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钛设备的设计要点

发布日期:2018-04-12 作者:山东亿龙有色金属 点击:

随着钛在压力容器、罐和箱等方面应用的增加,在考虑材料技术特性及经济效益的基础上,选材有三种基本方法:全钛结构、衬套或衬里用钛及采用钛复合材料(板)。

选用何种材料取决于设计要求、设备的使用状态、所需的材料厚度和相应的加工制造方法以及费用。概括地说,关于压力容器制造,随着操作条件的变化、压力、温度等参数的增加而依次采用全钛、衬套和复合材料结构。爆炸复合板比全钛结构便宜,这一点增加了设计者和制造者对复合板的兴趣。钛板的成本几乎是与其厚度成正比,也就是正比于材料的使用数量。但是爆炸复合板的成本与爆炸连接技术有关,而与钛板厚度关系不大。将钛贴面厚度为2mm的爆炸复合板和全钛板在每平方米价格上作一比较就可以发现,当厚度为20mm时两者价格是一样的。因此,当厚度小于20mm时,全钛板较便宜。当然,还必须考虑到其他几个因素。复合板的所有焊合及内部附件的连接处具有更大的复杂性,因此,实际上的亏盈平衡点对于简单容器来说,厚度要超过20mm,而对复杂容器则更厚才合算。但是超过一定厚度后,由于钛的活性大,使焊接存在着困难,而厚钢板的焊接问题早已解决。

近些年来,衬里容器的设计与制造已有了很大的发展。由于发展初期,钛的成本较高,以碳钢容器内只能衬以尽可能薄的钛。这样,内衬的钛可以抗介质腐蚀,而钢的外壳承受需要的压力。这种薄衬里结构已经被证明,在工作温度稍高于室温及不涉及真空的较低压力下使用是令人满意的。

对于压力高达200*105pa和温度高达200℃的大直径反应容器,薄层技术就不适用了,而要选取其他的结构。

一种常被人们选择的方法是,衬里容器用钛作为内容器,其材料厚度为5mm,以使它能支撑自重,并能在两侧完全焊接以确保具有较高的焊接完整性。这一容器经过充分试验和检查后,以两半形式制作碳钢或低合金钢外壳,并按钛容器的外径加工钢壳内表面,以获得配合界面。这两半钢壳装配到钛容器上,然后沿钢容器的纵缝进行焊接,再焊上容器的端面,最后合成的是一个在钢外壳里有一个预应力钛壳的容器,其操作压力和温度分别可为30*155pa和180℃。

在苛刻条件下使用的容器可用钛复合板制造,这种材料是用爆炸连接技术生产 的,金属之间的剪切强度为200~275MPa。钛复合板的对接焊是撕去复合板背后复合层,进行正常的钛钢焊接,然后用钛板搭接。但是在搭接之前必须把搭板在复合板上搞平。显然不能把钛叠在钢板上焊接,因为这两种材料是不相容的。但是可以把钛焊到银上,因为银和钛及铁都是相容的。

钛设备.jpg

热交换器

钛热交换器的制造技术经历了与钛压力容器一样的发展过程。开始,低压低温条件下的热交换器是用1mm厚衬里封头和1.6mm贴面的碳钢管板制造的。现在大型交换器则用厚达100mm的整体管板和同样厚的整体封头制成,并已发展到用复合板制作大型管板的阶段,但只有在管内有腐蚀介质时才使用复合板和衬钛管板。

钛管本身就是一个薄而耐用的材料,即使在恶劣和临界使用条件下也是如此。高压场合最常用的钛管壁厚为0.91mm和1.2mm。必须考虑到由于振动和其他一些估计不到的使用情况会使薄壁管遭到破坏。但这种情况在实际使用中是极为罕见的,而且只限于发生在供气速度过高的热交换器中。人们一直是用重新设计隔板间距来克服这一困难。

管和管板连接一般是用辊涨和密封焊接,以得到完全密封和防止管和管板之间的缝隙。但是有时钛管同铜管板连接,此时就只能用辊涨法连接。

 一般是用三辊辊涨机进行辊涨,通常在高于90mm的管板厚度上,管壁厚度的减小为5%。机械辊涨的结果是水压密封,用开槽的管板孔提高了一些拉脱强度,但是不影响水压密封性。

由于钛的使用常常是与强腐蚀介质相联系的,所以一般都采钛设备的设计要点

用机械辊涨加密封焊接。对于管与管板的焊接,不管是全钛还是复合板,很多设计者基于焊透性的改进而支持采用阶梯焊接。但有些人却认为是不必要的,因为这样会给在必须补焊时造成更大的困难。

在某些应用中,特别是介质为海水时,有可能使用用钛管装入不同金属管板并辊涨所制成的热交换器。但很明显只有在管板材料与钛是相容的条件下才能这样做。

要给出一个合适的钛表面热传导系数极限是不现实的,因为它在很大程度上取决于设计和工艺参数。对于用冷水作为冷却剂的热交换器,可用值为425~550W/(m ²·℃);对于用蒸汽或热水加热静止液体的热交换器,可用值为800~1450W/(m ²·℃)。

对于用海水冷却的凝汽器,当其管壁厚度为0.5~1.0mm、流速低于3.9m/s时,实测数据为5400~6800W/(m ²·℃)。


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