钛及钛合金的防腐应用文档格式.docx
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1975-1977年，天津碱厂和大连化学工业公司建厂进行了钛应用示范工作，碳化塔冷却管63×
2mm、钛平板换热器、钛外冷器、钛泵、CO2透平压缩机转子、Ti-6Al-4V合金叶轮等的应用效果很好，这为全行业进行用钛技术改造和新建三个年产60万吨纯碱厂起到了样板作用。
某纯碱厂蒸馏塔顶部氨冷凝器应用纯钛管代替铸铁管。
氨冷凝器是纯碱生产过程中,将蒸馏塔蒸出的氨气进行冷凝的设备，它由两个铸铁冷却箱组成,每个箱的直径2.5m,高1.2m，箱内原装有Φ63×
6×
2986mm铸铁小管214根,两个箱共428根。
管内外均用热固性酚醛清漆防腐,管外介质为NH3、CO2、H2O蒸气，温度95℃左右。
管内走NH4Cl母液，与管外介质进行换热。
在此条件下，铸铁管腐蚀严重，使用一年即有部分管子腐蚀穿孔，2年已腐蚀损坏严重，停止使用。
为解决氨冷凝器内铸铁管严重腐蚀问题，将铸铁管全部替换为TA2钛管，规格为Φ60×
2×
3010mm，钛管管端与铸铁花板间用O型橡胶圈密封。
这是我国纯碱工业第一台蒸馏塔的冷却小管采用纯钛管。
投产使用二年多，曾抽管进行宏观检查，未发现腐蚀现象，预计使用寿命可达20年以上，可比铸铁管延长10倍。
由于钛管耐腐蚀，传热效率保持良好（铸铁管在3年一个大修期间，其传热效率前期好，中期差，后期就失效），管内NH4Cl母液预热回收热量，提高母液进入蒸馏塔的温度，可节约大量蒸汽，经济效益明显。
▲大连化学工业公司碱厂年产纯碱量为72万t，采用氨碱法和联合制碱法进行生产。
从70年代后期开始，为改变设备落后状况，一些主要设备逐步用钛材及钍设备进行更新。
1983年后，又进一步扩大了钛材的应用范围，现将应用情况简述如下。
2.1用钛管代替氨冷凝器中铸铁管
氨冷凝器是纯碱生产过程中，将蒸馏塔蒸出的氨气冷凝的设备。
由两个冷却箱组成，箱内装有φ63mm*6mm*2986mm铸铁管214根。
管内外均用热固性酚醛清漆防腐，管外介质为NH3，C02、H2O蒸汽，温度在95℃左右，管内介质NH4Cl母液，与管外介质换热。
在此条件下，铸铁管腐蚀严重，使用1年即有部分管子腐蚀穿孔，两年时间，已腐蚀损坏严重,在蒸馏塔3年大修时，氨冷凝器内的铸铁管全部换新。
1977年大连化学工业公司碱厂把解决氨冷凝器内铸铁管严重腐蚀问题列入科研项目，向宝鸡有色金属加工厂订购了规格为φ60mm*2mm*3010mmTA2管，于1979年安装。
这是该厂第一台钛列管设备，也是我国纯碱工业蒸馏塔首次采用纯钛管。
1979年12月投人生产，已用了14年，至今未发现腐蚀泄漏，效果良好。
根据1982年9月（投产2年零10个月）抽管检查鉴定，预计使用寿命可达20年以上。
由于钛管耐腐蚀，传热效率保持良好（铸铁管在3年期间，其传热效率前期好，中期差，后期失效），管内NH4Cl母液预热回收热量，提高了母液进入蒸馏塔的温度，可节约大量蒸汽，经济效益明显（见表1）。
表1冷凝器采用钛管与铸铁管经济效益比较
项目
钛管
铸铁管
设备费
使用寿命
每年折旧费
全年节约
180000元
预计20年
9000元
3000元
24000元
2年
12000
0
全年生产能力
全年节约蒸汽
蒸汽单价
全年节约价值
全年收益
14.6万t
4.38万t
7元/t
30.66万元
15.33万元
2.17万t
全年总收益
15.63万元
由表1可见，用钛管代替铸铁管，运转1年多即可收回钛管的全部投资，并节约大量检修工时。
到1980年该厂4台蒸馏塔顶部氨冷凝器全部采用了钛管。
另外，氮液蒸馏塔内部的两个水箱也安装了428根钛管，合计用钛管8t。
2.2用钛管代替碳化塔冷却铸铁管
碳化塔是纯碱生产的关键设备，塔下部有8个冷却管，箱内装有铸铁管。
管内外均用热固性酚醛清漆防腐。
其接触介质，管外是由塔上部下来带有大量NaHC03结晶的氨盐溶液和塔下部进入的C02气体向上流动，管内走海水，塔内温度为50--68℃。
冷却管仅使用两年左右即有部分腐蚀穿孔，使用3年即需更换。
而且管端铅圈密封也经常泄漏，严重结疤，对生产影响很大。
1979年以来，先后在7台塔上应用TF1回收纯钛管及TA2纯钛管代替铸铁管。
1981年TF1回收纯钛管安装于5#塔，每根重为5.192Kg，总重量为8.17t，每吨当年价为7.35万示，共计60万元。
1982年4月投产，至今未发现腐蚀泄漏，预计使用寿命可达20年以上，如果使用寿命按20年计算，可节约大修费20万元；
因大修停产少创产值864万元，利润少收入316万元；
减少泄漏损失氨78.67t，盐240t，转化率提高节盐800t，合计6.2万元。
仅以上三项计算（不包括结疤造成减产、清扫管减产等），20年可比铸铁管减少损失合计342.2万元。
另外，还可以节约大量检修工时，改善操作环境。
1983年采用宝鸡有色金属加工厂生产的规格为φ63mm*2mm*3010mmTA2纯钛管，更换了13#塔4个冷却箱内铸铁管，共170t，当年每吨价格6.3万元。
该厂与大连制碱研究所共同进行了TA2纯钛管在碳化塔内插管试验，经运行406天和1149天两次抽查，均未发现管子有任何腐蚀现象，管子仍闪光如新。
2.3TC4钛合金叶轮代替C02透平压缩机转子低合金钢叶轮
C02透平压缩机叶轮原用35CrMoV低合金钢制造。
使用过程中，叶轮1、3级叶片进口受C02水雾腐蚀与冲蚀，短时间即不能使用。
叶轮经防腐处理，运转三个月则需进行检修，运转一年就需更换。
现用精铸TC4合金替代35CrMoV低合金钢（用钛120kg），具有机械强度高，耐腐蚀，抗冲蚀，加工性能好等优点。
此叶轮于1981年1月5日起连续运转，安全平稳，维修工作量小。
运转5年后，经检查各级叶轮叶片进口完好，预计使用寿命可达20年以上。
改变了原来检修频繁状况，经济效益十分显著（参见表2）。
目前大连化学工业公司碱厂氨碱法4台、联合制碱法1台透平转子采用了TC4钛合金。
表2钛合金与低合金钢转子经济效益比较
低合金钢叶轮
钛合金叶轮
转子费
设备折旧
节约费用
一年检修次数
每次检修费用
全年检修费用
全年节约费用
一年停机次数
一次停机天数
一次停机损失
全年停机损失
全年总节约价值
50000元
一年
50000元/年
3
20天
48000元
144000
60000元
预计10年
6000元/年
44000元/年
1
1000元
8000元
148000元
2.4用钛制外冷器代替钢制外冷器
外冷器是用于冷却结晶器内氯化铵母液的设备，原系碳钢制造。
外冷器内列管虽经防腐处理，但因氯化铵母液腐蚀性强，使用寿命仅为4年左右。
如果防腐蚀层质量低劣，使用寿命仅1年左右。
1980年2月使用了纯钛制外冷器，外冷却器内有规格为φ51mm*2mm*6000mm纯钛管511根。
运行5年，设备未发现腐蚀现象，仅有5根管子因振动被隔板磨损致坏。
至今已使用14年，预计使用寿命可达30年，经济效益比较见表3。
钛外冷器一次投资较高，当时每吨钛管14万元，但每年仍收益10595元。
而钢制外冷器检修频繁，还必须备有备用设备，以保证清洗和检修。
因此该厂14台外冷器，已有11台采用了钛制外冷器。
表3钛制外冷器与钢制外冷器经济效益比较
钛外冷器
钢外冷器
整台设备
每年折旧
全年增产
全年利润
96万元
预计30年
32000元
500元
336.5t氯化铵
100095元
10595元
13万元
4年
32500元
2.5用钛板冷却器代替淋洒式铸铁排管
氨碱法重碱车间将13#，18#，改用国产钛伞板冷却器，换热板片用TA2板制造，每台冷却面积为60m2。
1台钛伞板式冷却器可以代替1.5台，冷却面积为3602的淋洒式冷却排管，换热效率可提高6倍，并清除了海水蒸汽以及海水淋洒造成的环境污染和设备腐蚀。
其经济效益比较见表4。
表4钛伞板冷却器与淋洒排管经济效益比较
铸铁淋洒排管
钛伞板冷却器
13元
3年
43333元
15万元
7500年
35833元
全年运行时间
海水用量
节约海水
节约电量
节约价值
7000h
15755000m3
525000m3
1050000m3
262500kW·
h
13125元
48958元
2.6用钛板式换热器代替钢铁列管式CO2，透平压缩机油冷却器
C02透平压缩机油冷却器试用T62铜板冷却器代替钢制列管冷却器，投产运行后降低了高速轴承的运行温升和油温10—13℃，也节约了冷却海水量，但因铜板片遭受腐蚀而泄漏。
1984年安装了两台国产钛扳式换热器，试运行效果良好。
之后，氨碱法的透平压缩机油冷却器都采用了钛板式换热器，共8台。
2.7用钛合金叶轮式代替8S碱泵铝铸铁叶轮
8S碱泵是纯碱生产中输送碱液的设备，叶轮是铝铸铁，不耐母液冲刷腐蚀，使用寿命极短。
1973年在8S泵上试用TC4钛合金叶轮，结果表明能耐母液的冲刷腐蚀，且效果良好，预计使用寿命可提高40倍以上，其经济效益比较见表5。
这是我国纯碱工业，在碱泵上首次试用钛合金叶轮，1977年开始逐步推广应用。
表5两种材质叶轮经济效益比较
铸TC4叶轮
铝铸铁叶轮
备件费
2000元
200元
1000
300元
3个月
1200元
每年检修
全年费用
2次
4次
400元
每台泵全年总收益
2.8用钛泵代替铝铸铁泵
在8S泵试用TC4铸钛合金叶轮成功的基础上，为进—步解决碱母液泵泵体腐蚀问题，从1983年起逐步用钛泵代替铝铸铁泵，共计24台，取得了良好的经济效益。
2.9钛阀门应用
原来所用阀门多为铸铁的，其使用寿命极短，多不过半年，少则只有两个月左右，不仅更换频繁，浪费很多的检修工时，而且影响产量，污染环境。
1989年首先在氨碱法重碱碳化塔出碱口应用了φ100mm钛截止阀（现已有15个）。
1992年又在联络管应用了φ200mm的钛阀（现已有12个）。
使用效果均良好，其经济效益十分显著，每年节约经费30万元左右。
在联合制碱中，出碱口胶膜阀座（12个）、中和水胶膜阀座（5个）都采用了钛铸阀座，其使用寿命是铸铁无法比拟的。
总之，大连化学工业公司碱厂应用钛材的实践表明，钛是制碱工业设备最理想的材料之一，由它制成的制碱设备使用寿命长，经济效益显著。
▲天津碱厂联碱煅烧炉气冷凝器钛质换热管项目
▲山东海化集团股份有限公司
3.在石化工业中的应用
钛在石化工业中，多用于制造化工设备。
化工设备的选材相当重要，大量的压力容器、贮槽、塔器、换热器、管道乃至紧固件和连接件等等在工作条件下不仅要承受一定的载荷，而且要受到许多介质的强烈腐蚀，工作条件十分苛刻。
在这种情况下，许多设备的选材如仅在常用不锈钢的基础上进行调整，已不能适应。
而钛及钛合金的机械性能与不锈钢相近，耐蚀性能则远为优异。
为此，在重要的化工设备中，钛材逐渐以各种形式如衬钛、钛钢复合以至全钛得到应用。
钛在我国石化工业中的应用源于80年代初，上海金山石化总厂的乙烯装置和芳烃提取装置以及兰州炼油化工厂的苯胺盐酸生产装置，由于钛材的应用解决了长期困扰企业生产的腐蚀问题。
随后上海高桥石化、巴陵石化公司等都相继投入大量资金，在石化工业装备中应用钛材，并获得良好的经济效益及社会效益。
二．石油工业
钛在有机化合物中，除了温度较高下的五种有机酸（甲酸、乙酸、草酸、三氯乙酸和三氟乙酸）外，都具有非常好的稳定性。
因此，钛是石油炼制和石油化工中优良的结构材料，可以用来制作各种反应器、压力容器、热交换器、分离器配管、蒸馏塔顶凝缩器内衬等。
油气钻采中，英国在深600m、262℃的含5％H2S和25％NaCl中，使用了钛制钻采设备。
前苏联采用了钛泵、钛阀和钛制冲洗盐水设备。
我国在天然气井口为解决600—700atm的高温H2S、C02和水蒸汽的腐蚀，使用了Ti-6Al—4V的阀板、阀座和阀杆，长期使用效果甚好。
海上油气开采要长期承受海水腐蚀和应力腐蚀。
国外广泛采用Ti-6Al—4V作为石油平台支柱、绳索支架、海水循环加压系统的高压泵、提升管及联结器等。
因为Ti-6A1-4V不仅耐海水腐蚀，而且具有高韧性、高屈服强度和高疲劳极限。
最近国外选择钛的预应力采油管接头，这种接头组装简便快捷、重量轻，并保持弹性密封性，钛是最佳的优选材料。
我国的海洋石油工业正进入大规模开发阶段，当前平台的结构件和关键部件及设备均从国外进口，国内材料很少应用。
但可以预期，钛将会在这里找到广阔的市场。
三．冶金工业
钛属活性金属，具有良好的吸气性能，是炼钢工业中优良的脱气剂，它能化合钢在冷却时析出的氧和氮。
在钢中加入少量的钛（<
0.1%）可使钢坚韧而富有弹性。
钛也是炼钢，炼铝等工业中重要的合金添加剂。
钛具有超导性，是一种常见的超导材料。
另外，钛在含有金属离子的酸性溶液中具有很好的稳定性，因此钛在湿法冶金工业中，如铜、镍、钴、锰等有色金属.
从70年代初，云南冶炼厂、上海冶炼厂、葫芦岛锌厂等有色冶金行业率先在电解铜、电解镍及铅锌冶炼中使用钛材，解决了严重困扰企业生产及发展的腐蚀问题，钛及钛设备在这些企业成功的应用，也大大地促进了我国钛工业民用推广的使用。
自80年代后，国内许多湿法冶金企业都开始在技术改造中选用钛材。
金川有色金属公司、沈阳冶炼厂、铜陵有色金属公司、大冶有色金属公司。
抚顺铝厂等企业近十年来的用钛量高达上百吨，这些新技术、新装备的使用，使我国有色湿法冶金行业的装备更接近世界先进水平。
钛的电解生产中，有着十分广泛的应用。
四．化肥工业
尿素是重要的化肥，在生产过程中尿素、氨、氨基甲酸铵和它们的混合液，在高温高压的条件下腐蚀性很强，使用钛取代不锈钢后设备寿命大大增加，检修时间大大减少。
因此目前尿素生产中的主要设备都使用钛材。
五．海水淡化和造船工业
钛抗海水腐蚀的能力比其它所有金属都好，无论是在静止的或高速流动的海水中钛都具有特殊的稳定性。
因此，钛是海水淡化装置的理想材料。
钛在这个领域的应用数量将越来越大。
钛抗海水和海洋空气腐蚀能力很强，而且强度大，重量轻，是造船工业的理想结构材料，已广泛应用在各种舰艇、深水潜艇的许多部件中。
目前海水淡化已遍及全世界60多个国家和地区，全球有海水淡化厂600万多座，海水淡化日产量约3500万吨左右，并且以每年10％以上的速度在增加。
海水淡化已经成为解决缺水问题最佳方法之一。
目前全球主流的海水淡化方法主要有多级闪蒸法（MSF）、低温多效蒸馏法（LT-MED）和反渗透膜法（RO）三种。
三种方法各有优缺点，适用的条件和范围也不同。
我国主要是应用LT-MED和RO两种方法，未来几年当时中国将有多个海水淡化项目启动。
未来3-5年海水淡化将有很大发展空间。
取决于现今技术对于海水淡化大规模应用已具备成本优势，相比较南水北调来说吨水成本更低，国家出台一系列鼓励政策，未来10年海水淡化规模将是现在的5倍。
海水淡化设备用钛合金取代铜合金是未来趋势。
钛材多方位的优势决定了未来在海水淡化管领域的广泛应用空间，预计未来十年，中国海水淡化钛管需求量约为9500-23520吨，全球约为140.63-281.25万吨。
虽然国内初步测算需求量并不大，但国内需求只占国际需求总量的1.6%，可以说整体发展空间非常巨大。
5.1、钛管用于海水淡化的主要特性：
5.1.1、1a!
};
r*u5z$o;
f'
K6h密度小，比强度（强度/比重）高
金属钛的密度为4.51g/cm3，高于铝而低于钢、铜、镍。
但比强度位于金属之首，是不锈钢的3倍，是铝合金的1.3倍；
5.1.9T5V"
r1e,k7C2、耐腐蚀性能好
钛是一种非常活泼的金属，其平衡电位很低，在介质中的热力学腐蚀倾向大。
但实际上钛在许多介质中很稳定，如钛在氧化性、中性和弱还原性等介质中是耐腐蚀的。
这是因为钛和氧有很大的亲和力，在空气中或含氧的介质中，钛表面生成一层致密的、附着力强、惰性大的氧化膜，保护了钛基体不被腐蚀。
即使由于机械磨损也会很快自愈或重新再生。
这表明了钛是具有强烈钝化倾向的金属。
介质温度在315℃以下钛的氧化膜始终保持这一特性。
5.1.5B-v"
O"
O（A8P3o3、换热性能好
$X6G"
\$F!
~:
\9N&
P-_金属钛的导热系数虽然比碳钢和铜低，但由于钛优异的耐腐蚀性能，所以壁厚可以大大减薄，而且表面与蒸汽的换热方式为滴状冷凝，减少了热组，太表面不结垢也可减少热阻，使钛的换热性能显著提高。
5.1.4、耐热性能好
新型钛合金可在600℃或更高的温度下长期使用。
5.1.5、化工耐低温性能好
7B2c,D$J（M0X,y`钛合金TA7（Ti-5Al-2.5Sn）,TC4（Ti-6Al-4V）和Ti-2.5Zr-1.5Mo等为代表的低温钛合金,其强度随温度的降低而提高,但塑性变化却不大。
5.1.5N9B8Y,T%f）W.w6、#W6Z（Y'
u5T+o-B/g~8i）G/G抗拉强度与其屈服强度接近
P"
N9@9^0m钛的这一性能说明了其屈强比（抗拉强度/屈服强度）高，表示了金属钛材料在成形时塑性变形差。
由于钛的屈服极限与弹性模量的比值大，使钛成型时的回弹能力大。
5.2.B#j#W;
M7^$c:
o+J0P555555.2442442442442海水淡化设备中钛管将逐渐替代原来的铜合金管，两者相比，钛管具有以下优点：
5.2.1
5[7n7W（y）L）_（}同样作业条件下，钛管的壁厚更薄，管材用量更少。
一般，铜合金管等壁厚为0.9mm-1.2mm；
用钛管代替，在腐蚀性小的地方，可用壁厚为0.5mm的薄壁管。
5.2.2、
钛管的导热性好。
钛热导率为17W／（m·
k），铝黄铜的为lOOW/（m·
k），70／30白铜的为29W／（m·
k），钛的热导率最小．但使用薄壁钛管，导热性虽然比铝黄铜差，但与90／10白铜相当，比70/30白铜的要好。
5.2.3、
使用钛管的性价比更高。
钛管价格可与铜合金管抗衡，由于钛的密度低，壁厚相同时，同等长度的钛管质量只是铜合金管的50％，当钛管壁厚为铜合金管的50％时，相同传热面积的钛管质量仅为铜合金管的1／4．可见，钛管在价格方面是有竞争力的。
5.2.4、
钛管的使用寿命更长。
由于海水常混有泥沙、海生物，它们在传热管内及管端附着，会侵蚀铜合金管，铜合金还会受海水中Bｒ-的腐蚀。
而钛管就不会出现这种问题，特别是为了杀死海水中的细菌，不得不注入氧时，更需使用耐蚀性好的钛管。
5.3国外钛材的开发和应用
日立，三菱及东芝生产的电站冷凝器，使用了厚0．5mm的钛焊管，三菱、川崎、日立，三井以及神户制钢等公司生产的海水淡化装置，使用了厚0．5ｍｍ－0．7ｍｍ的钛焊管。
到1983年，在16年的时间里，日本生产了用于世界各地海水淡化设备的薄壁钛焊管4038ｔ，至今未发生因海水腐蚀而损坏的现象。
（1）通风凝结器和喷射压气机
日本真正的海水淡化设备是1967年由松岛碳矿株式会社建成的2650ｔ/ｄ海水淡化设备。
该装置的通风凝结器及喷射压气机的传热管和管板，由于受海水中Bｒ-的腐蚀，不能用铜合金，换用钛后，没发生过因腐蚀导
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