航空核電艦船等用鈦板鈦帶的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)與力學(xué)性能分析

鈦被譽為僅次于鐵、鋁的“第三金屬”，具有密度低、比強(qiáng)度高、耐蝕性好等突出優(yōu)點，作為一種新興的結(jié)構(gòu)材料，廣泛應(yīng)用于航空、航天、艦船、化工、汽車、體育和生物醫(yī)學(xué)等各個領(lǐng)域[1][2] 。以核電領(lǐng)域為例，核電作為一種安全、高效、清潔能源，凝汽器、換熱器是核電站的重要設(shè)備之一，采用海水或者被污染水作為冷卻液會對設(shè)備產(chǎn)生腐蝕和磨蝕，使設(shè)備發(fā)生泄露，危及電站安全運行。而鈦以其優(yōu)越的耐腐蝕性能、抗沖刷、高比強(qiáng)度、熱交換性等性能，現(xiàn)已成為核電用凝汽器、換熱器的理想材料[3] 。

1、國內(nèi)鈦板鈦帶發(fā)展現(xiàn)狀

鈦及鈦合金經(jīng)加工后制成板、帶、箔、管、棒、絲、鍛件、鑄件及復(fù)合材料等產(chǎn)品類型，鈦板帶材是其中最為重要的產(chǎn)品形式，但鈦板帶材的加工工藝性能差，切削加工困難，在熱加工中，非常容易吸收氫氧碳氮等雜質(zhì)，同時鈦板帶材的耐磨性差，生產(chǎn)工藝復(fù)雜。在2007年以前，國內(nèi)鈦板帶工業(yè)化生產(chǎn)處于空白狀態(tài)，鈦帶卷完全依賴進(jìn)口，采購費用高、

周期長且質(zhì)量不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響了鈦板帶及焊管下游應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。近年來，以湖南湘投金天科技集團(tuán)為代表的國內(nèi)多家企業(yè)相繼軋制出熱軋鈦板帶和冷軋鈦板帶，熱軋、冷軋純鈦板帶的生產(chǎn)技術(shù)、板帶熱處理技術(shù)、軋制過程控制技術(shù)等方面取得了長足的進(jìn)步。伴隨著國內(nèi)核電、PTA項目的建設(shè)加速及國產(chǎn)化需求，薄壁鈦焊管、化工及板換用鈦板

的需求越來越旺盛，2020年我國鈦及鈦合金板帶材的產(chǎn)量占到當(dāng)年鈦加工材總量59.2%，其中鈦帶卷的產(chǎn)量占據(jù)一半以上[4] 。對于核電冷凝器和熱交換器領(lǐng)域應(yīng)用，與采用塊式單張板比較采用鈦帶卷具有質(zhì)量穩(wěn)定性高，適合批量化連續(xù)生產(chǎn)、產(chǎn)品生產(chǎn)周期短及成本降低等突出優(yōu)點，目前鈦帶卷產(chǎn)品已成為核電用焊管、板式換熱器的首選材料[5] 。

2、鈦及鈦合金板帶材標(biāo)準(zhǔn)分析

國內(nèi)鈦板帶標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)歷了從無到有，并逐步發(fā)展，現(xiàn)已建成較為完善得鈦板帶標(biāo)準(zhǔn)體系。鈦板帶標(biāo)準(zhǔn)起步于上世紀(jì)70年代，于1970年頒布了鈦板YB762-70及鈦帶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YB763-70，上世紀(jì)80年代初，為國家標(biāo)準(zhǔn)局發(fā)布起草國家標(biāo)準(zhǔn)計劃，并于1983年發(fā)布我國第一批板材國家標(biāo)準(zhǔn)GB 3621-83《鈦及鈦合金板材》和GB 3622-83《板帶材》。90年代初期，隨著鈦工業(yè)技術(shù)發(fā)展及民用領(lǐng)域鈦板帶產(chǎn)品需求，對標(biāo)準(zhǔn)體系進(jìn)行了補(bǔ)充及完善，增加了專用鈦板標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14845-1993《板式換熱器用鈦板》[6] 。進(jìn)入21世紀(jì)，對國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了大規(guī)模修訂及體系完善，于2007年完成了GB/T 3621、GB/T14845標(biāo)準(zhǔn)修訂，并發(fā)布YS/T 658-2007《焊管用鈦帶》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2011年發(fā)布GB/T 26723-2011《冷軋 鈦帶卷》，2012年發(fā)布NB/T 20008.15-2012《壓水堆核電廠用其他材料 第15部分：3級板式熱交換器用鈦板》。

目前，我國鈦板帶采用標(biāo)準(zhǔn)包括國家標(biāo)準(zhǔn)（GB）、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（主要是有色行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YS、能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB）、美國（ASTM）及法國（RCC M）等，具體見表1。

表1 現(xiàn)行鈦板帶國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

從應(yīng)用的適用范圍來看，GB/T 3621-2007、GB/T 26723-2011、GB/T 3622-2012 及ASTMB265-2010適用于各種用途，GB/T 14845-2007適用于板式換熱器傳熱板，YS/T 658-2007適用于鈦焊管，NB/T 20008.15-2012和RRC-M M4401均適用于壓水堆核電站板式換熱器。

核電領(lǐng)域主要采用TA1、TA2鈦板帶材，本文主要針對以上兩種牌號對現(xiàn)行鈦板帶標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)成分及力學(xué)性能進(jìn)行分析見表2、表3。

表2 現(xiàn)行鈦板帶國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分分析

GB /T 3621-2007《鈦及鈦合金板材》中產(chǎn)品牌號化學(xué)成分參照GB/T 3620.1執(zhí)行，其中TA1、TA2的屈服強(qiáng)度采用了美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM B265-2006指標(biāo)，但抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率均高于美國標(biāo)準(zhǔn)。

GB/T 14845-2007《板式換熱器用鈦板》，主要參考了美國ASTM B265-2006標(biāo)準(zhǔn)中的化學(xué)成分、力學(xué)性能和工藝性能等技術(shù)指標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)中產(chǎn)品的抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度均參照了美國標(biāo)準(zhǔn)，但因板換特殊用途，對板材的塑性要求非常高，因此對TA1牌號的雜質(zhì)元素含量要求更為嚴(yán)格，其延伸率大大高于ASTM B265-2006及GB/T 3621-2007。

GB/T 26723-2011《冷軋鈦帶卷》帶卷的化學(xué)成分參照GB/T 3620.1執(zhí)行，帶卷的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率參考美國ASTM B265-2010及GB/T3622-2012標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，但與美國標(biāo)準(zhǔn)相比，冷軋鈦帶卷的橫向、縱向力學(xué)性能需同時達(dá)到指標(biāo)要求。

YS/T 658-2007《焊管用鈦帶》鈦帶的化學(xué)成分參照GB/T 3620.1執(zhí)行，抗拉強(qiáng)度、延伸率指標(biāo)與美國ASTM B265-2010相同，屈服強(qiáng)度低于ASTMB265-2010及GB/T 26723-2011《冷軋鈦帶卷》標(biāo)準(zhǔn)要求。

NB/T 20008.15-2012《壓水堆核電廠用其他材料 第15部分：3級板式熱交換器用鈦板》標(biāo)準(zhǔn)完全參照法國RCC-M（2000版、2002版、2005版補(bǔ)遺）M4401《產(chǎn)品采購技術(shù)規(guī)范 用于制造３級熱交換器換熱器的鈦板》制定，板材抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度高于GB /T 3621-2007《鈦及鈦合金板材》及GB/T 14845-2007《板式換熱器用鈦板》，延伸率低于

GB/T 14845-2007。但該標(biāo)準(zhǔn)鈦板的化學(xué)成分未注明C、Fe、O、N、H5種雜質(zhì)元素外的其他雜質(zhì)含量百分比。

對比表2中各標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)成分，可以發(fā)現(xiàn)GB/T3621-2007、GB/T 26723-2011、YS/T 658-2007及GB/T 3622-2012的化學(xué)成分范圍一致，且范圍最寬，ASTM B265-2010標(biāo)準(zhǔn)GR1中C、Fe及O元素和GR2中的C、N元素含量低于GB/T 3621-2007等標(biāo)準(zhǔn)要求，GB/T 14845-2007標(biāo)準(zhǔn)中C、Fe、O及H元素含量低于GB/T 3621-2007 及GB/T 14845-2007等標(biāo)準(zhǔn)要求，NB/T 20008.15-2012和M4401元素含量相同，其C、Fe、O及H元素含量是所有標(biāo)準(zhǔn)中含量最低的，控制最為嚴(yán)格，但標(biāo)準(zhǔn)中對于其他元素單一及總體含量比例控制沒有提出要求。

表3 現(xiàn)行鈦板帶國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)性能對比

分析表3中各標(biāo)準(zhǔn)的力學(xué)性能，GB/T 14845-2007、GB/T 3621-2007、NB/T 20008.15-2012、M4401及GB/T 3622-2012試樣取樣方向為橫向，YS/T 658-2007試樣取樣方向為縱向，而GB/T 26723-2011試樣取樣方向為橫縱向，要求最為嚴(yán)格。GB/T 3621-2007、GB/T 26723-2011、GB/T 3622-2012 性能指標(biāo)基本相同，YS/T 658-2007抗拉強(qiáng)度低于GB/T 3621-2007等標(biāo)準(zhǔn)要求，GB/T3621-2007與GB/T 3621-2007比較，伸長率提高5%，GR2屈服強(qiáng)度提高約50MPa。NB/T 20008.15-2012和M4401的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度區(qū)間最窄，GB/T 14845-2007對材料抗拉強(qiáng)度上限沒有提出要求，但伸長率最高達(dá)到55%。

同時為滿足我國各領(lǐng)域用鈦板帶需求，國內(nèi)先后圍繞軍工、醫(yī)用、高端消費品等領(lǐng)域制定了GJB944、GB/T13810、YS/T 795等多個國軍標(biāo)、國標(biāo)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)見表4。目前核電鈦帶卷主要用于板式換熱器及鈦焊管，同時核電有壓水堆和氣冷堆等反應(yīng)堆型，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)只適用于壓水堆板式換熱器，缺乏專門的產(chǎn)品規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)。

表4 各領(lǐng)域鈦板帶標(biāo)準(zhǔn)

3、結(jié)論

我國鈦產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了從無到有，并不斷壯大，在體系建設(shè)、產(chǎn)業(yè)規(guī)模、技術(shù)進(jìn)步等方面取得顯著成就，但在專業(yè)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)體系方面尚存在進(jìn)一步提升空間。

（1）核電鈦帶卷已成為核電板式換熱器及焊管最為主要的產(chǎn)品供應(yīng)方式，但目前尚無核電帶卷標(biāo)準(zhǔn)。

（2）現(xiàn)有核電板式換熱器用鈦板仿照國外制定，化學(xué)成分和試樣取樣方向等內(nèi)容還需完善。

（3）應(yīng)結(jié)合核電等領(lǐng)域產(chǎn)品需求特點，編制符合我國核電產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和技術(shù)要求的標(biāo)準(zhǔn)體系。

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作者簡介

肖芬，本科，助理工程師，主要研究方向為鈦及鈦合金材料開發(fā)及標(biāo)準(zhǔn)化。