發(fā)布日期：2024-1-18 10:35:24
引言
鈦及鈦焊管廣泛用于石油、化工、制鹽、制藥、冶金、電子、航空、航天和海洋等相關(guān)領(lǐng)域。特別是鈦焊管，因其優(yōu)良的耐腐蝕性能，被廣泛用于冷凝器中，用于核電項(xiàng)目、海水淡化項(xiàng)目[1−2]、火電項(xiàng)目、污水處理項(xiàng)目、PTA項(xiàng)目和航空裝備[3−5]。
鈦是具有強(qiáng)烈鈍化傾向的金屬，在空氣中和氧化性或中性水溶液中能迅速生成一層穩(wěn)定的氧化性保護(hù)膜，即使因?yàn)槟承┰蜓趸ぴ馄茐�，也能迅速自�?dòng)恢復(fù)。因此，鈦在氧化性、中性介質(zhì)中具有優(yōu)異的耐腐蝕性[6−9]。鈦焊管在裝備中的服役穩(wěn)定性和壽命直接關(guān)乎裝備的使用效率和安全性，鈦焊管在服役介質(zhì)中的長(zhǎng)時(shí)耐腐蝕性能一直是重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題[10]。郭佳林等人[4]發(fā)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)鈦焊管與進(jìn)口鈦焊管的疲勞壽命較為接近，水蒸汽氛圍大幅度降低了鈦焊管的疲勞壽命。謝祎[5]等人指出鈦焊管的耐海水沖蝕速率顯著低于銅合金，相應(yīng)的薄壁鈦焊管在海水淡化設(shè)備中已廣泛使用。
目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于鈦焊管耐腐蝕性能研究的數(shù)據(jù)不多，且缺少鈦焊管不同工況條件下長(zhǎng)時(shí)的耐腐蝕研究，為了更好地推廣國(guó)產(chǎn)鈦焊管，研究國(guó)產(chǎn)鈦焊管長(zhǎng)時(shí)耐腐蝕性能，于是開展了長(zhǎng)時(shí)間腐蝕試驗(yàn)，希望通過(guò)數(shù)據(jù)收集和分析，掌握不同工況條件下鈦焊管長(zhǎng)時(shí)耐腐蝕性能，增加國(guó)產(chǎn)鈦焊管的應(yīng)用領(lǐng)域。
筆者從使用者的角度出發(fā)，模擬不同工況條件，采用長(zhǎng)時(shí)間浸泡法，通過(guò)宏觀尺寸測(cè)量、金相組織分析、力學(xué)性能測(cè)試等方法，研究鈦焊管在自來(lái)水、氯化鎂水溶液、海水、硫酸溶液中的耐腐蝕性能，通過(guò)研究證明鈦焊管具有優(yōu)異的耐腐蝕性能。
1、試驗(yàn)材料
試驗(yàn)所用鈦焊管是湖南湘投金天新材料有限公司生產(chǎn)，產(chǎn)品牌號(hào)為Gr.2，產(chǎn)品材質(zhì)和性能如表1所示。鈦焊管采用純鈦帶卷經(jīng)輥彎成型、鎢極氬弧自熔焊接、在線熱處理、定徑、渦流檢測(cè)、超聲檢測(cè)、水壓氣密等流程生產(chǎn)而成，產(chǎn)品性能和公差尺寸完全符合ASTMB338和GB/T3625-2007換熱器及冷凝器用鈦及鈦合金管標(biāo)準(zhǔn)要求。
試驗(yàn)中所用到的試劑見表2，2015年3月2日取Ø20mm×0.5mm×300mmGr.2鈦焊管8支，爐號(hào)為141-0133，批號(hào)為1503015O1，管材編號(hào)1～8，分別放入到自來(lái)水、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的氯化鎂水溶液、海水、體積分?jǐn)?shù)為10%的硫酸溶液四種腐蝕溶劑中進(jìn)行觀察，溶液體積均為5L，腐蝕時(shí)間為7年多（2741天）。
使用ONH聯(lián)合測(cè)定儀（生產(chǎn)廠家：LECO）、碳硫測(cè)定儀（生產(chǎn)廠家：LECO）檢測(cè)O、N、H、C、S元素含量，使用100kN電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(生產(chǎn)廠家：美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國(guó)）有限公司)進(jìn)行拉伸、壓扁、擴(kuò)口、展平試驗(yàn)，使用維氏硬度計(jì)(生產(chǎn)廠家：美國(guó)Wolpert測(cè)量?jī)x器（上海）有限公司)進(jìn)行硬度試驗(yàn)，使用金相顯微鏡、金相磨拋機(jī)、激光切割機(jī)進(jìn)行宏觀尺寸測(cè)量和金相試驗(yàn)。
2、試驗(yàn)結(jié)果
2.1鈦焊管焊縫成型特征
純鈦Gr.2焊管用鈦帶卷經(jīng)過(guò)輥彎成型加工，逐漸形成鈦焊管管坯，鈦焊管管坯帶邊經(jīng)過(guò)鎢極氬弧自熔焊接技術(shù)形成鈦焊管。為了釋放鈦焊管成型應(yīng)力和焊接內(nèi)應(yīng)力，鈦焊管須經(jīng)過(guò)高溫去應(yīng)力退火，并保持一定時(shí)間；此外，為實(shí)現(xiàn)鈦焊管外徑公差等尺寸要求，還需要對(duì)鈦焊管進(jìn)行多次定徑矯直處理。
圖1為純鈦焊管及焊縫橫截面形貌，通過(guò)優(yōu)化TIG電弧焊接工藝參數(shù)，焊縫熔合線位置厚度相比于母材減少0.02mm，焊縫外表面與母材平齊，內(nèi)余高為0.048mm，焊管外徑公差尺寸為±0.05mm，完全滿足ASTMB338國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求。
2.2鈦焊管焊縫組織性能
Gr.2鈦焊管母材微觀組織主要由等軸狀α相組成，且晶粒較為細(xì)小。焊縫區(qū)和熱影響區(qū)組織為等軸狀α相和柱狀α相，晶粒較大。原因是在TIG焊接熱循環(huán)作用下，焊縫金屬經(jīng)過(guò)熔化凝固過(guò)程，熔池高溫停留時(shí)間導(dǎo)致焊縫晶粒長(zhǎng)大，如圖2所示。
參考GB/T3625-2007《換熱器及冷凝管用鈦及鈦合金管》標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)Gr.2鈦焊管進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果如圖3和表3所示。抗拉強(qiáng)度為350MPa，屈服強(qiáng)度為295MPa，延伸率為23%。拉伸試樣斷裂位置出現(xiàn)明顯縮頸現(xiàn)象，擴(kuò)口試驗(yàn)擴(kuò)口率為22%，焊縫未發(fā)現(xiàn)裂紋。壓扁試驗(yàn)和反彎試驗(yàn)后，焊縫位置無(wú)裂紋產(chǎn)生。
2.3鈦焊管腐蝕行為
經(jīng)長(zhǎng)時(shí)腐蝕后，分別取出觀察表面，發(fā)現(xiàn)被體積分?jǐn)?shù)10%的硫酸溶液浸泡的鈦焊管（即3、4號(hào)管）表面出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，其余三種溶液浸泡的鈦焊管表面無(wú)明顯變化，如圖4所示。
并對(duì)8支鈦焊管母材取樣測(cè)量宏觀尺寸，如圖5和表4所示，其中經(jīng)硫酸溶液腐蝕后的鈦焊管母材出現(xiàn)壁厚減薄現(xiàn)象，減薄率達(dá)到2%以上，其余樣品母材壁厚減薄不明顯。母材金相組織（圖5）顯示，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)浸泡腐蝕后，鈦焊管母材內(nèi)部金相組織無(wú)異常。
分別取出自來(lái)水和硫酸腐蝕液的鈦焊管，對(duì)焊縫進(jìn)行金相分析，如圖6所示，可以發(fā)現(xiàn)，雖然在硫酸環(huán)境下鈦焊管母材和焊縫均有所減薄，但并未對(duì)鈦焊管內(nèi)部的金相組織產(chǎn)生影響。鈦焊管母材仍為均勻的等軸組織，熱影響區(qū)為聯(lián)生生長(zhǎng)的柱狀晶，焊縫為粗大的柱狀晶組織。說(shuō)明鈦焊管母材和焊縫均具有優(yōu)良的耐腐蝕性能。
3、結(jié)論
1）長(zhǎng)時(shí)浸泡在體積分?jǐn)?shù)10%硫酸溶液中的鈦焊管表面出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，浸泡在其余三種溶液中的鈦焊管表面無(wú)腐蝕現(xiàn)象。
2）長(zhǎng)時(shí)浸泡在體積分?jǐn)?shù)10%硫酸溶液中的鈦焊管壁厚出現(xiàn)減薄現(xiàn)象，腐蝕速率為1.398μm/a，浸泡在其余三種溶液中的鈦焊管壁厚幾乎沒有減薄。
3）可以證明鈦焊管可以用于生活用水、制鹽、海洋工程、海水淡化等環(huán)境中，鈦焊管具備優(yōu)異的耐腐蝕性能。
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