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纯钛GR.1-4和钛合金GR.5应使用温度上下限

阿斯米合金  2020-10-19 22:12:09  1970
内容摘要:对于纯钛和钛合金的使用和应用温度,经常有用户给阿斯米合金提及使用温度问题,一般来说,由于该材料在高温氢氧结合脆性和晶粒问题,不建议钛材在高温状态下使用,究竟什么环境可使用到什么温度呢?本文从化工行业、...

对于纯钛和钛合金的使用和应用温度,经常有用户给阿斯米合金提及使用温度问题,一般来说,由于该材料在高温氢氧结合脆性和晶粒问题,不建议钛材在高温状态下使用,究竟什么环境可使用到什么温度呢?本文从化工行业、压力容器行业、钛衬板、钛复合等角度提及了温度使用上限,是不可多得一篇好文。分享如下:


(1)尽管有许多资料介绍钛在室温下存在蠕变的特性,但当温度不大于316℃时,工业纯钛的持久强度曲线趋于平坦,即持久强度与断裂时间关系不大。只有当温度超过316℃时,工业纯钛的持久强度值才可能比相应温度下的短时拉伸强度低。因此至少在316℃以下短时拉伸试验的强度就可以作为钛及钛合金材料的设计依据,只有当应用温度更高时,才有必要除按短时拉伸强度设计外还应按持久强度设计。

(2)各国的容器规范对钛容器按短时强度设计的应用温度上限的规定不完全相同,ASME公制版规定为300℃,ASME-1998英制版规定为600F(316℃),日本JIS B8270-1993为350℃,俄罗斯OCT26-01-279——1978 (1982年1月8日起实行)规定BT1-0为300℃,OT4-0为400℃,AT3为350℃。1990年发布的《压力容器安全技术监察规程》在起草时曾提出纯钛板应用温度不高于200℃,由于当时国内已在使用的钛容器设计温度已达210℃和230℃,因而定稿发布时定为230℃。近年国内使用的钛容器的设计温度已有280℃、315℃等,1999年版虽仍定为230℃,但经压力容器标准化技术委员会与其协商,已同意按300℃。

(3)表面无膜的银白色的钛,在300℃以上时,表面开始生成淡黄色的氧化膜;400℃以上时,形成金黄色氧化膜。钛的这些氧化膜质地致密、附着牢固、不易脱落,具有保护作用。

因此至少在350℃以下,钛表面在空气中的氧化和腐蚀介质中的氧化不会对钛的应用起不利影响。

(4)表面没有氧化膜的钛,在300℃以上即可明显地吸收空气或其他介质中的氢;钛表面存在氧化膜时,产生明显吸氢作用的温度则稍高,450℃以上氢气才能进入钛中。钛经在大气中存放或在大气中经氧化处理,在化学介质中经化学钝化或阳极钝化处理,以及钛在氧化性的腐蚀介质中使用后,表面均存在良好的氧化膜。因而一般认为400℃以下氢不会对钛设备产生不利作用。当然,如果介质的还原性强,电化学腐蚀的阴极析氢反应会使钛氢化,但这属于使用钛设备不当的问题,不属正常使用的钛的应用温度问题。


钛材使用温度


(5)钛制设备技术条件(CD130A9-87)、钛制设备设计技术规定(CD130A8-87)中规定:“对于全钛设备,从经济角度考虑,其使用温度最好不超过150℃。”这是因为温度超过150℃后,钛的抗拉强度下降得很多,需用更厚的壁厚,经济上不合算。

据了解,工业纯钛GR.1-4在150℃的抗拉强度约为室温值的57%,在300℃时的值约为室温值的36%,300℃时的值约为150℃时的63%,高温下钛的抗拉强度的下降明显,但在300℃时所用6个容器用变形钛的抗拉强度下限保证值仍在100 -195 MPa的水平,从技术上讲容器是可以应用的。

在容器标准中确定应用温度上限主要应从技术可行性出发,至于经济上是否合算的问题与容器的许多具体情况密切相关,经济上是否合算应当留给容器设计人员根据具体情况去确定,实际上容器是否应当用钛制造,在绝大多数场合下都应当考虑一下经济上是否合算的问题,这与钛容器在技术上的应用范围不是一码事。可能存在这样的情况,设计温度超过150℃,从耐蚀性而言采用钛是最合适的材料,从结构特点或传热要求等而言,又不宜采用复合板或衬钛结构,只有采用单层钛容器才最合理,这时即使由于钛的强度低些而采用壁厚较厚的钛容器才是最经济合理的方案。

因此标准将单层钛容器应用温度上限定为300℃是合适的。

(6)复合板容器的应用温度上限,《容规》和CD 130A8-87均定为350℃。这是由于复合板复层钛和基层钢具有连接强度,钛层与钢层共同承载,共同变形,而钢的应用温度上限多大于350℃。

因而本标准将复合板容器应用温度上限定为350℃也是合适的。

(7)对于衬钛容器而言,由于钛的线膨胀系数约为铁素体钢的2/3,约为奥氏体不锈钢的1/2,在容器升降温过程中衬钛层会受到较大的热应力:升温时衬钛层受到拉应力,存在拉裂的可能性;降温时衬钛层受到压应力,存在鼓包的可能性。温差越大,衬钛层的受力也越大。因此衬钛容器的设计温度不宜过高。

衬钛层失效的可能性除与设计温度有关外,还与升温的速度、设计结构等因素密切相关。英国标准CP 3003《化工容器和设备的衬里》中第九部分“衬钛化工容器和设备制造规范”中规定:“钛衬里的设备不适用于操作温度高于205℃或有严重温度变化或温度变化频繁的环境”。CD 130A8-87中也规定:“衬钛设备的使用温度不超过205℃。”本标准考虑到衬钛容器应用温度上限的影响因素甚多,国内已使用的衬钛尿素合成塔的设计温度为210℃,国内已使用的钛制氨气提塔中碟形管板过渡圆角处采用了衬钛结构,其设计温度为230℃。

因而将衬钛容器使用温度上限定为250℃。当然在较高的应用温度时,衬钛容器在结构设计上和操作升降温度上均应采取相应的措施。

(8) ASME规定:“钛并不像有些黑色金属材料那样,在低温下有一个过渡范围,在低温‘时抗冲击性能不会受到损失,其静抗拉强度随温度下降而增加,用伸长率来度量的塑性不会受到显著影响,因此ASME不规定钛等有色金属的低温冲击试验。”“钛在0℃以下时冲击性能并无显著下降,钛的使用温度降至-60℃时没有附加要求,钛可以用到更低的温度,但应用适当的检验结果使用户满意,如伸长率等,以证明在低的设计温度下钛具有适当的塑性。"JIS B8270-1993规定容器用钛可用到-268℃。俄罗斯规范规定退火状态下的钛材用于压力容器的温度下限为:BT1-0和AT3为-269℃,OT4为-196℃。而OCT26-II-06-1985(1987年修订)《钛和钛合金焊制容器和设备一般技术条件》则规定适用的环境温度范围不低于-10℃。CD 130A8-87中规定的钛使用温度下限:纯钛GR.1为-268℃,纯钛GR.2为-196℃,纯钛GR.3为-60℃,Ti-0.15Pd和Ti-0.3Mo-0.8Ni(TA10)为-30℃,且规定:用于设计温度低于-30℃的钛板应进行低温夏比冲击试验。

本标准规定钛的应用温度下限为-269℃,但在设计温度低于-60℃时应在设计温度下检验伸长率,其值不得低于容器用变形钛的室温标准伸长率下限值。

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钛材使用温度

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