容器用钛的应用温度范围

容器用钛的应用温度范围（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容器的设计依据，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３００ｃＣ，ＡＳＭＥ－１９９８英制版规定为６０００Ｆ（３１６０Ｃ），日本ＪＩＳＢ８２７０－１９９３为３５００Ｃ，俄罗斯ＯＣＴ２６－０１－２７９一一１９７８（１９８２年１月８日起实行）规定ＢＴ１一０为３００ｃＣ，ＯＴ４一０为４０００Ｃ，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２００ｃＣ，由于当时国内已在使用的钛容器设计温度已达２１０℃和２３０ｃＣ，因而定稿发布时定为２３０ｑＣ。近年国内使用的钛容器的设计温度已有２８０ｃＣ、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。（５）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。据本标准起草人了解，工业纯钛在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是明显的，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１００ＭＰａ一１９５ＭＰａ的水平，从技术上讲容器是可以应用的。我们认为，在本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。因此本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ＣＤ１３０Ａ８－８７均定为３５０ＣＣ。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ＣＰ３００３《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：“松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”。ＣＤ１３０Ａ８－８７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２１００Ｃ，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，钛的使用温度降至一６０℃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。＂ＪＩＳＢ８２７０－１９９３规定容器用钛可用到一２６８℃。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：ＢＴ１一０和ＡＴ３为一２６９０Ｃ，ＯＴ４为一１９６℃。而ＯＣＴ２６－ＩＩ一０６－１９８５（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一１０℃。ＣＤ１３０Ａ８－８７中规定的钛使用温度下限：ＴＡ１为一２６８０Ｃ，ＴＡ２为一１９６０Ｃ，ＴＡ３为一６０ｃＣ，Ｔｉ一０．１５Ｐｄ和Ｔｉ一０．３Ｍｏ一０．８Ｎｉ为一３０℃，且规定：用于设计温度低于一３０℃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一２６９℃，但在设计温度低于一６０℃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。