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，用于核電項目、海水淡化項目[1−2]、火電項目、污水處理項目、PTA項目和航空裝備[3−5]。
鈦是具有強烈鈍化傾向的金屬，在空氣中和氧化性或中性水溶液中能迅速生成一層穩(wěn)定的氧化性保護膜，即使因為某些原因氧化膜遭破壞，也能迅速自動恢復(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)中的長時耐腐蝕性能一直是重點關(guān)注的問題[10]。郭佳林等人[4]發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)鈦焊管與進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，國內(nèi)對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時的耐腐蝕研究，為了更好地推廣國產(chǎn)鈦焊管，研究國產(chǎn)鈦焊管長時耐腐蝕性能，于是開展了長時間腐蝕試驗，希望通過數(shù)據(jù)收集和分析，掌握不同工況條件下鈦焊管長時耐腐蝕性能，增加國產(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，采用長時間浸泡法，通過宏觀尺寸測量、金相組織分析、力學(xué)性能測試等方法，研究鈦焊管在自來水、氯化鎂水溶液、海水、硫酸溶液中的耐腐蝕性能，通過研究證明鈦焊管具有優(yōu)異的耐腐蝕性能。
1、試驗材料
試驗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、超聲檢測、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，爐號為141-0133，批號為1503015O1，管材編號1～8，分別放入到自來水、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行觀察，溶液體積均為5L，腐蝕時間為7年多（2741天）。
使用ONH聯(lián)合測定儀（生產(chǎn)廠家：LECO）、碳硫測定儀（生產(chǎn)廠家：LECO）檢測O、N、H、C、S元素含量，使用100kN電子萬能試驗機(生產(chǎn)廠家：美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司)進行拉伸、壓扁、擴口、展平試驗，使用維氏硬度計(生產(chǎn)廠家：美國Wolpert測量儀器（上海）有限公司)進行硬度試驗，使用金相顯微鏡、金相磨拋機、激光切割機進行宏觀尺寸測量和金相試驗。
2、試驗結(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)過高溫去應(yīng)力退火，并保持一定時間；此外，為實現(xiàn)鈦焊管外徑公差等尺寸要求，還需要對鈦焊管進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)過熔化凝固過程，熔池高溫停留時間導(dǎo)致焊縫晶粒長大，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Gr.2鈦焊管進行力學(xué)性能測試，結(jié)果如圖3和表3所示。抗拉強度為350MPa，屈服強度為295MPa，延伸率為23%。拉伸試樣斷裂位置出現(xiàn)明顯縮頸現(xiàn)象，擴口試驗擴口率為22%，焊縫未發(fā)現(xiàn)裂紋。壓扁試驗和反彎試驗后，焊縫位置無裂紋產(chǎn)生。
2.3鈦焊管腐蝕行為
經(jīng)長時腐蝕后，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明顯變化，如圖4所示。
并對8支鈦焊管母材取樣測量宏觀尺寸，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)過長時浸泡腐蝕后，鈦焊管母材內(nèi)部金相組織無異常。
分別取出自來水和硫酸腐蝕液的鈦焊管，對焊縫進行金相分析，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)生生長的柱狀晶，焊縫為粗大的柱狀晶組織。說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）長時浸泡在體積分?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腐蝕現(xiàn)象。
2）長時浸泡在體積分?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。
參考文獻
[ 1 ]Qu Jie, Sun Yujiang, Yuan Shining, et al. Corrosion analysis and protection of a submarine pipeline[J]. Welded Tube, 2022，45（12）：42−45.
（曲杰, 孫玉江, 苑世寧, 等. 某海底管道內(nèi)腐蝕原因分析及防護[J]. 焊管, 2022，45（12）：42−45.）
[ 2 ]Li Zhen, Zhao Wei, Yu Kedong, et al. Study on microstructure and corrosion resistance of laser welded joint of TC4 titanium alloy[J]. Welded Tube, 2022，45（10）：1−5.
（李鎮(zhèn), 趙偉, 于克東, 等. TC4鈦合金激光焊接接頭組織及耐腐蝕性研究[J]. 焊管, 2022，45（10）：1−5.）
[ 3 ]Li Changjiang, Fan Jiangteng, Hu Chenglong, et al. Localization analysis of titanium welded tube for PTA oxidation reaction condenser[J]. Titanium Industry Progress, 2021，38（4）：38−42.
（李長江, 范江騰, 胡成龍, 等. PTA氧化反應(yīng)冷凝器用鈦焊管國產(chǎn)化分析[J]. 鈦工業(yè)進展, 2021，38（4）：38−42.）
[ 4 ]Guo Jialin, Dong Yanni, Xu Yongfeng, et al. Study on steam corrosion fatigue properties of titanium welded tube used in condenser of nuclear power plant[J]. Non-ferrous Metal Materials and Engineering, 2019，40（1）：43−48.
（郭佳林, 董燕妮, 徐永鋒, 等. 核電站凝汽器用鈦焊管蒸汽腐蝕疲勞性能研究[J]. 有色金屬材料與工程, 2019，40（1）：43−48.）
[ 5 ]Xie Yi. Study on manufacturing process of ultra-thin-walled titanium welded tube[J]. Welded Tube, 2016，39（5）：44−48.
（謝祎. 超薄壁鈦焊管制造工藝研究[J]. 焊管, 2016，39（5）：44−48.）
[ 6 ]Zhang Zhengbang, Hu Zhi’an. Study on corrosion resistance of welded titanium tubes[J]. Chemical Machinery, 1990，17（6）：320−323.
（張振邦, 胡志安. 焊接鈦管的耐腐蝕研究[J]. 化工機械, 1990，17（6）：320−323.）
[ 7 ]Fei Dong. Study on corrosion resistance of tig welded joint of titanium tube[J]. Welded Tube, 2017，40（11）：28−32.
（費東. 鈦管鎢極氬弧焊焊接接頭耐蝕性研究[J]. 焊管, 2017，40（11）：28−32.）
[ 8 ]Li Xiaojun, Qi Lianyi, Jiang Yiyang. Corrosion resistance of titanium[J]. Chemical Engineer, 2000，（1）：46−47.
（李曉君, 戚連義, 姜奕陽. 鈦的耐腐蝕性能[J]. 化學(xué)工程師, 2000，（1）：46−47.）
[ 9 ]Zhang Lihua, Jin Yunxue, Guo Yuhang. Study on corrosion resistance of titanium matrix composites[J]. Total Corrosion Control, 2007，21（4）：12−14.
（張麗華, 金云學(xué), 郭宇航. 鈦基復(fù)合材料的耐腐蝕性能研究[J]. 全面腐蝕控制, 2007，21（4）：12−14.）
[ 10 ]Liu Qiang, Song Shengyin, Li Dejun, et al. Research progress in corrosion resistance and application of titanium alloy tubing[J]. Petroleum Mining Machinery, 2014，43（12）：88−94.
（劉強, 宋生印, 李德君, 等. 鈦合金油井管的耐腐蝕性能及應(yīng)用研究進展[J]. 石油礦場機械, 2014，43（12）：88−94.）
tag標(biāo)簽:鈦焊管