發布日期：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、航天和海洋等相關領域。特別是鈦焊管，因其優良的耐腐蝕性能，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。因此，鈦在氧化性、中性介質中具有優異的耐腐蝕性[6−9]。鈦焊管在裝備中的服役穩定性和壽命直接關乎裝備的使用效率和安全性，鈦焊管在服役介質中的長時耐腐蝕性能一直是重點關注的問題[10]。郭佳林等人[4]發現國產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，相應的薄壁鈦焊管在海水淡化設備中已廣泛使用。
目前，國內對于鈦焊管耐腐蝕性能研究的數據不多，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鈦焊管，研究國產鈦焊管長時耐腐蝕性能，于是開展了長時間腐蝕試驗，希望通過數據收集和分析，掌握不同工況條件下鈦焊管長時耐腐蝕性能，增加國產鈦焊管的應用領域。
筆者從使用者的角度出發，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，產品牌號為Gr.2，產品材質和性能如表1所示。鈦焊管采用純鈦帶卷經輥彎成型、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而成，產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準要求。
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、質量分數為5%的氯化鎂水溶液、海水、體積分數為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聯合測定儀（生產廠家：LECO）、碳硫測定儀（生產廠家：LECO）檢測O、N、H、C、S元素含量，使用100kN電子萬能試驗機(生產廠家：美特斯工業系統（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、試驗結果
2.1鈦焊管焊縫成型特征
純鈦Gr.2焊管用鈦帶卷經過輥彎成型加工，逐漸形成鈦焊管管坯，鈦焊管管坯帶邊經過鎢極氬弧自熔焊接技術形成鈦焊管。為了釋放鈦焊管成型應力和焊接內應力，鈦焊管須經過高溫去應力退火，并保持一定時間；此外，為實現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，通過優化TIG電弧焊接工藝參數，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，內余高為0.048mm，焊管外徑公差尺寸為±0.05mm，完全滿足ASTMB338國際標準的要求。
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。焊縫區和熱影響區組織為等軸狀α相和柱狀α相，晶粒較大。原因是在TIG焊接熱循環作用下，焊縫金屬經過熔化凝固過程，熔池高溫停留時間導致焊縫晶粒長大，如圖2所示。
參考GB/T3625-2007《換熱器及冷凝管用鈦及鈦合金管》標準，對Gr.2鈦焊管進行力學性能測試，結果如圖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明顯縮頸現象，擴口試驗擴口率為22%，焊縫未發現裂紋。壓扁試驗和反彎試驗后，焊縫位置無裂紋產生。
2.3鈦焊管腐蝕行為
經長時腐蝕后，分別取出觀察表面，發現被體積分數10%的硫酸溶液浸泡的鈦焊管（即3、4號管）表面出現腐蝕現象，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，其中經硫酸溶液腐蝕后的鈦焊管母材出現壁厚減薄現象，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，經過長時浸泡腐蝕后，鈦焊管母材內部金相組織無異常。
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，可以發現，雖然在硫酸環境下鈦焊管母材和焊縫均有所減薄，但并未對鈦焊管內部的金相組織產生影響。鈦焊管母材仍為均勻的等軸組織，熱影響區為聯生生長的柱狀晶，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良的耐腐蝕性能。
3、結論
1）長時浸泡在體積分數10%硫酸溶液中的鈦焊管表面出現腐蝕現象，浸泡在其余三種溶液中的鈦焊管表面無腐蝕現象。
2）長時浸泡在體積分數10%硫酸溶液中的鈦焊管壁厚出現減薄現象，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、海水淡化等環境中，鈦焊管具備優異的耐腐蝕性能。
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