核电冷凝器Gr2钛焊接管专用带材研究

摘 要：Gr2钛焊接管是核电站以海水为交换介质冷凝器的关键部件，由于其加工和使用的特殊性，普通gr2钛带不能满足其制造要求，而专用Gr2钛带的制造技术由少数几个国家所垄断，只能长期依赖于进口。文章从Gr2钛焊接管的制造工艺及使用要求入手，深入研究、分析用于制造焊接管的Gr2钛带最佳力学性能指标，并通过控制其化学成份，获得期望的性能。

关键词：Gr2钛焊接钛管专用带材；力学性能；化学成份

引言

Gr2钛焊接管以其优异的耐海水腐蚀特性、较好的热传导性能，被广泛应用于以海水为交换介质的冷凝设备，其在滨海核电站及海水淡化领域的应用越来越广泛。目前，只有美国Timet公司、日本新日铁公司等少数几个钛制造企业拥有自己的焊接管专用钛带制造技术，国内钛工业起步较晚，专用Gr2钛带的制造工艺研究进展缓慢，一直未能实现突破性进展，国内使用的专用Gr2钛带长期依赖进口。文章将从Gr2钛焊接管的制造工艺和使用要求入手，对Gr2钛焊接管专用带材的力学性能指标、化学成份展开研究。

1 钛焊接管制造工艺及使用要求分析

焊接管的制造是利用成型辊将钛带横向弯曲变形加工成圆形，如图1所示；随后，利用定径辊对焊接管产生拉、压作用，产生截面变形，从而加工成符合外径精度要求的产品。

焊接管的成型、定径加工都是冷加工，要求钛带的横、纵向应有良好的加工性，强度不宜过高，具有一定的塑性，否则，加工过程中钛带变形困难，工模具承受作用力大、磨损严重，不仅降低工模具的使用寿命，更重要的是造成产品内、外表面划伤。

钛带加工成焊接管，室温力学性能指标中的规定非比例延伸强度有较大幅度的提高，提高的幅度约25-40%，如果钛带本身强度偏高，加工后其规定非比例延伸强度将会超出标准规定的275-420MPa的上限。[1]

钛焊接管在冷凝器制作过程中两端部要进行胀管工艺，这也要求材料具有一定的塑性，保证胀接部分不会在加工过程及后续使用过程中开裂。

综上所述，用于制造钛焊接管的带材要求强度适中，具有一定的塑性，而普通钛带强度偏高，不能满足要求。

2 专用Gr2钛带力学性能分析

分析冷凝器设计和制造相关技术标准及核电站产品使用数据，结合Gr2材料本身特性认为Gr2钛焊接管的最佳室温力学性能为：抗拉强度Rm420-480 MPa、规定非比例延伸强度Rp0.2310-380MPa、伸长率不小于20%。

由于焊接管的成型、定径加工都是冷加工，经过完全退火后，室温力学性能指标中的规定非比例延伸强度提高25-40%，抗拉强度提高5-10%，伸长率提高15-25%，抗拉强度提高的幅度不大，而伸长率的提高又是所期望的，故重点考虑规定非比例延伸强度。通过反推得出专用Gr2钛带的纵向规定非比例延伸强度Rp0.2取240-310MPa为宜，根据钛带纵、横向的一般规律，横向规定非比例延伸强度Rp0.2取290-360MPa为宜，具体见表1。[2]

3 专用Gr2钛带化学成份分析

Gr2钛材属于纯钛，杂质元素有N、C、H、Fe、O，其中的Fe、O含量对材料本身的力学性能的影响非常大，C含量次之，Fe、O、C的含量如果按普通钛带标准控制，将无法保证专用Gr2钛带的塑性及加工性能上的要求。Fe元素属于β稳定元素，使室温抗拉强度提高，同时降低伸长率等塑性指标；O、C元素都提高钛的室温抗拉强度，起到强化效应，提高钛的弹性模量[3]。为了得到期望的性能，Fe、O、C的含量应比通用ASTMB265标准规定的杂质含量更严格控制，以此降低材料的强度，提高塑性。考虑到实际生产状况，规定杂质含量要求为：Fe≤0.15%、O≤0.15%、C≤0.03%，其它元素也稍微加严控制，如表2。

4 试验

4.1 试验工艺

海绵钛真空自耗熔炼（二次，Φ1040mm）锻造（T200mm）热轧（T5mm）半成品退火（650℃）冷轧（T0.5mm）退火（700℃）

海绵钛选择0级或0A级海绵钛，熔炼过程中严格控制真空度和漏气率；铸锭变形率达70-80%，以保证粗大的铸造组织基本上被打碎，得到均匀、细小的纤维组织。

4.2 试验结果

在熔炼铸锭取样检测分析N、C、H、Fe、O含量，检测数据见表3。

在最终产品钛带上取样检测室温力学性能和H含量，检测数据见表4。

可以看出，表3、表4结果完全符合预期。使用此钛带制造规格为Ф25×0.5mm焊接管100米，依据ASTM B338要求对与材料相关的项目进行试验和检验，结果见表5，各项指标不仅完全符合标准要求，而且性能指标在最佳范围内。

5 结束语

普通的Gr2钛带由于强度偏高，加工性能不能满足要求，且易造成产成品规定非比例延伸强度超出标准要求，故不适宜于制作核电冷凝器钛焊接管，专用Gr2钛带通过控制材料的化学成份（见表2），尤其是Fe、O元素含量，适度降低钛带的强度，以达到最佳的力学性能（见表1），保证产品的后续加工性能和使用要求。

参考文献

[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]《稀有金属材料加工手册》编写组. 稀有金属材料加工手册[M].北京：冶金工业出版社，1984，P4-27.

作者简介：刘轶群（1970-），男，硕士研究生，工程师。