鈦焊管表面黑斑成因分析及控制

張望成，李海明，唐 爽，曾憲山

(湖南湘投金天新材料有限公司，湖南 益陽 413000)

鈦管分為鈦焊管與鈦無縫管，鈦焊管力學性能與鈦無縫管基本一致，但壁厚均勻，同心度好，光潔度高，且成本及環保優勢明顯[1]。近年來，隨著我國鈦產業的高速發展以及焊接工藝的日益成熟，鈦焊管被大量應用于各類熱交換器中，在保證熱交換效率的同時，進一步提高了熱交換器的使用壽命，降低了設備維護成本，產生了良好的經濟效益[2]。

高鈍鈦金屬表面極易生成一層牢固附著的致密保護膜，因而具有優異的耐蝕性。去掉氧化膜的鈦表面只要暴露在空氣或水溶液中，就會立即形成新的氧化膜[3]。因此對鈦焊管表面進行修整，并不會影響其耐腐蝕性能。

在鈦焊管的生產過程中，部分鈦焊管表面出現了形狀不規則的黑斑，且黑斑主要出現于焊縫邊緣。根據ASTM B338—17標準[4]，可對鈦焊管表面進行修整。但修整量無法控制，易造成壁厚過薄而報廢，同時會增加生產成本。為此，對鈦焊管表面的黑斑形成原因進行分析，并根據分析結果制定改善措施，以解決鈦焊管表面的黑斑問題。

1 實 驗

1.1 實驗材料

實驗材料為Gr.2鈦焊管，規格為φ26 mm×0.711 mm，化學成分如表1所示。鈦焊管表面有黑斑，典型形貌如圖1所示。

表1 Gr.2鈦焊管雜質元素含量(w/%)Table 1 Impurities content of Gr.2 titanium welded tube

圖1 鈦焊管表面典型黑斑形貌Fig.1 Typical black spots on the surface of titanium welded tube

鈦焊管的生產工藝流程為：帶材→清洗→剪切端焊→清洗→冷彎成形→焊接→一次定徑→在線退火→二次定徑/矯直→渦流探傷→激光測徑→定尺切斷→超聲波探傷→精切→端頭去毛刺→水下氣密試驗→表面風干→表面檢查。

1.2 方法及設備

隨機選取鈦焊管并切取3支帶黑斑的典型試樣，分別編號為1#、2#、3#，如圖2所示。使用Zeiss Merlin Compact 場發射掃描電子顯微鏡(SEM)對黑斑和非黑斑區域形貌進行觀察，并用Oxford AZtec X-Max 50能譜儀進行成分分析。使用Renishaw Invia 激光共聚焦拉曼光譜儀進行拉曼光譜分析。采用XJA-6A金相顯微鏡對樣品黑斑區域(經過打磨拋光處理)和非黑斑區域進行金相組織觀察。

圖2 黑斑試樣照片Fig.2 Photos of test specimens

2 結果與分析

2.1 黑斑區域形貌及成分分析

2.1.1 SEM分析

圖3和圖4分別為3支試樣黑斑區域和非黑斑區域SEM照片。由圖3和圖4可知，3支試樣黑斑區域形貌都主要為微納尺度層片狀，而非黑斑區域形貌均呈冷軋鈦帶經冷彎后的加工形貌。

圖3 黑斑區域SEM照片Fig.3 SEM morphologies of black spot areas：(a)1# specime; (b)2# specime; (c)3# specime

圖4 非黑斑區域SEM照片Fig.4 SEM morphologies of non-black spot areas：(a)1# specime; (b)2# specime; (c)3# specime

對3支試樣的黑斑區域和非黑斑區域分別進行能譜分析，其結果分別如表2和表3所示。由表2可知，3支試樣黑斑區域都含有較多的C、Ti元素，一定量的O元素和少量Cu、Al、Si、K、Ca等元素。由表3可知，3支試樣非黑斑區域的成分都主要為Ti元素，一定量的C、O元素和少量其他元素。對比表2和表3可知，黑斑和非黑斑區域的成分差異主要為C元素的含量，黑斑區域C元素含量明顯高于非黑斑區域，且其他元素種類較多。黑斑處元素種類多于非黑斑區域應是外來物質在鈦焊管表面殘留所致。

表2 黑斑區域能譜分析結果(w/%)Table 2 EDS analysis results of black areas

表3 非黑斑區域能譜分析結果(w/%)Table 3 EDS analysis results of non-black areas

2.1.2 拉曼光譜分析

圖5為試樣黑斑區域的拉曼譜圖。從圖5可以看出，3支試樣的拉曼譜都有著銳利的D峰和G峰，且峰的高度與能譜檢測的C元素含量存在對應關系。圖中D峰和G峰的形態及無其他雜峰可以說明，該黑斑為石墨化的碳材料[5]。

圖5 黑斑區域拉曼譜圖Fig.5 Raman spectra of black spot areas

2.1.3 金相組織分析

圖6為試樣黑斑區域經2000#金相砂紙5次輕微打磨及腐蝕后的金相照片。從圖6可以看出，3支試樣的顯微組織基本一致，呈現出典型的冷軋鈦帶經冷彎加工后的顯微組織，證實黑斑處的金相組織并未因黑斑的存在而發生改變。

圖6 黑斑區域經打磨后的金相照片Fig.6 OM micrographs of black spot areas after polishing：(a)1# specime; (b)2# specime; (c)3# specime

2.2 黑斑成因分析及控制

2.2.1 黑斑產生原因分析

綜合以上實驗分析和生產過程的跟蹤分析，認為黑斑的形成原因是：生產線軸承等運動部件處的潤滑脂跟隨乳化液循環殘留在鈦焊管朝上的焊縫位置處，經過軋輥擠壓后緊密結合在鈦焊管表面，清洗過程中未能清洗掉，在后續退火過程中發生化學反應形成黑斑。

2.2.2 黑斑產生的控制

根據上述分析，黑斑產生主要與運動部件潤滑油脂、乳化液循環和清洗能力有關。因此，要消除黑斑，主要考慮避免潤滑脂混入乳化液中及增強對鈦焊管表面的清洗能力。

使用潤滑脂的目的是為了減小軸承等運動部件的摩擦力，延長設備的使用壽命。在軸承部件運動過程中潤滑脂會從部件間隙處溢出混入乳化液中。為避免潤滑脂溢出，通過多次實踐嘗試，采用專用量杯在運動部件上涂抹薄薄一層潤滑脂，這樣既能有效起到潤滑作用，又能減少部件運動過程中油脂溢出。同時，每個班次巡查4次油脂溢出情況，及時清理溢出的潤滑脂。

乳化液在鈦焊管生產過程中的作用是潤滑和冷卻，其中主要作用是潤滑，若潤滑性能不好則會使鈦焊管表面出現劃傷等缺陷，影響表面質量。為避免乳化液帶入運動部件處溢出的潤滑脂，隨后殘留在鈦焊管表面，在乳化液循環入口處增設一道過濾裝置，用282 μm(50目)過濾網過濾潤滑脂，并定時清理過濾網。

為保證清洗效果，將清洗水的壓力增大0.1 MPa，在鈦焊管進入退火爐之前將其表面的潤滑脂清洗干凈。

2.2.3 控制效果

采取上述改進措施后，跟蹤統計了3個月的鈦焊管生產情況，鈦焊管表面未再發現黑斑，徹底解決了鈦焊管表面的黑斑問題。

3 結 論

(1)鈦焊管表面的黑斑是由于生產線運動部件溢出的潤滑脂混入乳化液后，被乳化液帶到鈦焊管表面，同時被軋輥碾壓結合在鈦焊管表面未能被清洗去除，在高溫退火時碳化形成的。

(2)通過控制軸承等運動部件的潤滑脂用量、增加清理溢出潤滑脂的頻率、給乳化液設置過濾裝置和增大清洗水的壓力等措施，使得鈦焊管表面未再出現黑斑，徹底解決了鈦焊管表面的黑斑問題。