11-12-2012_09-23-52 / 3-3 -Титан

Производство сварных конструкций глава 3

2. Титан и его сплавы

Двадцатый век ознаменовался созданием большого количества новых конструкционных материалов, среди которых титан и сплавы на его основе занимают одно из ведущих мест.

Когда говорят о титане как о “новом” металле, то имеют в виду промышленное использование металлического титана в качестве конструкционного материала.

Титан как химический элемент был открыт английским священником Уильямом Грегором в 1791 году и долгое время не мог быть получен в чистом виде из-за его высокой химической активности. В 1875 г. Д.К.Кириллов сумел получить металлический титан, содержащий от десятых долей до двух процентов примесей, которые делают титан хрупким, не прочным, не поддающимся ни пластической, ни механической обработке. В начале ХХ века химическое соединение двуокись титана успешно заменила свинцовые и цинковые белила, которые были не только экономичными, но и экологически безопасными. Двуокись титана также входит в состав фарфоровых масс, тугоплавких стекол, керамических материалов с высокой диэлектрической проницаемостью. В резиновых смесях она повышает прочность и термостойкость.

В 1925 году голландцы Ван Аркель и Де Бур йодидным способом получили титан высокой степени чистоты – (до 99,9%). Такой металл обладает очень высокой пластичностью, он ковался на холоде, прокатывался в листы, проволоку и даже в фольгу. Изучение физико-химических свойств металлического титана показало, что он, будучи почти вдвое легче железа, по прочности превосходит многие стали. Сравнения с алюминием тоже оказались в пользу титана: последний всего в полтора раза тяжелее, но зато более, чем в шесть раз прочнее алюминия. Что особенно важно, титан сохраняет необходимую прочность при температурах до 600^оС.

Все эти характеристики, свидетельствовавшие об уникальности титана, вызывали широкий интерес к нему как конструкционному материалу во многих странах.

В 1940 году В. Кролем (Люксембург) впервые был разработан процесс, открывший перспективы производства титанового сырья в промышленном масштабе.

В нашей стране промышленной выплавке титановых слитков предшествовали обширные научные исследования и опытные работы, проводимые параллельно в различных академических и отраслевых научно-исследовательских институтах.

В 1951 г. во Всесоюзном институте авиационных материалов (ВИАМ) были проведены первые работы по исследованию возможности плавки титановой губки в вакуумных индукционных и дуговых печах. В результате выполнения большого объема теоретических и экспериментальных работ, проводимых с 1952 г. была создана опытно-промышленная вакуумно-дуговая печь, с помощью которой были получены титановые слитки.

В этот период в СССР титаном начала заниматься авиа-ракетно-космическая промышленность (АРКП), что позволило создать совершенно новый тип высокоскоростных стратегических ракет и самолётов. Вскоре началась работа по использованию титана в судостроении (рис. 3.2.).

В 1956-1958 гг. максимальная масса титановых слитков не превышала 350-400 кг, а общий объём производства их составляло 1,5 - 2,0 тыс. т в год.

Титановые сплавы неожиданно быстро вошли в группу наиболее важных конструкционных материалов. Современное производство титановых полуфабрикатов составило 110.000 тонн, а масса слитка достигает 10 тонн.

Общие сведения о титане и его сплавах.

В периодической системы Менделеева Д.И. титан расположен в IV подгруппе. Его физические свойства [1]:

1. Атомный номер – 22.

2. Атомный вес – 47,90.

3. Температура плавления – 16655^оС (1938 К).

4. Скрытая теплота плавления – 21 Дж/моль.

5. Температура кипения 3500^оС (3773 К).

6. Скрытая теплота испарения при 25^оС – 471,4 Дж/моль .

7. Упругость паров при температуре плавления– 0,06 Па (низкая испаряемость при Т_кип) .

8. У титана две аллотропические модификации:

•  - модификация, устойчивая от 882^оС до температуры плавления;

•  - модификация существует при температурах ниже 882^оС.

9. Модуль упругости составляет 112500 МПа.

10. Плотность - титана при 252^оС равна 4,505×10 ³ кг/м³, -титана при 900^оС равна 4,335×10 ³ кг/м³.

11. Удельная теплоемкость при 15^оС равна 0,5229×10³ Дж/(кг К).

12. Теплопроводность при 50^оС равна 15,46 Вт/(м К) (в 16 раз ниже, чем у алюминия и в 6 раз ниже, чем у железа).

13. Электросопротивление 42·10^-8 - 80·10^-8 Ом м – зависит от чистоты титана:

• иодидного титана – 45·10^-8 Ом м;

• технического титана – 55·10^-8 Ом м.

Иодидный титан высокой чистоты – малопрочный высокопластичный металл:

• _в=215 - 255МПа,

• _0,2=120 - 170МПа,

• ₅=50 - 60%,

• =70 - 80%,

• твердость по Бринеллю НВ1275МПа

• ударная вязкость а_н25×10⁵ Дж/м².

Из-за низкой прочности иодидный титан в промышленности практически не применяется.

Технически чистый титан содержит примеси железа, кремния, углерода, кислорода, водорода и азота. Присутствие даже небольших количеств (0,5 - 0,7% масс. в сумме) этих элементов значительно повышает прочность металла и снижает его пластичность при комнатной температуре.

Физико-механические свойства технически чистого титана в сравнении с другими конструкционными металлами приведены в таблице 3.11.

Коэффициент линейного расширения (КЛР) титана практические зависит от легирования. У промышленных сплавов его значения находятся в пределах от 7,3 до 9,2×10^-6 К^-1. Однако, при образовании метастабильных фаз возможно резкое уменьшение КЛР. Так, у -сплава возможно не расширение, а сокращение размеров при нагреве как следствие процесса распада твердых растворов.

Титан – немагнитный материал, относится к классу парамагнетиков.

Титан обладает низким значением термических напряжений в конструкциях, работающих при теплосменах, а также отсутствием явления термической усталости. Это обусловлено низкими значениями модуля нормальной упругости и коэффициента теплового расширения титана. В то же время низкая теплопроводность приводит к необходимости применения специальных мер при проектировании теплообменной аппаратуры.

Титан обладает низким значением демфирования колебаний для вибрирующих элементов, например, турбинных лопаток.

В начальный период становления титана как конструкционного материала главное внимание уделялось высокой удельной прочности, в том числе при повышенных температурах. Это предопределило широкое и приоритетное использование титановых сплавов в авиационной и космической технике (рис. 3.2).

Впоследствии было обращено также внимание на сочетание высокой удельной прочности с абсолютной коррозионной стойкостью и немагнитностью титановых сплавов. Следствием этого стало достаточно широкое применение его в морской технике: судостроении и инженерных сооружениях для освоения месторождений углеводородов на морском шельфе.

Таблица 3.11. Физико-механические свойства технически чистого титана в сравнении со сталью

Свойства	Технически чистый титан	Углеродистая сталь	Нержавеющая сталь Х18Н9Т
Плотность, кг/м3	4510	7860	7900
Модуль Юнга Е×10-4, МПа	11	20	20
Предел прочности, МПа	390-540	294 - 324	490
Предел текучести, МПа	294 - 362	175 - 196	147 - 245
Относительное удлинение, %	25 - 30	33 - 35	40
Коэффициент линейного расширения (0 - 100оС) ×10-6, К-1	8,9	11,9	16
Температура плавления, оС (К)	1665 (1938)	1535 (1808)	1500 (1773)
Коэффициент теплопроводности при 20оС, Вт/(м К)	19,2	71,3	15,9
Удельное электросопротивление при 20оС, Ом м, ×10-8	55,4	10	73
Удельная теплоемкость при 50оС, кДж/(кг К)	0,50	0,458	0,502

Для оборудования морской техники требуется обеспечение срока безремонтной службы 25 – 30 лет при наработке не менее 100 тыс. часов. Это может быть достигнуто при использовании высокоресурсных материалов. К таким материалам относятся сплавы на основе титана разработанные в ЦНИИ КМ «Прометей» специально для морского применения.

Титан и его сплавы обладают специфическими свойствами, которые отвечают предъявленным требованиям к конструкционным материалам и дают преимущества перед многими традиционными материалами:

• практически абсолютная стойкость во многих коррозионных средах;

• низкий по сравнению со сталью удельный вес;

• высокая удельная прочность (рис. 3.3);

• хорошая свариваемость титана

• сопротивляемость мало – и многоцикловым нагрузкам;

• отсутствие хладноломкости;

• немагнитность;

• радиационная стойкость.

Сочетание таких характеристик в настоящее время позволяет судить о титане и его сплавах, как о наиболее перспективном материале во многих областях техники. Титановые сплавы для судостроения начались разрабатываться параллельно с освоением и становлением титановой промышленности. В ходе этого процесса расширялись представления и углублялись научные знания о титане, как о новом конструкционном материале. Для судостроительных конструкций разработан и производится ряд конструкционных сплавов для:

• корпусных конструкций – сплавы ПТ-3В, 17, 5В. 5ВА. 37, 23А;

• судового машиностроения – сплавы ПТ-3М, 19, 14, ТЛ3, ТЛ5;

• энергетики – сплавы ВТ1-00, ВТ1-0, ПТ1М, ПТ-7М, 27.

Эти титановые сплавы обладают сочетанием в них достаточно высокой прочности, удовлетворительным показателям пластичности, высокой коррозионной стойкости, сопротивлением распространения трещин в морской воде, хорошей свариваемостью и пластичностью (табл. 3.12).

Сочетание таких характеристик в настоящее время позволяет судить о титане и его сплавах, как о наиболее перспективном материале для оффшорной техники.

Титан и его сплавы всегда были и остаются наиболее дорогими конструкционными материалами, но соотношение цен между основными конструкционными материалами всегда остаются примерно на том же уровне. Однако применение титана в мировой практике находит большое место (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Применение конструкционных материалов для изготовления труб конденсаторов

В настоящее время высокая цена их связана с монополизмом производителя и большим спросом этих конструкционных материалов за рубежом. Спрос на титан у зарубежных фирм обусловлен не только физико-механическими свойствами по сравнению с традиционными, но и экономической целесообразностью его применения в конструкциях работающих в особо трудных условиях, где требуется высокая надёжность и работоспособность.

Выбор материала при проектировании конструкции его цена играет не маловажную роль для потребителя. Для него высокая цена материала говорит, что и конструкция будет дорогая.

В основном считается, что базовая цена – это цена стальной конструкции (рис.3.8). Однако при изготовлении конструкций требуется не масса материала, а его объём. Действительно если для одной и той же конструкции используется сталь и титан - объём материала будет одинаков, а вес конструкций из титана будет в 1,7 раза легче стальной.

Таблица 3.12. Механические свойства полуфабрикатов из титановых сплавов

Марка сплава	Вид полу- фабриката	в МПа	0,2 МПа	, %	, %	KCU КДж/м2	в МПа	0,2 МПа	№№ ГОСТ, ТУ, ОСТ
		не менее
		при температуре 20 ОС					При повышенных температурах
ВТ1-00	Листы	 295	-	30	-	-	-	-	ГОСТ 22178
	Прутки катаные	 265-295	-	20	40-50	600-1000	-	-	ГОСТ 26492
	Трубы	295-440	-	20	-	-	-	-	ГОСТ 22897 ГОСТ 24890
ВТ1-0	Листы	 370	-	20-30	-	-	-	-	ГОСТ 22178
	Прутки	 345	-	15	36-40	500-700	-	-	ГОСТ 26492
	Трубы	390-590	-	15	-	-	-	-	ГОСТ 22897 ГОСТ 24890
ПТ-1М	Трубы	343-570	245-265	22	45	785	при 150 ОС		ТУ 14-3-820 ТУ 14-3-821
							220	155
ПТ-7М	Трубы	471-667	373	18-20	36	785	при 350 оС		ТУ 14-3-820 ГОСТ 21945
							235-245	177
	Проволока	440-635	-	 16-20	-	-	-	-	ГОСТ 27265
ПТ-3В	Листы	638-883	589	9-18	15-25	687			ТУ 1-5-357 ТУ 5.961-11122 ТУ 5.961-11155
	Прутки катаные	638-854	589	11	26	687			ОСТ 1 92062

При этом надо учитывать, что в расчёт прочности конструкции входят нагрузки от веса самой конструкции. Поэтому масса уменьшается ещё в 1,2 раза. Коррозионная стойкость в агрессивных средах позволяет уменьшить толщины листов, профилей, труб. Это также позволяет уменьшить массу примерно в 1,5 раз. Таким образом, масса титановой конструкции по сравнению со стальной уменьшается в 3 раза. За счёт высокой коррозионной стойкости и длительной безремонтной службы расходы на эксплуатацию (в основном ремонт) сокращается не менее чем в 1,8 раза.

Изготовлении энергетического оборудования с применением титановых сплавов по сравнению со сталью, позволит:

• снизить массу за счёт удельного веса в 1,7 раза

• снизить массу за счёт уменьшения толщины стенки в 1,5 раза

• снизить массу за счёт уменьшения диаметра трубы в 1,4 раза

• снизить эксплуатационных расходов в 1,8 раза

Рис. 3.8. сравнительная оценка снижения расходов на производство и эксплуатацию титановых конструкций.

Данный анализ себестоимости конструкций из титана по сравнению с традиционными материалами ориентирочный.

Подробный анализ положительных и отрицательных сторон позволяет судить о значительной экономии за счёт большой долговечности, технологичности, транспортабельности и т.п. Следует заметить, что даже при утилизации конструкции отработавшей свой ресурс состояние материала (титана), узлов и даже некоторого оборудования подлежат восстановлению, модернизации или дальнейшей эксплуатации.

В настоящее время стратегия научно-исследовательской и производственной деятельности в области перспективного применения титановых сплавов складывается из следующих направлений.

Первое направление связано с общемировой тенденцией освоения глубин Мирового океана. Это влечет необходимость создания глубоководных транспортных средств (ГТС) с широкими функциональными возможностями (глубина погружения, автономность, маневренность и т. д.).

Второе направление относится к транспортной и стационарной тепловой и атомной энергетике. Применение титановых сплавов позволит существенно повысить ресурс, экономичность и экологическую безопасность парогенераторов конденсаторов и других теплообменников различных типов, трубопроводов конструкций.

Третьим направлением является развитие класса функциональных материалов и технологий – таких, которые решают не универсальные задачи, а направлены на узкоспециализированные.

В большинстве случаев такие функциональные, узко специализированные материалы и технологии позволяют решать весьма ответственные задачи в машино- и корпусостроении, например, торцевые уплотнения, электроразъединение от контактной коррозии и др.

Применительно к морским бурильным и добывающим установкам, исходя из опыта судо- и кораблестроения титан и его сплавы могут быть применены в следующих узлах, изделиях и системах.

1. Системы трубопроводов:

• райзеры,

• водоснабжения,

• балансного трубопровода,

• пожаротушения.

2. Оборудование энергетического назначения;

• конденсаторы,

• парогенераторы,

• опреснители,

• маслоохладители;

• другие теплообменники различного назначения.

3. Нефтедобывающая промышленность:

• Донное оборудование.

• Функциональное оборудование.

• Несущие конструкции.

• Системы противокоррозионной защиты.

В любую трубную систему входят трубы, элементы соединения (фланцы, муфты, биметаллические переходники и др.) компенсаторы, арматура (тройники, уголки, вентили, задвижки и др.), насосы, распылители (для системы пожаротушения), крепёж, и т.д.

Оборудование энергетического назначения это в основном различного вида теплообменники, парогенераторы и в настоящее время прорабатывается возможность применения титановых сплавов для корпуса реактора (рис.3.9 – 3.12).

Рис. 3.9. теплообменники различного типа

Титановый теплообменник состоит из корпуса, трубного пучка, трубной доски и устройств промышленного крепления труб в корпусе.

Конструкция теплообменного аппарата может меняться в зависимости от назначения, теплообменных сред, а значит, в отдельных её частях может быть использован различный материал. Например, корпус стальной, трубная доска биметаллическая титан-сталь. Этот вариант возможен в двух случаях:

1. При модернизации или ремонте теплообменного аппарата, сделанного из стали.

2. В случае если корпус теплообменного аппарата не подвержен агрессивной среде.

Уникальность титановых сплавов состоят в их особых свойствах (табл.3.5).

Большие перспективы применения титановых сплавов, как высоконадежных конструкционных материалов, открываются при изготовлении корпусов ядерных реакторов водо-водяного типа для маломощных (до 10МВт), легко транспортируемых АЭС. Энергетические установки такого класса могут быть доставлены водным или воздушным сообщением практически в любой труднодоступный район. Реализация данного проекта позволит создать новое поколение мобильных АЭУ с повышенным ресурсом и экологической безопасностью, способных автономно работать в любой географической точке, как независимые источники электро-и теплоснабжения.

Таблица 3.5. Особые свойства титановых сплавов.

Свойства	Характеристика
Служебные свойства	Высокая кратковременная и длительная прочность, пластичность при температурах до 400°С
	Высокая радиационная стойкость при температуре 250 – 400°С
	Высокая коррозионная стойкость в воде и паре при температурах до 400°С в условиях ядерного облучения
	Малая склонность к радиационному распуханию
	Отсутствие хладноломкости в исходном и облученном состояниях
	Отсутствие коррозионно-механических разрушений
	Малая активируемость и уникально быстрый спад наведённой радиоактивности
Технологические свойства	Производство необходимых полуфабрикатов и деталей конструкций
	Хорошую свариваемость в различных толщинах
	Возможность выполнения антикоррозионных и антифрикционных покрытий