钛换热器

钛换热器凭借工业纯钛的各种优良性质，广泛应用于各类海鲜养殖，海水换热，盐水换热，化工，食品，医药，冶金，制冷，轻工，电镀行业、铝氧化槽、制盐、造纸、超声波、电子通讯、集中供热等行业和领域。

在实际运用中，换热器的换热效果与换热器的物料及工艺特性有很大的关系。 物料在浓缩过程中，溶质或杂质常在加热表面沉积、析出结晶而形成垢层，影响传热；有些溶质是热敏性的，在高温下停留时间过长易变质；有些物料具有较大的腐蚀性或较高的粘度等等。

钛换热器物理性质

钛换热器选用优质钛管制成。在物理性质上，钛管具有质量轻，机械性能优越等多种优点。钛的强度大，纯钛抗拉强度最高可达180kg/mm²。有些钢的强度高于钛合金，但钛合金的比强度（抗拉强度和密度之比）却超过优质钢。此外，钛合金有好的耐热强度、低温韧性和断裂韧性 。

钛换热器化学性质

在化学性质上，钛表现出较好的稳定性，在多种工业溶液中都具有良好的耐腐蚀性。工业纯钛是优良的制冷设备配件材料。

工业纯钛可广泛使用于有机化合物、碱溶液、以及盐溶液等介质中，且不易与之发生反应，耐腐蚀性优良；纯钛在常温下对低浓度的盐酸、硫酸、硝酸等无机酸具有良好的耐腐蚀性；但随着介质浓度以及工作温度的增加，工业纯钛易与上述无机酸发生化学反应，使得钛的耐腐蚀性降低，因此，在换热过程中应当注意介质的浓度与工作温度。

工业纯钛在常温下对蚁酸、草酸、乳酸等有机酸具有良好的耐腐蚀性。

钛换热器因金属离子不易流失、所以可充分利用这种非磁性特点，用做制药及食品等用途的换热器。由于钛的抗腐蚀能力强、所以器换热器的使用寿命长、并且在使用中维护费用也少。此外、因其具有体积小、换热能力大等优点、相关设备（如泵）的投资及运行费用也能相应减少 。|

钛合金是以钛为基础加入其他元素组成的合金。钛有两种同质异晶体：882℃以下为密排六方结构α钛，882℃以上为体心立方的β钛。

合金元素根据它们对相变温度的影响可分为三类：

①稳定α相、提高相转变温度的元素为α稳定元素,有铝、碳、氧和氮等。其中铝是钛合金主要合金元素，它对提高合金的常温和高温强度、降低比重、增加弹性模量有明显效果。

②稳定β相、降低相变温度的元素为β稳定元素，又可分同晶型和共析型二种。 应用了钛合金的产品

前者有钼、铌、钒等；后者有铬、锰、铜、铁、硅等。

③对相变温度影响不大的元素为中性元素，有锆、锡等。

氧、氮、碳和氢是钛合金的主要杂质。氧和氮在α相中有较大的溶解度,对钛合金有显著强化效果,但却使塑性下降。通常规定钛中氧和氮的含量分别在0.15～0.2%和0.04～0.05%以下。氢在α相中溶解度很小,钛合金中溶解过多的氢会产生氢化物，使合金变脆。通常钛合金中氢含量控制在 0.015%以下。氢在钛中的溶解是可逆的，可以用真空退火除去 。

钛换热器焊接施工工法适用范围

《钛换热器焊接施工工法》适用于民用工业用钛换热器焊接施工工程。

钛换热器焊接施工工法工艺原理

《钛换热器焊接施工工法》的工艺原理叙述如下：

一、钛焊缝和热影响区的400℃以上的区域极易被空气、水分、油脂、氧化物等污染，该区域从焊件表面吸收含氢、氧、氮、碳等杂质后，机械性能会大大降低或造成焊缝金属中产生气孔，甚至造成焊接接头开裂或失效。400℃以上的区域必须用氩气保护。

二、钛的熔点高，热容量大，导热系数小，导热差，焊接后，焊缝和热影响区尤其是过热区的晶粒容易长大，粗大的晶粒使焊接接头的塑性明显下降。因此，要保证钛焊接后焊接热影响区获得良好的塑性，必须选择合适的线能量进行焊接。

三、钛管道和焊丝表面常常受到外部杂质如油脂、水分、含结晶水的表面氧化物、含碳物质、尘埃、砂粒、有机纤维、脏指印及吸附气体的污染；用角向磨光机加工坡口或用砂纸擦磨坡口后，磨料的质点（主要成分为SiC）也会造成污染。这些物质在焊接条件下，因高温受热发生分解，形成游离的氢、氧、碳，并大量溶解在熔池中或与热影响区的钛作用形成钛的化合物如TiH₂、TiC等，造成焊接接头机械性能大大降低；部分氧化物的结晶水还会和钛发生化学反应造成气孔；在接头冷却过程中，大量溶解在熔池中的氢、氧、碳大量析出形成气体造成焊接接头产生气孔，因此，焊接前，对钛和焊丝表面层清理效果的对保证焊接质量至关重要。

1.预制管道和加工坡口时，通过改变加工和表面处理方法清除焊丝表面、坡口表面及其边缘的有机物污染；控制加工和表面处理时工件温度，可防止管道和坡口污染而影响管道的性能或导致焊缝产生气孔；

2.焊接过程中，通过对保护气体纯度；焊丝、焊接坡口表面处理；焊接区域和热影响区400℃以上区域实施氩气保护，防止管道因焊接加热引起的强度、韧性下降、开裂、通过对焊工、焊接设备、焊接材料、焊接工艺参数、焊接环境的控制，防止焊接缺陷的产生，保证焊接接头的性能。

3.钛管焊接时，保护区分三部分熔池、背面焊缝、后部焊缝以及影响区（温度400℃以上区域）前两部分的气体保护工艺比较成熟，而后部焊缝及热影响区则需制作保护罩通氩气进行特别保护，才能保证焊缝及热影响区性能和组织满足设计和使用要求。400℃以上区域范围为80毫米×60毫米，保护罩的大小就由此确定，即后部长度80毫米、宽度60毫米。

4.钛的弹性模量仅为铁素体钢的一半，在同样的焊接应力下，钛的焊接变形量也会比铁素体大1倍，因而焊接钛时应设法固定焊件，减少焊接变形量。

5.保护罩的主体用δ=0.5毫米的紫铜皮或奥氏体不锈钢制作。制作程序如下：紫铜皮上放样→下料剪切→卷边→点焊固定→焊接密封→铜网填充固定→通气导管固定→试验。

钛换热器焊接施工工法施工工艺

• 工艺流程

《钛换热器焊接施工工法》的施工工艺流程见图1。

• 操作要点

《钛换热器焊接施工工法》的操作要点如下：

一、绘制排版图（图2）。

用等离子切割机下料，用刨、铣、磨等机加工方法加工坡口，并严格控制尺寸。

二、壳体板卷制、组对、焊接壳体板卷制前，卷板机滚筒表面应清理干净，以免损伤钛材表面。壳体板卷制、组对、焊接后各项允许偏差如表1。

三、加热体组装、穿管、管板焊接

1.将折流板孔边毛刺清理干净。

2.将加热体壳体水平放置于V形枕木上从一端依次进行管板、折流板、管束的组装。用4根两端丝牙长100毫米、长度为4200毫米，规格为M30的拉杆固定上、下管板及折流板，按照一定的顺序进行穿管作业，待管板两端管束尺寸精度满足焊接要求时，用管板焊机进行施焊作业。

四、主要焊接施工工艺及措施

采用钨极氩弧焊，并根据焊缝具体位置和形状制作专用拖护罩用氩气对焊接区域及热影响区250℃以上区域进行保护。

1.焊接前准备工作

为了保证焊接质量，在焊接前，一定要把接头坡口和焊丝、切条表面清理干净，以除掉油污、氧化层及吸气层。具体程序为：机械清理一酸洗一水洗干燥一除油。

机械清理：用角向磨光机打磨坡口表面，露出金属光泽后，用刮刀和锉刀将已打磨好的坡口表面的氧化物、杂质等清除干净，刮削深度0.025毫米，用砂布将焊丝和坡口边缘40~60毫米范围内的氧化物清除干净后，用丙酮清洗已处理好的表面，防止酸洗后产生新的残留物。

酸洗：用丙酮清洗后，将焊丝和管子坡口浸入2%~4%HF 30%~40%HNO₃ H₂O酸洗液中2~3分钟，搅动酸洗液或活动管子、焊丝，待管子和焊丝出现金属本色时酸洗。

水洗、干燥：酸洗后的管子和焊丝马上用水冲洗，除掉其表面残留的酸液和残留物，然后用清洁的白布揩擦干净；自然干燥后立即进行焊接，不能立即进行焊接的管口和焊丝，用白布将已处理好的表面包好，以防弄脏。

除油：在组对焊接前，用丙酮再次清洗已经经过酸洗、水洗和干燥的接头坡口和焊丝表面。防止焊接气孔的产生。

2.拖护罩和背面保护装置制造

1）焊缝正面后端的保护：对已脱离喷嘴保护区，但仍在250℃以上的焊缝和热影响区表面采用氩气气流的拖护罩进行保护，拖护罩结构及尺寸如图3。

2）焊缝背面的保护：平板对接焊采用背面通氩气的气流管实施保护，保护焊缝背面不受有害气体的侵害。保护装置如图4。

3）管板焊接时，管板和管束表面应清理干净，不得留有影响焊接连接质量的毛刺、铁屑、油污等，采用弧形拖罩，拖罩结构图5。

3.工装制造

1）组装、穿管工装：为保证加热体组装的精度及加热体两端管板中心线同心度的定位精度，确保293根ф30×2钛管穿管工序的顺利进行，在管板与筒体组装的施工过程中需设计制作专用的定位用双头螺杆，在管板中心及外围设置4根定位用螺杆。

2）穿管台架：为保证加热体筒体的水平度及穿管筒体位置精度要求，需制作专用台架，将加热筒体固定于台架上进行穿管工作。

3）吊具：为确保钛制压力容器在制作加工厂吊装工作的需要，防止吊具在另部件的组装、焊接的过程中划伤钛金属表面，专门定购6根型号为FA01的合成纤维吊装带用于容器的制作吊装工作。

4）为便于钛制换热器制造检验合格，由制造加工厂运输到安装现场，需制作成品运输专用固定支架，确保容器运输的安全，对成品实施有效的保护。

4.点固焊

1）壳体板δ5毫米拼接时需点固焊，焊点间距为100~150毫米，长度约10~15毫米，点焊所用的焊丝、焊接工艺参数及保护气体与正式焊接相同。

2）焊丝牌号与母材相同，表面不得有氧化层，若有需用细沙打磨，焊丝可放在温度为150~200℃的烘箱内保存，随用随取，取焊丝应戴洁净的手套，施焊前应切除端部已被氧化的部分。

3）氩气为一级氩气，即纯度为99.999%露点在-40℃以下，杂质总含量小于0.02%，相对湿度小于5%，水分小于0.001毫克/升。

4）管板焊接机专用ф0.8毫米规格的钛焊丝需委托管板焊接机厂家绕制成重量为1.0千克左右的焊丝盘供管板焊机使用。

5.焊接

1）采用手工钨极氩弧焊，电极采用铈钨棒。

2）选用与母材成分相同的焊丝，焊丝规格ф2.5毫米。

选用高纯度的氩气，氩气纯度不小于99.99%。

3）氩气保护范围：确保焊接溶池、焊丝及母材上温度超过400℃的热影响区的正反面与空气隔绝。

焊枪喷嘴直径选用ф16~20毫米

保护罩保证覆盖焊缝后部长度140毫米、宽度60毫米区域，保护罩形式一固定式，半开式、移动式保护罩。为了避免铁磁物质存在造成电弧的磁偏吹，采用厚度为1~2毫米的奥氏体不锈钢或紫铜制作保护罩外壳，保护罩内加4~5层120目的铜丝网，保证保护气体通气均匀。大直径采用半开式拖罩保护，保护方法是在TIG焊矩上附加一个弧形拖罩，宽40~60毫米、高60~70毫米、长120~140毫米。

4）焊工按照《现场设备、工业管道焊接工程施工及验收规范》GB 50236要求考试合格。

5）使用带高频引弧装置、电流衰减装置和延时气体保护装置的焊机，如ZX7-300ST等，直流正接。

6）焊接规范：见按照公司焊接工艺评定报告编制的焊接工艺指导书或参考表2。

6.管板焊接顺序：按图6将管板中的管孔分为8区域，每个区域又以三个管孔为一个焊接单元，依次向管板外侧进行，直至区域全部焊完第一遍，具体顺序为1-5、3-7、2-6、4-8。接着，再重新从第一区域将错开的单元按上顺序依次焊完，完成整个焊接工作，换热管与管板端头的焊接采用管板焊接机（型号Digital305-GB80）进行。

7.钛焊缝表面的形状尺寸及外观要求：

1）焊缝和热影响区表面用10倍放大镜进行100%检查，不应有裂纹、未溶合、气孔、弧坑、夹杂等缺陷。

2）钛压力容器焊缝表面不应有咬边。

3）钛焊缝和热影响区表面颜色的规定见表3。

参考资料：

《钛换热器焊接施工工法》的应用实例如下：

1.云铜电解九、十跨、云铜广东清远电解100M2列管式钛换热器制作工程

云铜电解九、十跨100M2列管式钛换热器制作工程，共计制造7台。换热器用于饱和水蒸气和电解液介质间的能量转换，换热器高度4814毫米，壳体直径ф800，管板直径ф975，壳体厚度5毫米，管板厚度26毫米，换热器内部安装有293根ф30×2毫米的钛管，除折流板为1Cr18Ni9Ti外其余材料均用TA2工业纯钛制造。

2.思茅纸厂厂区工程2万/年烧碱的氯碱车间和年产6万吨纸浆纸的制车间的二氧化氯工段的氯气、二氧化氯气体TA2管道，拍片381张，一次合格率97.5%。

3.云南盐化股份有限公司10万吨/年烧碱装置干氯气、湿氯气等剧毒介质TA2管道，拍片3316张，一次合格率98.1%。

4.云南南磷集团10万吨/年烧碱装置安装过程中，安装了23种规格为ф20×2~ф159×4.5的工业纯钛（TA1、TA2）管道，45天完成全部安装，比同类工程同数量管道安装缩短工期15天，拍片10417张，一次合格率98.5%。

1.《钛换热器焊接施工工法》在整个过程中因施工工序的连续性，工艺的成熟能有效的利用材料，降低成本，最大限度地消除对周围环境的影响，做到了质量有保障、环境无影响、职业健康安全有保证，为2009年后类似工程项目提供了可靠的依据及技术指标，取得更好的社会效益和环境效益。

2.《钛换热器焊接施工工法》对钛制设备的制造及钛材焊接等方面具有较强的指导意义，有利于先进施工工艺的推广和应用，提高企业的竞争力。