現(xiàn)代化工設(shè)備大都在高溫高壓、易燃易爆、強(qiáng)腐蝕條件下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)， 因此其選材就顯得特別重要。尤其是某些關(guān)鍵設(shè)備，甚至連配管與部件都不能用傳統(tǒng)材料制造。于是，耐蝕性好、比強(qiáng)度(強(qiáng)度／相對(duì)密度)大的鈦材，便日益受到人們的青睞。但由于鈦設(shè)備一次性投資較大，故人們對(duì)它的應(yīng)用，看法還不盡一致。筆者試圖從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度，對(duì)鈦材的應(yīng)用作一些分析。
1 鈦材的優(yōu)越性
1.1 使用壽命長(zhǎng)
與用傳統(tǒng)材料制造的化工設(shè)備相比，選用耐蝕性優(yōu)異的鈦材制造的化工設(shè)備，其使用壽命能延長(zhǎng)幾倍、幾十倍甚至幾百倍(詳見(jiàn)表1)。
計(jì)與制造同樣一臺(tái)設(shè)備，選用鈦材比用其他材料的費(fèi)用要低。如鈦的相對(duì)密度約為不銹鋼的56％ ，制造同樣一臺(tái)設(shè)備，投料可比用不銹鋼減少一半左右。按重量計(jì)，國(guó)產(chǎn)工業(yè)純鈦的價(jià)格約為進(jìn)口高級(jí)不銹鋼(如254 SMO)價(jià)格的2～3倍，但如按單位面積計(jì)，則用鈦材與用不銹鋼的價(jià)格相差不多。此外，由于鈦的比強(qiáng)度高，耐蝕性好，設(shè)計(jì)時(shí)可采用較小的腐蝕裕度，因而鈦設(shè)備的壁厚可以減薄。如海水冷卻器與凝汽器原用鋁黃銅與銅鎳合金制造，管壁厚為1.5～2.5 mm，改用鈦材，管壁厚可降至0.5 mm甚至0.3 mm；某些塔器襯不銹鋼厚為6～8 mm，改用鈦材可減少至3～5 mm，甚至1～2 mm。
使用鈦材來(lái)制造汽輪機(jī)、離心機(jī)、風(fēng)機(jī)與泵等通用機(jī)械，可確保它們有更好的工作性能，既允許有較高轉(zhuǎn)速，又可降低其驅(qū)動(dòng)所需的動(dòng)力。
1.3 換熱效率高
鈦的傳熱系數(shù)(15.24 w／(m ·K))與不銹鋼(16.33 w／(m ·K))差不多，但大大低于銅(393.56 w／(m2·K))。冷卻器與凝汽器的總傳熱系數(shù)取決于材料的傳熱系數(shù)與傳熱管壁厚以及結(jié)垢等因素。鈦的傳熱系數(shù)雖不高，但管壁可以減薄至0.3～0.5 mm，此外，鋼管與銅管表面易產(chǎn)生腐蝕產(chǎn)物與沉積污垢，而鈦潔度系數(shù)則較高，因而用鈦材，總傳熱系數(shù)還是高的。另外，鈦表面濕潤(rùn)性非常小，具有滴狀冷凝特性，比膜狀冷凝更有利，加之可以采用較高流速，鈦換熱器的總傳熱系數(shù)與銅換熱器相近。因此，濱海電廠與石化企業(yè)的凝汽器與冷卻器多用鈦管代替銅合金。
1.4 提高產(chǎn)品質(zhì)量
化工設(shè)備選用鈦材，由于耐蝕性優(yōu)異，大大減少了金屬離子污染，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。如乙醛氧化制乙酸裝置，關(guān)鍵的塔、再沸器、冷卻器等改用鈦材制造(原用不銹鋼)， 所產(chǎn)乙酸的一級(jí)品率達(dá)100％ 。在真空制鹽生產(chǎn)中，設(shè)備原使用鋼材，會(huì)產(chǎn)生不溶性氧化鐵，使用銅材則產(chǎn)生銅綠微粒，生產(chǎn)的鹽多為三級(jí)品，而改用鈦材后，由于不產(chǎn)生雜質(zhì)，徹底結(jié)束了不產(chǎn)一級(jí)鹽的歷史。又如防老劑丁冷卻器，用碳鋼制造，腐蝕嚴(yán)重，污染產(chǎn)品，改用鈦材后，產(chǎn)品達(dá)到省優(yōu)。制藥行業(yè)設(shè)備接觸鹽酸，乙酸，硫酸及其鹽類等介質(zhì)，受到嚴(yán)重腐蝕而產(chǎn)生污染，改用鈦材后，一級(jí)品率由原來(lái)的75％ 提高到100％ 。在氯堿生產(chǎn)中，過(guò)去電解用石墨陽(yáng)極，由于石墨粉污染，影響了燒堿質(zhì)量，改用鈦陽(yáng)極后，燒堿質(zhì)量大大
提高。
1.5 減少設(shè)備檢修費(fèi)用
化工企業(yè)由于酸、堿、鹽等介質(zhì)的作用，設(shè)備采用碳鋼、不銹鋼、銅合金與石墨等傳統(tǒng)材料制造會(huì)受到強(qiáng)烈腐蝕，停車、檢修十分頻繁。改用鈦材，由于耐蝕性大大提高，解決了防不勝防的計(jì)劃外停車威脅，檢修費(fèi)用減少，大大節(jié)省了勞動(dòng)力。例如，乙烯裝置海水冷卻器，原采用鉛黃銅管，雖采取了犧牲陽(yáng)極等保護(hù)措施，仍屢屢腐蝕穿孔，脹口泄漏，經(jīng)
常停車，造成計(jì)劃外檢修，平均每年整臺(tái)更換銅冷卻器3～5臺(tái)次；改用鈦材，成為半**性設(shè)備，節(jié)約了檢修費(fèi)用。濕氯冷卻器采用石墨，幾個(gè)月就發(fā)生腐蝕事故，檢修頻繁；改用鈦材，運(yùn)行穩(wěn)定，維修工作量大大減少。環(huán)氧乙烷裝置中較多管道與配件原設(shè)計(jì)采用鋼襯聚四氟乙烯， 由于襯貼工藝不過(guò)關(guān)，經(jīng)常發(fā)生開(kāi)裂損壞事故，需要檢修；被迫改用鈦
管，徹底解決了問(wèn)題。PTA裝置中，雖然關(guān)鍵設(shè)備采用鈦材沒(méi)有腐蝕問(wèn)題，但一些輔助性管路，如接觸四溴乙烷、 乙酸的廢氣管道經(jīng)常發(fā)生腐蝕穿孔，頻繁堵漏檢修；改用鈦材后，滿足了生產(chǎn)需要，不再檢修。
1.6 改善生產(chǎn)環(huán)境
如上所述，在氯堿、制鹽、乙酸、制藥、農(nóng)藥等工業(yè)中，由于傳統(tǒng)材料制造的設(shè)備耐蝕性差，經(jīng)常發(fā)生跑冒滴漏、烏煙瘴氣；改用鈦材后，生產(chǎn)環(huán)境便煥然一新。
1.7 減少物料損耗，增加產(chǎn)量
如上所述，許多裝置的一些關(guān)鍵設(shè)備、管道與配件改用鈦材后，成為半**或**設(shè)備，能夠連續(xù)生產(chǎn)，避免了原設(shè)計(jì)使用石墨、碳鋼、不銹鋼等傳統(tǒng)材料因經(jīng)常腐蝕，開(kāi)裂與損壞造成事故停車，物料排空造成的無(wú)謂損耗，以及停車減產(chǎn)，從而增加了產(chǎn)品產(chǎn)量。
1.8 實(shí)現(xiàn)新工藝，強(qiáng)化生產(chǎn)
鈦及鈦合金由于其優(yōu)良的綜合性能，在現(xiàn)代化工設(shè)備制造中成為不銹鋼與鎳基合金等的更新?lián)Q代材料。可以這樣說(shuō)，如果沒(méi)有鈦材的出現(xiàn)，目前很多的化工產(chǎn)品就無(wú)法實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。例如阿莫柯法生產(chǎn)PTA，是以對(duì)二甲苯為原料，乙酸為溶劑，乙酸鹽為催化劑，溴化物為促進(jìn)劑，在185～200℃ ，1．1 MPa條件下進(jìn)行氧化反應(yīng)， 由于溴化物有相當(dāng)
強(qiáng)的腐蝕性，目前幾乎所有的不銹鋼都會(huì)很快被侵蝕。能勝任這樣苛刻環(huán)境的*佳實(shí)用材料唯有鈦材。用復(fù)合鈦極與鈦管、鈦極制造的氧化反應(yīng)器、多臺(tái)冷凝器、再沸器、容器，已在國(guó)內(nèi)較多的石化企業(yè)投入安全穩(wěn)定運(yùn)行。又如尿素生產(chǎn)，以CO 和液氨為原料，在合成塔一定的溫度和壓力下生成氨基甲酸銨，再轉(zhuǎn)化為尿素，通常采用尿素級(jí)316 L不銹鋼
作為合成塔襯里，適用于全循環(huán)法，其合成溫度為185℃ ，壓力為15 MPa，CO：轉(zhuǎn)化率為60％ ，如繼續(xù)增加合成溫度，轉(zhuǎn)化率可進(jìn)一步提高，但316L腐蝕率也會(huì)急劇增加，反應(yīng)溫度因而受到限制。目前較多大氮肥廠尿素合成塔采用鈦襯里，可采用改良C法生產(chǎn)，反應(yīng)溫度達(dá)200℃ ，壓力達(dá)25 MPa，CO 轉(zhuǎn)化率達(dá)72％ ，尿素產(chǎn)量從而大大提高。煉油廠低溫輕油部位的H S—HC1一H：0系統(tǒng)環(huán)境，由于近年進(jìn)口高硫原油，腐蝕日趨嚴(yán)重。尤其是常減壓塔頂及其冷凝系統(tǒng)的鋼制冷卻器腐蝕更甚，需消耗大量鋼材，雖采取“一脫三注”措施，仍不能徹底解決問(wèn)題。采用奧氏體不銹鋼會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕；采用銅鎳合金會(huì)產(chǎn)生硫化；如采用鈦制冷卻器，就能消除各類腐蝕，不易結(jié)垢，提高導(dǎo)熱率，強(qiáng)化生產(chǎn)。
2、選材經(jīng)濟(jì)分析計(jì)算
據(jù)統(tǒng)計(jì)，材料費(fèi)用在現(xiàn)代化工裝置投資中所占比例高達(dá)50％ 。使用鈦材，這一比例會(huì)更高。由于投資多由企業(yè)向銀行貸款，因此工程選材不僅是耐腐蝕等性能的競(jìng)爭(zhēng)，而且是投資多寡比較，或按預(yù)測(cè)壽命計(jì)算的年均費(fèi)用的競(jìng)爭(zhēng)。一般希望工程投資*少而獲得的經(jīng)濟(jì)效益*多，回收年限*短。選材方案一般根據(jù)材料單價(jià)、加工費(fèi)用和設(shè)備使用年限及材料預(yù)測(cè)壽命確定。
根據(jù)美國(guó)腐蝕工程師協(xié)會(huì)(NACE)推薦的腐蝕控制經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)(RP一02—72)，可對(duì)不同選材作經(jīng)濟(jì)分析與可行性評(píng)估。
例：海水冷卻器鋼制為4 t重，鈦制約2 t重。選用雙相不銹鋼費(fèi)用按8萬(wàn)元／t計(jì)，使用年限15年；選用TA2費(fèi)用按18萬(wàn)元／t計(jì)，使用年限30年；年利率取10％ (為計(jì)算方便，設(shè)兩者的管壁等厚，即不考慮鈦管壁厚減薄)。代人上式，分別得不銹鋼制海水冷卻器年度費(fèi)用(Ass)和鈦制海水冷卻器年度費(fèi)用(A )如下：
Ass>A 說(shuō)明選用鈦材合算。但按等效年度費(fèi)用計(jì)算，未考慮到由于采用鈦設(shè)備而獲得的綜合經(jīng)濟(jì)效益。為此，列出了鈦設(shè)備取代傳統(tǒng)設(shè)備后一年的經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)系式如下：
式中：
E— — 鈦設(shè)備取代傳統(tǒng)設(shè)備后一年的經(jīng)濟(jì)效益；
el— — 鈦設(shè)備每年的投資費(fèi)(一次投資費(fèi)／使用壽命)；
e2— — 被取代的傳統(tǒng)設(shè)備每年投資費(fèi)(一次投資費(fèi)／使用壽命)；
e3—— 每年減少檢修與更換費(fèi)用(避免停車省下的檢修，防腐、堵漏及更新設(shè)備的拆裝費(fèi))；
ea— — 每年減少原材料消耗費(fèi)用(避免停車省下的物料排空費(fèi))；
e5— — 每年產(chǎn)品增產(chǎn)價(jià)值(避免停車減產(chǎn))；
e6— — 每年產(chǎn)品質(zhì)量提高價(jià)值；
e7—— 采用新工藝或強(qiáng)化生產(chǎn)一年的經(jīng)濟(jì)價(jià)值；
e8— — 每年節(jié)能費(fèi)用(總傳熱系數(shù)提高產(chǎn)生的效益)；
e9— — 每年節(jié)約環(huán)保費(fèi)用(減少設(shè)施與排污費(fèi))。
3、化工鈦設(shè)備選用經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)總結(jié)
綜上所述，隨著現(xiàn)代化工的發(fā)展，選用鈦設(shè)備將會(huì)越來(lái)越多；而隨著鈦材冶煉及加工技術(shù)的發(fā)展，鈦設(shè)備的價(jià)格也會(huì)相應(yīng)降低。目前雖然鈦設(shè)備一次性投資較高(包括材料單價(jià)、設(shè)備制造加工及運(yùn)輸安裝)，但從技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，尤其是從使用壽命長(zhǎng)、減少年投資費(fèi)用，以及提高換熱效率、提高產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)量、提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力等來(lái)看，是相當(dāng)合算的，應(yīng)當(dāng)引起企業(yè)決策者的重視?，F(xiàn)將選用鈦設(shè)備的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)歸納 總?cè)鐖D1。
部分內(nèi)容來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)，僅用于學(xué)習(xí)分享，如發(fā)現(xiàn)有侵權(quán)，請(qǐng)及時(shí)聯(lián)系刪除，謝謝。
