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鈦及鈦合金材料的應用溫度范圍

來源:鈦板,鈦棒,鈦管,鈦絲,鈦設備,鈦合金 發布時間:2013-5-14 14:31:01
(1)盡管有許多資料介紹鈦在室溫下存在蠕變的特性,但當溫度不大于316℃時,工業純的持久強度曲線趨于平坦,即持久強度與斷裂時間關系不大。只有當溫度超過316℃時,工業純鈦的持久強度值才可能比相應溫度下的短時拉伸強度低。因此至少在316℃以下短時拉伸試驗的強度就可以作為鈦及鈦合金材料的設計依據,只有當應用溫度更高時,才有必要除按短時拉伸強度設計外還應按持久強度設計。
  (2)各國的容器規范對鈦容器按短時強度設計的應用溫度上限的規定不完全相同,ASME公制版規定為300 cC , ASME-1998英制版規定為600 0F(316 0C),日本JIS B 8270-1993為350 0C,俄羅斯OCT26-01-279一一1978 (1982年1月8日起實行)規定BT1一0為300 cC,OT4一0為400 0C , AT3為350℃。1990年發布的《壓力容器安全技術監察規程》在起草時曾提出純鈦板應用溫度不高于200 cC,由于當時國內已在使用的鈦容器設計溫度已達210℃和230 cC,因而定稿發布時定為230 qC。近年國內使用的鈦容器的設計溫度已有280 cC、 315℃等,1999年版雖仍定為230℃,但經壓力容器標準化技術委員會與其協商,已同意按300℃。
  (3)表面無膜的銀白色的鈦,在300℃以上時,表面開始生成淡黃色的氧化膜;400℃以上時,形成金黃色氧化膜。鈦的這些氧化膜質地致密、附著牢固、不易脫落,具有保護作用。
因此至少在350℃以下,鈦表面在空氣中的氧化和腐蝕介質中的氧化不會對鈦的應用起不利影響。
  (4)表面沒有氧化膜的鈦,在300℃以上即可明顯地吸收空氣或其他介質中的氫;鈦表面存在氧化膜時,產生明顯吸氫作用的溫度則稍高,450℃以上氫氣才能進入鈦中。鈦經在大氣中存放或在大氣中經氧化處理,在化學介質中經化學鈍化或陽極鈍化處理,以及鈦在氧化性的腐蝕介質中使用后,表面均存在良好的氧化膜。因而一般認為400℃以下氫不會對鈦設備產生不利作用。當然,如果介質的還原性強,電化學腐蝕的陰極析氫反應會使鈦氫化,但這屬于使用鈦設備不當的問題,不屬正常使用的鈦的應用溫度問題。
  (5) CD 130A8-87中規定:“對于全鈦設備,從經濟角度考慮,其使用溫度最好不超過150℃。”這是因為溫度超過150℃后,鈦的抗拉強度下降得很多,需用更厚的壁厚,經濟上不合算。
  據本標準起草人了解,工業純鈦在150℃的抗拉強度約為室溫值的57%,在300℃時的值約為室溫值的36%,300℃時的值約為150℃時的63%,高溫下鈦的抗拉強度的下降是明顯的,但在300℃時所用6個容器用變形鈦的抗拉強度下限保證值仍在100 MPa一195 MPa的水平,從技術上講容器是可以應用的。
  我們認為,在本容器標準中確定應用溫度上限主要應從技術可行性出發,至于經濟上是否合算的問題與容器的許多具體情況密切相關,經濟上是否合算應當留給容器設計人員根據具體情況去確定,實際上容器是否應當用鈦制造,在絕大多數場合下都應當考慮一下經濟上是否合算的問題,這與鈦容器在技術上的應用范圍不是一碼事。可能存在這樣的情況,設計溫度超過150℃,從耐蝕性而言采用鈦是最合適的材料,從結構特點或傳熱要求等而言又不宜采用復合板或襯鈦結構,只有采用單層鈦容器才最合理,這時即使由于鈦的強度低些而采用壁厚較厚的鈦容器才是最經濟合理的方案。
  因此本標準將單層鈦容器應用溫度上限定為300℃是合適的。
  (6)復合板容器的應用溫度上限,《容規》和CD 130A8-87均定為350 CC。這是由于復合板復層鈦和基層鋼具有連接強度,鈦層與鋼層共同承載,共同變形,而鋼的應用溫度上限多大于350℃。
  因而本標準將復合板容器應用溫度上限定為350℃也是合適的。
  (7)對于襯鈦容器而言,由于鈦的線膨脹系數約為鐵素體鋼的2/3,約為奧氏體不銹鋼的1/2,在容器升降溫過程中襯鈦層會受到較大的熱應力:升溫時襯鈦層受到拉應力,存在拉裂的可能性;降溫時襯鈦層受到壓應力,存在鼓包的可能性。溫差越大,襯鈦層的受力也越大。因此襯鈦容器的設計溫度不宜過高。
  襯鈦層失效的可能性除與設計溫度有關外,還與升溫的速度、設計結構等因素密切相關。英國標準CP 3003《化工容器和設備的襯里》中第九部分“襯鈦化工容器和設備制造規范”中規定:“松襯里的設備不適用于操作溫度高于205℃或有嚴重溫度變化或溫度變化頻繁的環境”。CD 130A8-87中也規定:“襯鈦設備的使用溫度不超過205℃。”本標準考慮到襯鈦容器應用溫度上限的影響因素甚多,國內已使用的襯鈦尿素合成塔的設計溫度為210 0C,國內已使用的鈦制氨氣提塔中碟形管板過渡圓角處采用了襯鈦結構,其設計溫度為230℃。
  因而將襯鈦容器使用溫度上限定為250℃。當然在較高的應用溫度時,襯鈦容器在結構設計上和操作升降溫度上均應采取相應的措施。
   (8) ASME規定:“鈦并不像有些黑色金屬材料那樣在低溫下有一個過渡范圍,在低溫‘時抗沖擊性能不會受到損失,其靜抗拉強度隨溫度下降而增加,用伸長率來度量的塑性不會受到顯著影響,因此ASME不規定鈦等有色金屬的低溫沖擊試驗。”“鈦在0℃以下時沖擊性能并無顯著下降,鈦的使用溫度降至一60℃時沒有附加要求,鈦可以用到更低的溫度,但應用適當的檢驗結果使用戶滿意,如伸長率等,以證明在低的設計溫度下鈦具有適當的塑性。"JIS B 8270-1993規定容器用鈦可用到一268℃。俄羅斯規范規定退火狀態下的鈦材用于壓力容器的溫度下限為:BT1一0和AT3為一269 0C , OT4為一196℃。而OCT 26 -II一06-1985(1987年修訂)《鈦和鈦合金焊制容器和設備一般技術條件》則規定適用的環境溫度范圍不低于一10℃。CD 130A8-87中規定的鈦使用溫度下限:TA1為一268 0C , TA2為一196 0C , TA3為一60 cC , Ti一0.15Pd和Ti一0.3Mo一0.8Ni為一30℃,且規定:用于設計溫度低于一30℃的鈦板應進行低溫夏比沖擊試驗。
  本標準規定鈦的應用溫度下限為一269℃,但在設計溫度低于一60℃時應在設計溫度下檢驗伸長率,其值不得低于容器用變形鈦的室溫標準伸長率下限值。
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