钛焊管在制盐设备领域的应用前景

1、前言

钛密度小，屈强比高，耐热性能、耐低温性能及换热性能，特别是在中性及氧化性介质中的耐腐蚀性好等优点．被广泛地应用在海水淡化、电力工业、石油化工、航空、航天工业、船舶行业和军事工业等诸多领域。而钛焊管是钛应用的一个重要领域，在发达国家已有四十多年的历史。目前，世界上技术先进国家已基本上用钛焊管代替了钛无缝管，而我国仍以钛无缝管为主。长期以来，我国受钛带生产、管成型技术和焊接技术的制约．钛焊管全部依赖进口，由于价格非常昂贵，从而大大限制了钛焊管的应用领域。近几年来，为打破国外厂商对钛焊管的技术垄断，国内多家有实力的钛材生产企业投入大量资金和人力，进行研发和引进吸收。攻克了钛焊管的生产技术，如今国产钛焊管已开始逐步地应用在国民经济的各个领域。

七十年代，我国盐行业因真空制盐技术兴起，钛良好的热传递性能和优良的耐腐蚀性能引起了行业的重视。在当时全国钛办、宝鸡有色金属研究所、宝鸡有色金属加工厂的大力支持下，钛作为加热室换热管的试验得以开展。从挂片、中试、到推广应用，几十年来，钛经历了不同性质的卤水，不同的工艺流程，不同的温度和压力等苛刻条件的考验。证明钛是目前盐行业设备最优秀的可选材质。然而时至今日。在国内其他各行业认可并大量使用钛焊管的时候，作为国内最早使用钛管之一的制盐行业。换热管却仍然使用按GB／T3625((换热管及冷凝器用钛及钛合金管》标准生产的冷拔钛无缝管，钛焊管鲜见使用。到底是什么原因阻碍了钛焊管这一新兴的金属材料在制盐行业的使用，是技术的问题、经济的问题或应用的问题?下面让我们作一比较分析。

2、钛焊管和钛无缝管技术指标比较

以美国ASTMB338标准和中国GⅣr3625标准

(1)化学成分指标(以工业纯钛为例，下同)：

比较结果见表1。钛焊管和钛无缝管其化学成分指标要求都是相同的。

(2)力学性能指标：

比较结果见表2。钛焊管和钛无缝管除抗拉强度要求有所不同外，其他指标是一致的。实际钛焊管生产商提供的产品，其抗拉强度都在400MPa以上。

(3)工艺性能指标：

比较结果见表3。钛焊管和钛无缝管的压扁试验要求相同，扩口率一样，气压试验要求基本相同。

钛焊管和钛无缝管的水压试验，除与管子的外径(D=2a0)和壁厚有关外，常数E略有所不同，焊管E取0.85．无缝管E取1.0。但不论是焊管还是无缝管．水压最大压力要求都是一致的，当管径不大于76mm时．水压试验最大压力都不大于17.2MPa；当管径大于76mm时，水压最大压力不大于19.3MPa。

(4)钛焊管焊缝与母材的金相、性能等指标对比：

①钛焊管焊缝与母材的金相组织有所差异。工业纯钛其组织为仪相，母材晶粒分布均匀，大小均一而焊缝组织的金相组织为树状相晶粒，由焊缝中心向母材延伸。且焊缝处的晶粒较母材略大。

②焊缝与母材性能对比：

a、焊缝与母材的力学性能等强度，焊接接头强度系数接近100％，有时焊缝强度稍高于母材。

b、焊缝与母材存在硬度差。焊缝及热影响区的硬度稍高于母材。

c、焊接后采用在线热处理工艺。通过优化退火参数，使母材、焊缝、热影响区的金相基本上接近；通过退火处理，消除了焊接应力，同时焊缝组织均匀化．硬度与母材接近。

3、钛焊管与钛无缝管经济指标比较

钛焊管采用连续焊管机组生产线，将原材料钛薄板．经过冷弯成型后焊接而成。钛无缝管通常采用三辊冷轧机对管坯减径减壁轧制生产，生产同一规格产品，至少需要2道次及以上往复轧制才能达到工艺要求。并且每轧制一次就需要对管材表面进行脱脂、酸洗等处理，生产工艺过程复杂，且无法实现自动连续生产，转运过程多，对管子的损伤大，成材率和生产效率低，无法实现大规模批量生产，生产周期也相对较长。

由于钛无缝管生产过程中涉及脱脂、酸洗过程．对环境的污染较大，在环境保护方面无疑要额外增加设备及防护措施，势必增加资金投入，产品生产成本提高。超大型无缝管生产厂家生产小批量订单时，单只管子成本过高，因此，钛焊管和钛无缝管在成本和供货时间之间的差异非常大，钛无缝管的价格高并且供货时间长。

钛焊管与钛无缝管相比，在经济性方面有如下优势：

(1)成材率高：钛无缝管从海绵钛到管材，通过轧制或者拉拔。成材率只有50％左右，在轧制或者拉拔过程中原材料浪费较多，因此材料利用率相当低，生产成本较高；而钛焊管生产，从海绵钛到焊接管材。材料的利用率通常在80％左右，如果以钛带为原料，其材料利用率可达到95％以上，材料利用率得以大大提高．生产成本相对降低。

(2)壁薄且壁厚均匀：钛无缝管经过轧制或拉拔工艺，很难做到壁厚1mm以下，而钛焊管则可做到壁厚0.5mm及以下，节约大量的材料及成本；且钛无缝管难以做到壁厚均匀，同心度差，而钛焊管采用冷轧钛带，同板差很小，则产品壁厚均匀，同心度好。

(3)性能优越：随着焊接技术的不断发展，钛焊管的机械性能已完全达到无缝管的要求，焊缝强度及耐腐蚀性能已超过母材的性能水平。

(4)换热效果好：钛焊管可以做到壁厚0.5mm及以下，由于其壁薄，钛焊管与钛无缝管相比，可获得更高的传热系数，在相同的换热面积下其换热效果更好。

4、钛焊管的应用

在上世纪六十、七十年代，美、日、法、俄等国家已分别先后把钛焊管使用在海水淡化、电力、化工、制盐等设备上。目前，国外大型焊管公司主要有日本的钢铁公司和神户制钢公司，法国的VALTIMET公司，俄罗斯的VSMPO公司；国内大型焊管公司主要有宝鸡钛业股份有限公司控股的一西安宝钛美特法力诺焊管有限公司(中外合资公司)，湖南湘投

金天新材料有限公司(中国独资)，常州法力诺焊管有限公司(法国独资)等。这些企业几乎垄断了中国的钛焊管市场。特别是国内建设规模最大的年产5000吨高性能钛焊管生产企业一湖南湘投金天新材料有限公司．现已经形成年2500吨钛焊管生产能力，单去年就向市场提供了500多吨的产品。如今国内钛焊管行业已成蓬勃发展之势。

(1)钛焊管在海水淡化中的应用

当前，世界上海水淡化的方法以蒸馏法为主。由于海水的污染使水质变差．所以现在很多国家与地区已经采用抗腐蚀能力强，又使用寿命长的钛焊管替代不锈钢管。海水淡化设备中冷凝管的材料钛焊管呈现越来越大的用量。在主要项目地区的中东国家，海水淡化设备中的蒸发器及换热器用管几乎全部采用钛焊管。如：2010年沙特延布三期80万吨海水淡化项目，韩国斗山和意大利FISIA设计采用钛焊管的规格为(I)40以上，壁厚0.7。长度超过25米，共计用量超过6600吨；法国SIDEM设计采用用规格为19x0.7和~22x0.7，用量超过3000吨。考证历史，日本是海水淡化薄壁钛焊管开发应用较早的国家，只从1967年到1994年近30年的管的生产体系，相应地开发了薄壁海水淡化装置。一个日产100吨纯净水的海水淡化装置共需钛焊管6万根，从使用钛焊管至今，日本的相关海水淡化装置生产厂家，已共计使用了几千吨钛焊管。

(2)钛焊管在电力工业中的应用

全球电力行业中的欧美及日本等国家，在七十年代建设海滨电厂时。冷凝器设备中的换热管开始采用钛焊管。我国电力行业使用钛制冷凝器始于八十年代。1983年我国开始研制薄壁焊接钛管凝汽器。近年来，随着我国沿海经济的发展，滨海火电站的建设在加快，全钛凝汽器的用量也随之增加。以200MW机组为例，每台使用钛焊管约28t，截止至1999年底．我国共27家电厂、96台机组使用钛制凝汽器．装机容量为2.95X107kW．累计用钛焊接管3100吨。国家在“十一五”电力改革计划中也明确规定，新建设的沿海火力电厂采用钛焊管为主体原料。再就是核电，核电是我国能源工业中重点发展的领域。作为一种清洁环保符合国家的产业政策和未来能源发展的方向。核电厂一般都建在海边，采用海水作为冷却介质，目前，基本都采用钛焊管作为冷却管道。钛焊管一般都为薄壁管材，壁厚在0.5~0.7mm之间。

(3)石油化工行业

石油化工装置在生产过程中需要大量使用热交换装置，如炼油工业中常试压装置。加氮裂化装置．以及海上石油平台的热交换器，水处理和供水系统，消防系统，聚氯乙烯热交换器，盘管试氧氯化反应器，甲醇合成反应等生产装置。这些装置都因为不锈钢管耐蚀性能的局限转而使用钛焊管。实践证明，在石油化工行业中许多腐蚀性强的装置，使用钛焊管后减少了维护的时间和频率，保证了设备的正常运行，提高了企业的竞争力。目前，钛焊管在石油化工行业中的应用正逐步展开。

(4)钛焊管在制盐工业中的应用

无论是多效真空蒸发还是热压制盐，都会使用大量的列管式换热设备，也就是行业内称的加热室或预热器。因为盐卤腐蚀性极强，在中国，早期用到的碳钢、不锈钢、紫铜和铜镍合金换热管已被钛换热管取代。钛换热管已成当下国内设计盐厂换热设备的主流用材。按2012年3月中国盐业协会发布的权威数据：2011年井矿盐区产能为4645万吨，若按此产能对应的换热设备面积折算成钛换热管用量估计应该在3000吨以上。由于中国制盐行业整体对以宝鸡钛业为龙头的国产钛无缝管的高度认同，钛焊管没有得到应用。反观国外，美国、欧洲和日本等国盐厂早已使用钛焊管，如上世纪七十年代中期建厂的日本钻石盐业株式会社崎户工厂，使用中42.7×0.7×7450、中44.1×0.7×7450钛焊管作加热室换热管；九十年代中期建厂的荷兰哈林根盐厂，使用38.8×0.889×8580钛焊管作加热室换热管等。

笔者认为，造成这种现象的根本原因是国内盐行业缺乏对钛焊管这种新材料全面的了解，存在认识上的问题：再就是钛焊管是舶来品，近几年才开始国内生产．尽管性能优异价格却不占优势。钛焊管的应用是广泛的，除例举的海水淡化、电力、石油化工和制盐外，在船舶制造、航空、航天]二业、汽车工业、食品卫生、体育行业和军事T业等都有应用。

5、结论

钛焊管采用冷弯成型技术、焊接技术，经过环保节能1二艺处理，具有钛无缝管无法比拟的优异特性，具体以下几点：

(1)从性能方面来看，钛焊管和钛无缝管没有差异。

(2)外形外观质量方面，钛焊管远远优于钛无缝管。钛焊管采用冷轧钛带焊接而成，壁厚均匀，光洁度好，管内不易结垢，尤其薄壁钛管，用无缝轧制丁艺根本无法达到要求。

(3)产品长度方面，钛焊管产品长度相对不受限制，但钛无缝管在轧制过程中受轧机本身影响，长度受很大限制。

(4)节能环保方面，钛焊管采用冷弯成型技术和焊接技术，生产过程无废气、废水等物体排放，生产过程环保节能，而钛无缝管在轧制过程中需要使用大量的润滑油，轧制后需要进行脱脂、酸洗，势必对环境和操作人员会造成一定影响。

总之，钛焊管在航空、航天、海水淡化、高腐蚀的石化、制盐、电力行业具有明显优势。近几年，钛焊管价格已经从远远高于钛无缝管到目前基本与钛无缝管接近，如今中国专业钛焊管生产已形成年约6000吨能力。我们有理由相信，随着钛焊接技术的进步和成熟，钛焊管逐步替代钛无缝轧制管，实现钛焊管大批量、高效率、高精确度和低成本的生产是与必然。优质低价的钛焊管将会逐为广大中国制盐行业用户所接受。

参考文献

[1]2011年中国钛合金焊管市场发展研究报告[R]．

[2]ASTMB338—09．冷凝器和热交换器用钛及钛合金无缝和焊接管[S]．

[3]GB／T3625—2007．换热管及冷凝器用钛及钛合金管[S]．

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