工業上生產的設備一般分為標準設備(即專業機器制造廠成批制造的設備)和非標準設備(即根據需要設計專門制造的設備)。
重要的鈦設備,設計和加工要求高,如壓力容器、罐、箱和熱交換器等。
一.容器
隨著鈦在壓力容器、罐、和箱等方面的應用的增加,在考慮材料技術特性及經濟效益的基礎上,選材有三種基本方法:全鈦結構、襯套或襯里用鈦及采用鈦復合材料(板)。
選用何種材料取決于設計要求、設備的使用狀態、所需的材料厚度和相應的加工制造方法以及費用。概括的說,關于壓力容器制造,隨著操作條件的變化,壓力、溫度等參數的增加而依次采用全鈦、襯套和復合材料結構。爆炸復合板比全鈦結構便宜,這一點增加了設計者和制造者對復合板的興趣。鈦板的成本幾乎是與其厚度成正比,也就是正比于材料的使用數量。但是爆炸復合板的成本與爆炸連接技術有關,而與板材厚度關系不大。將鈦貼面厚度為2mm的爆炸復合板和全鈦板在每平方米價格上做一比較就可以發現,當厚度為20mm時兩者價格是一樣的。因此,當厚度小于20mm時,全鈦板較便宜。當然,還必須考慮到其他幾個因素。復合板的所有焊合及內部附件的連接處具有更大的復雜性,因此,實際上的盈虧平衡點對于簡單容器來說,厚度要超過20mm,而對復雜容器則更厚才合算。但是超過一定厚度后,由于鈦的活性大,使焊接存在著困難,而厚鋼板的焊接問題早已解決。
近些年來,襯里容器的設計與制造已有了很大的發展。由于發展初期,鈦的成本較高,以碳鋼容器內只能襯以盡可能薄的鈦。這樣,內襯的鈦可以抗介質腐蝕,而鋼的外殼承受需要的壓力。這種薄襯里結構已經被證明,在工作溫度稍高于室溫及不涉及真空的較低壓力下使用是令人滿意的。
對于壓力高達200X100000pa和溫度高達200攝氏度的大直徑反應容器,薄層技術就不適用了,而要選取其他的結構。
一種常被人們選擇的方法是,襯里容器用鈦作內容器,其材料厚度為5mm,以使它能支撐自重,并能在兩側完全焊接以確保具有較高的焊接完整性。這一容器經過充分實驗和檢查后,以兩半形式制作碳鋼或低合金鋼外殼,并按鈦容器的外徑加工鋼殼內表面,以獲得配合界面。這兩半鋼殼裝配到鈦容器上,然后沿鋼容器的縱縫進行焊接,再焊上容器的端面,最后合成的是一個在鋼外殼里有一個預應力鈦殼的容器。用這樣的技術已加工制造出直徑4mm和長12m的反應器,其操作壓力和溫度分別為30X100000pa和180攝氏度。
在苛刻條件下使用的容器可用鈦復合板制造,這種材料是用爆炸連接技術產生的,金屬之間的剪切強度為20-275mpa。鈦復合板的對接焊是撕去復合板背后復合層,進行正常的鋼板焊接,然后用鈦板搭接。但是在搭接之前必須把搭板載復合板上搞平。顯然不能把鈦疊在鋼板上焊接,因為這兩種材料是不相容的。但是可以把鈦焊到銀上,因為銀和鈦及鐵都是相容的。
二.熱交換器
鈦熱交換器的制造技術經歷了與鈦壓力容器一樣的發展過程。開始,低壓低溫條件下的交換器用1mm厚襯里封頭和1.6mm貼面的碳鋼板制造的。現在大型交換器則用厚達100mm的整體管板和同樣厚的整體封頭制成,并已發展到用復合板制作大型管板的階段,但只有在管內有腐蝕介質時才使用復合板和襯鈦管板。
鈦管本身就是一個薄而耐用的材料,即使在惡劣和臨界使用條件下也是如此。高壓場合最常用的鈦管厚壁為0.91mm和1.2mm。必須考慮到由于振動和其他一些估計不到的使用情況會使薄壁管遭到破壞。但這種情況在實際使用中是極為罕見的,而且只限于發生在供氣速度過高的熱交換器中。人們一直是用重新設計隔板間距來克服這一困難。
管和管板連接一般是用輥漲和蜜蜂焊接,以得到完全密封和防止管和管板之間的縫隙。但是有時鈦管同銅管板連接,此時就只能用輥漲法連接。
一般使用三輥漲機進行輥漲,通常在高于90mm的管板厚度上,管壁厚度的減小為5%。機械輥漲的結果是水壓密封,用開槽的管板孔提高了一些拉脫強度,但是不影響水壓密封性。
由于鈦的使用常常是與強腐蝕介質相聯系的,所以一般都采用機械輥漲加密封焊接。對于管與管板的焊接,不管是全鈦還是復合板,很多設計者基于焊透性的改進而支持采用階梯焊接。但有些人卻認為是不必要的,因為這樣會給在必須補焊時造成更大的困難。
在某些應用中,特別是介質為海水時,有可能使用用鈦管裝入不同金屬管板并輥漲所制成的熱交換器。但很明顯只有在管板材料與鈦是相容的條件下才能這樣做。
要給出一個合適的鈦表面熱傳導系數是不現實的,因為它在很大程度上取決于設計和工藝參數。對于用冷水作為冷卻劑的熱交換器,可用值為425-550W/(平方米,攝氏度)對于用蒸汽或熱水加熱靜止液體的熱交換器,可用值為800-1450W/(平方米,攝氏度)。
對于用海水冷卻的凝汽器,當其管壁厚度為0.5-1mm、流速低于3.9m/s時,實測數據為5400-6800W/(平方米,攝氏度)