超薄壁钛焊管制造工艺研究*

谢 祎

（湖南湘投金天新材料有限公司，湖南 益阳413000）

超薄壁钛焊管制造工艺研究*

谢 祎

（湖南湘投金天新材料有限公司，湖南 益阳413000）

针对应用于海水淡化装置中的铜合金管耐腐蚀性能差，易结垢的缺点，对钛焊管的工艺进行了研究。由于钛在湿氯气介质及海水中，具有极其优异的耐腐蚀性，即使在污染的海水中也保持有良好的耐腐蚀性，但钛管导热性能不及铜管，不过可以通过减小钛管壁厚来弥补其导热性不足，以逐步取代铜合金管，将会被广泛应用于海水淡化装置中。为了适应高端市场的需求，降低设备及其维护成本，提高换热效率，以壁厚小于0.5mm的钛焊管为研究对象，通过对管坯钛带性能的要求、钛焊管生产线设备精度和稳定性控制，钛带成型及焊接工艺研究，成功焊接出了牌号为Gr.2厚径比（t/d）小于1.5%外径25.4mm、壁厚0.3mm的超薄壁钛焊管，各项性能达到了国际标准要求。

焊接；钛焊管；钛带；成型；铜合金管；耐腐蚀性

由于钛在湿氯气介质及海水中，具有极其优异的耐腐蚀性[1]。即使在污染的海水中也具有良好的耐腐蚀性。因此，在20世纪70年代就被应用到海水淡化工程。

早期海水淡化设备导热管主要用铜合金管，但铜合金管耐腐蚀性能差，且容易结垢，水垢处会滋生细菌和病毒，不仅会加速铜管腐蚀，还会释放出有害物质，对海域水质造成污染[2]。用钛管代替铜合金管，其抗腐蚀性能显著提高，但是其导热性能却远低于铜合金管[3]。钛的热导率为 17 W/（m·K），而 B10白铜的热导率为 30.93 W/（m·K）[4]。通常铜合金导热管的壁厚为0.9～1.2mm，为弥补钛管导热性不足，可以通过减小钛管壁厚尺寸来提高其换热效率。国外依靠海水或苦咸水冷却的滨海电站冷凝器大部分采用Φ25mm×0.5mm规格钛焊管。在海水淡化装置中，日本三菱、川崎及神户制钢等公司也大量使用了壁厚0.5mm及0.7mm的钛焊接管[5]。1995年华北电力学院北京研究所与河北电力设备厂联合研制了1 200 m3/d的海水淡化中间试验装置[6]，采用的钛管规格是Φ18mm×0.6mm×6 000mm/4 830mm/3 280mm。在壁厚更薄的钛管应用方面，1975年5月日本鹤崎制成的日产10万吨能力的多级闪蒸法装置中，放热部及加热部用了6 000根钛焊管，其规格分别为 Φ16mm×0.3mm、Φ16mm×0.4mm和Φ19mm×0.4mm。1963年日本大阪发电厂采用壁厚0.3～0.5mm的钛焊管进行了工业试验。

在各国钛焊管的产品目录中，英国以及俄罗斯等国产品的最小壁厚为0.5mm，法国Valinox产品最小壁厚为0.4mm。只有日本有最小壁厚为0.3mm的钛焊管产品，但也仅限于小规格管，如住友金属仅限于Φ6.5mm、Φ8.0mm以及Φ10.0mm三种规格，神户制钢的钛焊管最小壁厚为0.3mm的Φ16mm、Φ19mm产品。国内某设计单位，为充分发挥钛焊管在海水介质中工作的冷凝器的技术性能指标，对壁厚小于0.5mm、外径不大于25.4mm的钛焊管提出需求。为适应高端市场的需求，本研究对外径为25.4mm、壁厚为0.3mm的超薄壁钛焊管，从原材料性能、管材成型、焊接等一系列工艺进行了技术研究。

1 薄壁钛焊管对管坯钛带的性能要求

1.1 钛带的技术指标

钛带制造常用标准有ASTM B265、JISH4600、GB/T 3622、YS/T 658以及国标GB/T 26723。这些标准只有ASTM B265、YS/T 658和GB/T 26723规定了非比例延伸强度Rp0.2的上限。但根据这些标准购置钛带往往生产不出合格的钛焊管。如按ASTM B265购入2级钛带非比例延伸强度Rp0.2为450 MPa，但焊出的钛焊管却达不到ASTM B338钛焊管非比例延伸强度Rp0.2为275~450 MPa的技术要求[7]。

日本JIS H4600虽对非比例延伸强度Rp0.2的上限没有限制，但它对非比例延伸强度Rp0.2的下限规定较低，如2级钛非比例延伸强度Rp0.2的下限为215 MPa，远低于其他标准的275 MPa，且延伸率、弯曲角指标均高于其他标准，这就保证了管坯在连续冷弯辊式成型过程的良好成形性。同时，日本钛管的质量检测标准JIS H4631《热交换器用钛及钛合金管件》、JISH4635《钛及钛合金管焊接管材》中，均没有非比例延伸强度Rp0.2指标要求。所以，简单的按日本JIS购置钛带，也未毕能生产出满足国内和国际市场、客户要求的钛焊管。因冷弯成型在一定程度会提高材料的非比例延伸强度Rp0.2指标，但达到JIS 2级钛非比例延伸强度Rp0.2的下限为215 MPa的合格钛带，也保证不了生产出非比例延伸强度Rp0.2的下限为275 MPa的合格钛焊管。

表1对2级钛焊管国内外技术标准进行了对比分析，国际标准ASTM B338和国家标准GB/T 3625规定了非比例延伸强度Rp0.2指标，而日本标准JIS H4631、JIS H4635对非比例延伸强度Rp0.2没有规定，如果要生产满足ASTM B338要求的产品，必须对钛带的性能进行合理的控制。

表1 钛焊管性能国内外标准对比表

1.2 国产钛焊管生产现状

早期虽然我国从国外引进了小直径钛焊管生产线，但钛带卷仍依赖进口，国内无法提供优质的薄壁钛焊接管用的带坯[8]。本研究使用的是国产Gr.2级，厚度0.3mm的钛带，进行了钛焊管成型、焊接试验。该国产钛带虽然板形不好、厚度尺寸超差，但力学性能完全符合标准要求，见表2。

表2 钛带力学性能

用此钛带进行钛焊管成型、焊接试验，首先遇到的问题是回弹大，难成型。由于钛金属本身弹性模量低，屈强比高，冷加工回弹大，给钛制产品的加工带来了一定的困难[9]。又由于厚度太薄，带边在不均匀受力的情况下非常容易产生变形，当变形程度超过弹性极限，很容易产生鼓包、波浪形边等，导致无法焊接。将此带通过多道辊成型后取出，观察其成型效果，如图1所示。从图1可以明显看出，成型过程中鼓包严重，边部波浪大，导致无法焊接或焊接打孔，焊接质量不稳定，无法确保连续生产。

图1 薄壁钛带成型回弹图示

成型良好的钛带是钛焊管连续生产的前提，不能保证稳定成型的钛带是不能连续稳定生产出高质量钛焊管，若生产超薄壁钛焊管则更加困难。

板形好、性能适宜、厚度均匀是保证钛管良好成型的前提之一。另外，良好的成型也与机组机架的排布方式、机组加工及装配精度、轧辊弧形的设计等紧密相关。为了能够成功开发出成型良好的超薄壁钛焊管，不但根据前一次开发经验，制定了钛焊管用钛带采购企业标准，而且对成型段轧辊弧形进行了优化，以适应超薄壁钛带的冷弯成型。

1.3 钛焊管用钛带企业标准的制定

通过分析对比，钛带性能国内外标准对比见表3，并结合国内外钛焊管生产的实际经验，湖南湘投金天新材料有限公司制定了“钛焊管用钛带采购企业标准”。此标准除了对非比例延伸强度Rp0.2有严格的要求外，还规定了硬度指标要求，硬度越高，冷弯成型越困难，反弹越大，也会加剧轧辊模具的磨损，降低模具的使用寿命。

本研究根据企业标准采购了牌号为Gr.2、厚度为0.3mm的进口超薄壁钛带卷，各项指标均满足企业标准要求，见表4。

表3 钛带性能国内外标准对比表

表4 Gr.2钛带的力学性能

2 钛焊管生产要求设备具有高精度和高稳定性

钛焊管生产设备的高精度靠三方面来保证：①设备的制造加工精度；②装配精度；③结构设计的指导思想。

设备的制造加工精度和装配精度两者密切配合、相互关联、缺一不可。如果某部件安装精度达不到指标，就应该要求厂家重新加工，而不是用垫片等临时措施解决。如果设备加工精度和装配精度不达标，将会导致钛焊管生产过程中，机架及轧辊跳动大，运行不稳定。如图2所示为基准端面精度控制，基准面平面度达到0.025mm。

图2 基准端面精度测量

而对于结构设计的指导思想来说，箱型结构的底座、铸造的牌坊架、成型-定径机组间的张力平衡等设计保证了焊管生产线整体运行的稳定性。而细节设计更为重要，如在选择轴承结构形式时，选择的是圆锥滚子轴承，而不是滚子球轴承。图3所示为铸造的牌坊架及轴跳动检测，平辊径向圆跳动达到0.02mm。

图3 铸造的牌坊架

3 采用企标购入钛带的成型焊接情况

3.1 企标购入钛带成型情况

相对于普通焊管的成型，超薄壁钛焊管由于壁薄，带边在不均匀受力的情况下非常容易产生变形，加之钛金属本身反弹大，导致成型非常困难。按照企业标准购入的钛带，通过优化成型轧辊弧形，成型过程中产生的鼓包得以消除，达到了理想的成型效果，如图4所示。

图4 稳定成型效果

3.2 钛管焊接情况

钛的化学性质非常活泼，高温下与氮、氢、氧亲和性高，极易氧化，钛在吸收氮、氢、氧后会使钛的综合力学性能下降[10]。本研究在焊接时采用密闭焊合室，充纯度99.99%以上的氩气进行保护，焊接效果比较理想，焊缝没有出现氧化等其他变色，焊缝表面状态如5所示。

图5 焊缝表面状态

3.3 钛管性能测试

（1）钛管力学性能测试。所制得的超薄壁钛焊管力学性能满足ASMT B338标准中的规定。钛管力学性能检测结果见表4。

表4 钛焊管力学性能测试结果

（2）钛管工艺性能测试。所制得的钛管经过扩口试验、压扁试验、反向展平试验，内外表面均未发现裂纹。

（3）钛焊管显微组织分析。所制得的钛焊管母材、焊缝的显微组织如图6所示。

图6 钛焊管焊缝和母材的显微组织

从图6（a）可以看出，焊缝、熔合区和热影响区域存在不规则组织，为等轴α相粗大板条状α相和针状α相。从图6（b）可以看出，母材组织为均匀的等轴α组织，晶粒细小。

可见，合理的焊接工艺是保证焊缝组织及质量的前提，若焊接工艺不匹配时，将会导致焊缝组织晶粒粗化，引起塑性和断裂韧度降低，焊缝强度难以保障。

4 结 语

本研究按“钛焊管用钛带采购企业标准”购入钛带，用自行制定的工艺，成功的焊接出了厚径比（t/d）小于1.5%外径为25.4mm、壁厚为0.3mm的超薄壁钛焊管产品，各项性能均满足国际标准ASTM B338要求，掌握了壁厚0.3mm及以上壁厚的超薄壁钛焊管生产工艺。

[1]杨国强.钛设备在我厂生产中的应用[J].氯碱工业，1991（1）：45-46.

[2]高书君，董超芳，骆鸿，等.直饮水系统环境中铜管水垢沉积问题研究[J].水资源与水工程学报，2014,25（5）：196-202.

[3]李亚江.焊接冶金学—材料焊接性[M].北京：机械工业出版社，2006：171-173.

[4]汪德良.凝汽器钛管在我国发电厂中的应用现状[J].钛工业进展，1999（5）：6-10.

[5]郝斌.钛在海水淡化设备上的应用 [J].世界有色金属，2001（3）：36-38.

[6]高凯.海水淡化装置中钛管板的焊接 [J].河北电力技术，1998（S1）：9-10.

[7]ASTM B338—2014，Standard Specification for Seamless and Welded Titanium and Titanium Alloy Tubes for Condensers and Heat Exchangers[S].

[8]陈玉良，刘建良，黄子良，等.国内钛带卷生产现状及发展前景[J].钛工业进展.2010,25（5）:6-8.

[9]邹武装.钛手册[M].北京：化学工业出版社，2012：6-7.

[10]湖南湘投金天新材料有限公司.钛焊管生产线的焊接装置:中国,ZL201020671071.1[P].2011-09-14.

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 文献标志码：B DOI:10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.05.008

湖南省战略性新兴产业科技攻关类项目“海洋工程用高端耐蚀钛管材关键技术研究与产业化示范”（2014GK1009）

谢 祎（1984—），男，国际焊接工程师，主要从事钛及钛合金焊管的技术研究与产品开发工作。

2016-02-01

张 歌