核電冷凝器Gr2鈦焊接管專用帶材研究

劉軼群 張延生

摘 要：Gr2鈦焊接管是核電站以海水為交換介質冷凝器的關鍵部件，由于其加工和使用的特殊性，普通Gr2鈦帶不能滿足其制造要求，而專用Gr2鈦帶的制造技術由少數幾個國家所壟斷，只能長期依賴于進口。文章從Gr2鈦焊接管的制造工藝及使用要求入手，深入研究、分析用于制造焊接管的Gr2鈦帶最佳力學性能指標，并通過控制其化學成份，獲得期望的性能。

關鍵詞：Gr2鈦焊接鈦管專用帶材；力學性能；化學成份

引言

Gr2鈦焊接管以其優異的耐海水腐蝕特性、較好的熱傳導性能，被廣泛應用于以海水為交換介質的冷凝設備，其在濱海核電站及海水淡化領域的應用越來越廣泛。目前，只有美國Timet公司、日本新日鐵公司等少數幾個鈦制造企業擁有自己的焊接管專用鈦帶制造技術，國內鈦工業起步較晚，專用Gr2鈦帶的制造工藝研究進展緩慢，一直未能實現突破性進展，國內使用的專用Gr2鈦帶長期依賴進口。文章將從Gr2鈦焊接管的制造工藝和使用要求入手，對Gr2鈦焊接管專用帶材的力學性能指標、化學成份展開研究。

1 鈦焊接管制造工藝及使用要求分析

焊接管的制造是利用成型輥將鈦帶橫向彎曲變形加工成圓形，如圖1所示；隨后，利用定徑輥對焊接管產生拉、壓作用，產生截面變形，從而加工成符合外徑精度要求的產品。

焊接管的成型、定徑加工都是冷加工，要求鈦帶的橫、縱向應有良好的加工性，強度不宜過高，具有一定的塑性，否則，加工過程中鈦帶變形困難，工模具承受作用力大、磨損嚴重，不僅降低工模具的使用壽命，更重要的是造成產品內、外表面劃傷。

鈦帶加工成焊接管，室溫力學性能指標中的規定非比例延伸強度有較大幅度的提高，提高的幅度約25-40%，如果鈦帶本身強度偏高，加工后其規定非比例延伸強度將會超出標準規定的275-420MPa的上限。[1]

鈦焊接管在冷凝器制作過程中兩端部要進行脹管工藝，這也要求材料具有一定的塑性，保證脹接部分不會在加工過程及后續使用過程中開裂。

綜上所述，用于制造鈦焊接管的帶材要求強度適中，具有一定的塑性，而普通鈦帶強度偏高，不能滿足要求。

2 專用Gr2鈦帶力學性能分析

分析冷凝器設計和制造相關技術標準及核電站產品使用數據，結合Gr2材料本身特性認為Gr2鈦焊接管的最佳室溫力學性能為：抗拉強度Rm420-480 MPa、規定非比例延伸強度Rp0.2310-380MPa、伸長率不小于20%。

由于焊接管的成型、定徑加工都是冷加工，經過完全退火后，室溫力學性能指標中的規定非比例延伸強度提高25-40%，抗拉強度提高5-10%，伸長率提高15-25%，抗拉強度提高的幅度不大，而伸長率的提高又是所期望的，故重點考慮規定非比例延伸強度。通過反推得出專用Gr2鈦帶的縱向規定非比例延伸強度Rp0.2取240-310MPa為宜，根據鈦帶縱、橫向的一般規律，橫向規定非比例延伸強度Rp0.2取290-360MPa為宜，具體見表1。[2]

3 專用Gr2鈦帶化學成份分析

Gr2鈦材屬于純鈦，雜質元素有N、C、H、Fe、O，其中的Fe、O含量對材料本身的力學性能的影響非常大，C含量次之，Fe、O、C的含量如果按普通鈦帶標準控制，將無法保證專用Gr2鈦帶的塑性及加工性能上的要求。Fe元素屬于β穩定元素，使室溫抗拉強度提高，同時降低伸長率等塑性指標；O、C元素都提高鈦的室溫抗拉強度，起到強化效應，提高鈦的彈性模量[3]。為了得到期望的性能，Fe、O、C的含量應比通用ASTMB265標準規定的雜質含量更嚴格控制，以此降低材料的強度，提高塑性。考慮到實際生產狀況，規定雜質含量要求為：Fe≤0.15%、O≤0.15%、C≤0.03%，其它元素也稍微加嚴控制，如表2。

4 試驗

4.1 試驗工藝

海綿鈦→真空自耗熔煉（二次，Φ1040mm）→鍛造（T200mm）→熱軋（T5mm）→半成品退火（650℃）→冷軋（T0.5mm）→退火（700℃）

海綿鈦選擇0級或0A級海綿鈦，熔煉過程中嚴格控制真空度和漏氣率；鑄錠變形率達70-80%，以保證粗大的鑄造組織基本上被打碎，得到均勻、細小的纖維組織。

4.2 試驗結果

在熔煉鑄錠取樣檢測分析N、C、H、Fe、O含量，檢測數據見表3。

在最終產品鈦帶上取樣檢測室溫力學性能和H含量，檢測數據見表4。

可以看出，表3、表4結果完全符合預期。使用此鈦帶制造規格為Ф25×0.5mm焊接管100米，依據ASTM B338要求對與材料相關的項目進行試驗和檢驗，結果見表5，各項指標不僅完全符合標準要求，而且性能指標在最佳范圍內。

5 結束語

普通的Gr2鈦帶由于強度偏高，加工性能不能滿足要求，且易造成產成品規定非比例延伸強度超出標準要求，故不適宜于制作核電冷凝器鈦焊接管，專用Gr2鈦帶通過控制材料的化學成份（見表2），尤其是Fe、O元素含量，適度降低鈦帶的強度，以達到最佳的力學性能（見表1），保證產品的后續加工性能和使用要求。

參考文獻

[1]ASTM Technical Committee. ASTM B338. Standard Specification for Seamless and Welded Titanium and Titanium Alloy Tubes for Condensers and Heat Exchangers[S].United States：ASTM International，2010.

[2]ASTM Technical Committee. ASTM B265. Standard Specification for Titanium and Titanium Alloy Strip， Sheet， and Plate[S]. United States：ASTM International，2010.

[3]《稀有金屬材料加工手冊》編寫組. 稀有金屬材料加工手冊[M].北京：冶金工業出版社，1984，P4-27.

作者簡介：劉軼群（1970-），男，碩士研究生，工程師。