、上海电化厂、珠江电化厂、沈阳化工厂等单位均使用了大量钛阳极，都取得了良好的效果。
1.3漂白粉行业
漂白粉是撅产品之一，生产漂白粉的设备由于要接触湿抓气、次抓酸根等强腐蚀介质，因而腐蚀问题十分严重，设备维修工作量很大，经常停产维修，一般企业的开工率很低。特别是反应塔的横臂和刮板，腐蚀十分严重。.使用了钛横臂和钛刮板后，运行情况良好，效果十分显著，取得了较好的经济效益，维修及更换设备的费用大幅降低，漂白粉产量明显增加。
1.4尿素工业
尿素是一种高效优质的氮肥，近年来国内外尿素生产规模很大。尿素合成塔的腐蚀问题十分严重。过去使用不锈钢材料制造合成塔，存在局部腐蚀问题，且不锈钢的使用温度只能达到190℃，超过此温度则腐蚀速度会成倍增加，这就限制了合成尿素的温度，使尿素转化率很低。采用工业纯钛衬里的尿素合成塔，不但解决了腐蚀问题，而且还使合成尿素的转化率提高。在尿紊工业中，除了合成塔用钛材制造外，尿素生产中的汽提塔、分解系统设备、往复式高压甲按泵、减压阀等都采用钛材制造。
1.5其他
钛设备除了在上述化工行业大量应用外，还用于防老剂丁、乙内酞胺、顺丁烯二酸醉、丙烯、丙酮、对苯二甲酸、乙醛等化工产品的生产设备中。
2、钛设备在石油工业的应用
在石油精炼过程中，石油产品中的硫化物、饭化物等对设备的腐蚀十分严重，尤其是石油精炼设备如初馏塔、常压塔塔顶部及塔顶冷凝器，采用钛材作为上述部位材料，取得了良好的效果，基本上解决了上述部位的腐蚀问题。
国外炼油厂最早用钛管作为冷却器，钛不仅应用于海水腐蚀部位，而且对不用海水冷却的工艺热交换器也适用。钛管用于原油蒸馏塔顶冷凝冷却系统，可防止氯化物和硫化物腐蚀。钛管束与管板组合，不仅在美国而且在英国已使用多年，包括加热原油的换热器和利用污水冷却的最终产品冷凝器，原先采用传统的铜一镍合金或蒙乃尔合金制造换热器，但由于硫化等腐蚀，设备的使用寿命十分有限。使用钛换热器后，效果很好。如ExxonBayway炼油厂有超过40台钛管式换热器成功的应用例子。此外，该炼油厂还在催化裂化、工艺水处理、加氢精制、脱硫、不饱和分离、氢提纯、重整、管式蒸馏和聚合反应等工艺中使用了大量钛设备。
3、钛设备在冶金工业的应用
随着冶金工业的发展，钛材作为强度高、耐腐蚀的结构材料得到了推广和应用。在湿法冶金过程中，由于设备接触碱、酸及各种腐蚀性强的气体、烟尘等，传统的铝合金、耐酸不锈钢等材料不能满足生产工艺的需要，限制了湿法冶金的发展。钛设备的使用，对于提高生产效率，解决湿法冶金常见的跑、冒、滴、漏等现象及减少环境污染等具有重要的意义。
3.1钛设备在电解镍生产中的应用
电解镍生产中，设备接触含酸量很高的溶液和活性离子，而钛的耐蚀性优异，因而成为制造电解镍设备的理想材料。电解镍生产中的阴极母板与不锈钢母板相比，具有更好的经济效果和优越的使用性能，如沉积镍皮不易沾板，剥离容易，剥离率提高;钛母板的始极片平直，刚性好，电解时电流密度均匀。上海冶炼厂、金川有色金属公司等均使用了钛阴极母板，获得了良好的经济效益。此外，电解镍生产设备的加热器、泵、阀门等也大量使用了钛材料。
3.2钛设备在电解铜生产中的应用
电解铜生产设备阴极辊筒原先是用钢阴极辊筒，由于电解液的腐蚀，导致辊筒表面出现点蚀，影响了铜箔的质量，且定期打磨辊筒也浪费了人力财力。使用钛辊筒后可以解决上述问题。此外，电解铜生产中的加热器、阴极母板等大部分都是由钛材制造的。
3.3其它
钛设备还用于钻、锌、铝、汞等冶炼、钨酸提纯等冶金工业中，主要设备有电解槽、反应器、洗涤塔、热交换器、搅拌器、蒸发装置、收尘装置等等，均取得了显著的效益。如前苏联用钛泵输送氯化物、氯化钠、氯化钾、稀盐酸时，泵的使用寿命比铸钛泵或耐酸钢泵提高5~20倍，液体损失减少了五分之三。氯化车间的钛储槽能使用3一4年，而钢制储槽只能用2个月I5]。
4、钛设备在电力工业的应用
火电站和核电站的凝气器是发电机组的重要设备。钛设备在电力工业的应用主要是指在沿海电站凝气器的应用。电站凝汽器是利用海水量较大的设备。由于冷凝器是用海水做冷却水的，而海水中含有大量的泥砂、悬浮物质、海生物和各种腐蚀性物质，在海水与河水交替变化的淡盐水中的情况更为严重。传统的凝汽器是用铜合金管，这种铜合金管在海水中因各种腐蚀，经常遭到严重破坏，凝气器运行一年左右就腐蚀泄漏。我国从70年代开始，就开展了电站凝气器用钛管的研究。中国最大钛材生产企业宝钛集团承担了冷轧无缝薄壁管的研制任务。所提供的钛管在金山热电厂、镇海电厂等凝气器中使用后，取得了显著的经济效益，钛凝气器的寿命比铜合金凝气器的寿命提高4~6倍，保证了电厂稳定安全生产。
5、钛设备在海洋工程的应用
目前，海洋工程用钛已成为钛民用应用的主要领域之一。
5.1海洋油气开发
海上石油开采设备主要包括采油平台和附属设备，附属设备有原油冷却器、升油管、泵、阀、接头和夹具等。这些设备均与海水及原油中的硫化物、氨、氯等介质接触。由于钛在这些介质中具有优异的耐蚀性，所以美国在70年代初就在其油田中使用了钛制造的近海石油平台支柱，同时用钛制造了列管式换热器和板式换热器。美国在北海油田钻并平台上大约使用了100个钛热交换器16][7]。
钛钻探管的使用寿命较长，其重量仅为不锈钢的一半，而使用灵活性却是不锈钢的二倍，使用寿命为钢的10倍。美国的Grant Prjdeco公司、RTI能源系统公司及Torch钻探服务公司在2000年首次将钛钻探管用于工业应用。
5.2海水淡化
早期的海水淡化装置使用铜合金、碳素钢等材料，因这些材料不耐海水腐蚀，生产效率低，很快被耐海水腐蚀性能优异的钛所代替。在海水淡化中，钛的主要应用是淡化装置的加热器传热管。日本一家公司为沙特建造日产淡水3万吨的蒸馏法装置10台，用钛管3200吨，平均日产1万吨的装置，需用钛107吨。我国的天津、山东等地均建有或在建海水淡化装置。预计天津和山东的海水淡化工程设备用钛量大约是250吨[8]。
5.3其它
钛及其合金在船舶中的应用十分广泛，如船体结构件、深海调查船及潜艇耐压壳体、管道、阀、船舵、轴托架、配件、动力驱动装置中的推进器和推进器轴、热交换器、冷却器、船壳声呐导流罩等等19111“}。此外，钛设备还用于海洋渔业、海洋热能转换等领域，如日本在人工养殖技术中，大量使用了钛金属网和维持一定海水温度的钛管式热交换器等;在海洋热能转换领域，美国、日本的温差发电站的主要设备蒸发器、凝缩器及海水吸管、环路系统等都使用了钛制设备，均取得了良好的效果。
6、钛设备在制药工业的应用
制药生产过程中，设备接触盐酸、硝酸、醋酸、硫酸及其盐类和有机溶剂等介质，设备腐蚀现象很严重。若经常停产维修，则会影响生产，况且，设备腐蚀产生污染还会影响产品的质量。制药工业的气流干燥装置，包括管道、螺旋加料机、加热器、旋风分离器等设备，使用不锈钢设备产生明显的腐蚀，腐蚀产物中的钛离子还有可能污染产品，使产品中的钛含量超标，影响产品的质量。选用腐蚀速率仅为0.0008~0.003mm/a的钛材料可以解决钛离子污染问题。
钛设备制造技术发展现状
1、钛设备通用制造技术
钛设备在各行各业的应用日益广泛，从设计方法和技术规范角度出发，可将钛设备的设计分为以下几类:
A压力容器设备，如某些化工应用的蒸发器、反应器等;
B常压设备，如钛制列管式换热器、各种钛容器等;
C通用机械设备，如钛风机、钛阀门、钛接头等;
D特殊或者专用条件下的钛设备和零部件，如医疗用的钛关节、钛骨头等。
目前，许多钛设备为压力容器，它不但要求材料具有优异的耐蚀性，而且还要求具有较高的综合力学性能及良好的焊接性能。从事钛压力容器设计杜的人员必须首先掌握我国已颁布实施的有关“压力容器”杜各项通用技术规范，这些规范对材料、制造、焊接、使用条件、质量检查、包装运输以及技术公式、参数取值等均做了明确、具体的规定。钛材具有良好的可加工性，绝大多数冷加工过程均可直接采用普通的加工设备进行加工，钛材冷加工工艺基本上不存在问题。
目前，国内外可用于制造压力容器的钛牌号很多，随着应用领域的不断增加.新的耐蚀、耐热高强钛合金也在不断地研究开发之中。
2、焊接技术
先进的焊接结构是降低材料消耗、减轻结构重量的有效途径。钛及钛合金的焊接方法很多，如钨极氢弧焊、熔化焊接、等离子弧焊、电子束焊等等。近年来，为适应现代焊接产品不断增长的高功率、高精度、高可靠性和高效率的要求，各种新型焊接技术不断出现，如高能束流焊接技术就是其中最有发展潜力的焊接技术之一，它包括电子束焊、激光焊、复合束流焊接等方法，具有焊接速度快、焊缝质量高及高效节能等许多优点，在国外已被广泛应用于航空航天、汽车、核工业等高技术领域。如激光技术已用于焊接结构件等，从而改善了焊接生产的工作环境，在一些发达国家，已用电子束焊接管道，其焊缝质量高，劳动生产率能提高2~10倍。此外，国外发达国家还在开发钛的搅拌摩擦焊等新的焊接技术。
目前国内在钛产品焊接中使用最普遍的是钨极氮弧焊(TIG)，除氨弧焊外，其它焊接方法如真空电子束焊、熔化极氨弧焊等工艺也可用于焊接钛设备，但这些焊接方法使用很少。在国内钛设备制造过程中，几乎95%以上的焊接工作是采用手工钨极氨弧焊完成的[10，12]。
3、检验
钛设备检验除了常规的X射线探伤、超声波探伤、渗透探伤以外，还有钛离子污染试验、氨渗透检验、肥皂泡检漏等。纯钛设备的检验用X射线探伤、渗透探伤、压力试验等手段可以保证钛设备的制造质量。复合板设备所需要的检验方法要复杂一些，检验复合板焊缝的方法可以采用渗透探伤、肥皂泡检漏、氦质谱检漏等措施。对于钛衬里设备，焊前或者过程检验十分重要。
我国钛设备制造中存在的问题和对策
1、钛设备制造自动化水平
我国钛设备制造技术与发达国家之间的另一个重大差距是自动化水平不高。国内钛设备专业厂的钛的自动切割、自动焊接、数控钻床等自动化装备还不能满足专业化和大型化的要求。许多工业应用的大型设备，必须依靠机械化、自动化生产工艺来实现。因此，我们应加强技术开发力度，努力提高生产效率，提高设备制造的自动化水平，从而提高钛设备的质量。
2、钛设备焊接水平
近年来，国外焊接技术水平发展很快，新型焊接设备、焊接技术不断涌现。设备的焊缝质量及劳动生产率大幅提高。而我国钛设备制造企业在这方面存在明显不足，我们应该不断地开发和应用新型焊接设备，缩小与发达国家的差距。
3、钛设备制造企业的生产环境水平
钛是一种活性金属，容易受到钛离子、灰尘及其它污染物的污染。因此，钛设备的生产要在洁净厂房内进行。我国钛设备企业虽然有了相对隔离的洁净厂房，但在厂房内的清洁程度、钛污染的控制、专门成形设备和工具等方面与国外厂家仍有一定差距。国内钛设备专业厂家的厂房高度、起吊重量还不能满足大型化的要求，普遍存在着钢结构和钛部件同时施工等不合理的现象，这有可能对钛设备的质量产生影响。
4、钛设备的推广应用及产品系列化
目前国内许多企业在使用钛设备时，多考虑设备的一次性投资较高，因而，与国外企业相比，选用钛材较少。我国钛设备制造企业应借鉴美国、日本等发达国家的经验·，从寿命周期、强度等方面综合分析，选用钛材应是十分理想的。因此，国内钛设备企业应大力宣传、推广钛设备的应用，开发市场、推广技术、扩大应用。
我国许多钛压力容器、换热器、泵、阀、风机等已经广泛应用，但没有形成专门的产品系列。因此，要针对市场需求，加强钛产品系列的标准化工作，提供相应的各种系列的钛产总之，随着国内钛设备制造企业的技术进步和管理水平的不断改进，相信我国钛设备制造水平一定会赶超世界先进水平。
参考文献:
1 KenBird.ZireadyneZranalternativetocostlyeorrosionmotenanee.oudookZndQuarter’96
2 Te一LinYau.Matehingcharaeteristiesofyourmediumtocapabilitiesofstrueturalmatedals.Oudook.lstQuarter’96
3 刘俭国.纯碱工业用钛.中国钛业.2007;(3):12
4 徐明林，辛湘杰.钛设备设计制造与应用.安徽科技印刷厂.1984:513
5 马风云.钛在前苏联冶金工业中的应用.钛工业进展，2仪抖，(3)14
6 颜学柏.钛的民用开发与前景展望.钛科学与工程，第十一届全国钛及钛合金学术交流会文集:20
7 LivLundeandHildeB.Nordvik.NorthSeaAPPlicationofTitanium.proeeedingoftheSymPosiumSPonsoredbythestrueturalMaterialsDivisionofrheMinerals，Metals&MaterialsSociety:177~178
8 中国钛协会.钛合金在海水淡化中的应用.亚洲钛业资讯，2005(2):14~16
9 王镐，祝建雯，何喻，白郁.钛在舰船领域的应用现状及展望.钛工业进展，2003(6):42一44
10 MatrhewJ.DonaehieJ.Titanium:ATeehniealGuide，USA，1998:145
11 obataY，MoriY，AokiKeral，FractureBehavio，BeamWejdsofTi一6AI一4VAlloy.Titanium Scieneeand Technology，1988:807一808
12 康浩方.国内外钛设备的焊接技术.钛工业进展，2003，(4):71一73
(作者单位:宝钛集团公司)
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