鈦合金材料在艦船油氣開發(fā)海港建筑等領(lǐng)域的應(yīng)用前景與展望

1、引言

眾所周知，海水中含有大約3.5%的含鹽量，且含有各種海生物、懸浮物和腐蝕性物質(zhì)。海洋工程用材料，除要求耐海洋腐蝕環(huán)境外，還要求高性能、高功能、安全可靠性、實(shí)用性等。被譽(yù)為“海洋金屬”的鈦是一種物理性能優(yōu)良、化學(xué)性能穩(wěn)定、耐蝕性優(yōu)異的材料，鈦的比強(qiáng)度高，耐海水腐蝕和海洋氣氛腐蝕，又有良好的抗腐蝕疲勞性能，可以很好地滿足人們在海洋工程方面

應(yīng)用的要求，是其他材料不可替代的海洋工程材料，目前，海洋工程用鈦已成為鈦民用應(yīng)用的主要領(lǐng)域之一。

本文對鈦在海洋工程，包括海水淡化、艦船、海洋油氣開發(fā)、沿海發(fā)電站、海港建筑和設(shè)施等領(lǐng)域應(yīng)用的現(xiàn)狀和最新進(jìn)展進(jìn)行了綜述，并對未來發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

2、應(yīng)用現(xiàn)狀及最新進(jìn)展

2.1 海水淡化裝置

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，水資源缺乏成為困擾全世界的問題。世界上的陸地河流、地下水資源已遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了工業(yè)發(fā)展的需要，因此，海水化將是人類解決淡水資源的有效的方法，國外一些缺水國家和地區(qū)，已利用海水淡化技術(shù)解決了缺水的困難，我國是一個水資源不足的國家，興建海水淡化和海水利用項(xiàng)目勢在必行，從國內(nèi)外海水淡化的發(fā)展來看，主要由兩種方法：蒸餾法和反滲透法。前者是將海水加熱使其汽化，然后將蒸汽冷凝而獲得淡水。后者是將海水加壓，使其中的淡水透過一種特殊的膜而將鹽分截留獲得淡水，鈦在海水淡化裝置中的主要應(yīng)用包括加熱器導(dǎo)熱管、冷凝器、蒸餾器、換熱器、蒸發(fā)器，泵，閥和管線等。

早期的海水淡化裝置管使用鋁合金、銅鎳合金、碳素鋼等材料，因這些材料在海水中的耐蝕性差，生產(chǎn)效率低，很快被耐海水腐蝕性能優(yōu)異且免于維護(hù)的鈦所代替。如國外一家公司海水淡化裝置的加熱器導(dǎo)熱管，最先采用銅合金制造，后因腐蝕故障，最后將全部導(dǎo)熱管換成了鈦管。雖然鈦管的單位質(zhì)量價格比制合金貴，但從性價比上考慮，鈦管價格可與銅合金管抗衡。由于鈦的密度低，壁厚相同時，同等長度的鈦管質(zhì)量只是鋼合金管的50%，當(dāng)鈦管壁厚為銅合金管的50%時，相同傳熱面積的鈦管質(zhì)量僅為銅合金管的1/4。

日本研究開發(fā)了連續(xù)生產(chǎn)熱軋和冷軋鈦帶卷的技術(shù)，建立了海水淡化和電結(jié)冷凝器鈦薄壁焊管用的帶卷的批量生產(chǎn)體系，相應(yīng)開發(fā)了薄壁焊管的生產(chǎn)技術(shù)，三菱、川崎、日立以及神戶制鋼等公司生產(chǎn)的海水淡化裝置，使用了厚0.5mm-0.7mm的鈦焊管。

美國和日本在海水淡化裝置用鈦方面處于領(lǐng)先地位。日本國內(nèi)海水淡化和電站用鈦占鈦材總用量的20%左右，日本公司為沙特建造日產(chǎn)淡水3萬噸的蒸餾法裝置10臺，用鈦管3200噸，平均日產(chǎn)1萬噸的裝置，需用鈦107噸。日產(chǎn)百的海水淡化裝置用鈦管達(dá)6萬根。據(jù)預(yù)測，未來30年，全世界對淡化海水的需求將以年均9%的速度增長。

我國的天津、山東等地均建有或在建海水淡化裝置。隨著鈦材成本的降低和生產(chǎn)工藝的進(jìn)步，預(yù)計我國海水淡化用鈦量會逐步增加。

2.2 艦船

鈦合金用于艦船工業(yè)始于上世紀(jì)60年代，比鈦在航空工業(yè)的應(yīng)用大約晚了十年。規(guī)船及其某些設(shè)備部件如船體、熱交換器、泵、閥、管線等長期漫抱在海水中，極易受到海水腐蝕.鈦材可以解決由于腐蝕/沖蝕引起的海底管道泄露和海洋生物引起的規(guī)船故障等問題，它不但具有優(yōu)異的耐海水腐蝕性能，而且可以減輕規(guī)船重量，減少維修費(fèi)用，延長使用壽命，鈦及其合金在靚船工業(yè)的應(yīng)用十分廣泛，如船體結(jié)構(gòu)件、深海調(diào)查船及潛艇耐壓殼體、管道、閥、船舵、軸托架，配件、動力驅(qū)動裝置中的推進(jìn)器和推進(jìn)器軸、熱交換器、冷卻器、船殼聲吶導(dǎo)流罩等等。

船體結(jié)構(gòu)用鈦不但可以減輕船體自身重量，增加有效載入重量，而且可以減少維護(hù)，延長船舶的使用壽命。鋁合金、軟鋼等船體結(jié)構(gòu)材，一般10年就要維護(hù)，而鈦材幾乎不需要維護(hù)修理，壽命也可從一般的20年左右延長到30~40年。

我國由TA5、TC4、TA7合金鑄件生產(chǎn)的艇用雷達(dá)機(jī)座、搖擺框架、托架、齒輪箱和緊固件等裝艦后使用情況良好，提高了設(shè)備的作戰(zhàn)和海上適應(yīng)能力。由Ti-31合金生產(chǎn)的換熱器、閥門、泵、法蘭等在規(guī)船制造中已獲得大量應(yīng)用。用鈦材制造規(guī)船的管路和配件，不但可以減少管道的直徑和壁厚，而且可以減輕重量。船舶的螺旋槳、軸、桅桿等部件不但受到海水的腐蝕，而且還受到?jīng)_刷、高載荷、腐蝕疲勞等，鈦優(yōu)異的綜合性能特別適合這方面的應(yīng)用。

我國艦船工業(yè)經(jīng)長期應(yīng)用研究，已形成船用鈦合金材料技術(shù)體系，近年來，我國對艦船領(lǐng)域的投資開始增加，一些新項(xiàng)目如新型驅(qū)逐艦、潛艇等用鈦量很大，這將為鈦在規(guī)船領(lǐng)域應(yīng)用帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

2.3 海洋油氣開發(fā)

從比重、強(qiáng)度和抗腐蝕能力等綜合考慮，選用鈦及其合金是海洋油氣開發(fā)唯一明智的選擇。海洋油氣開采設(shè)備主要包括采油平臺和附屬設(shè)備，附屬設(shè)備有原油冷卻器、升油管、泵、閥、接頭和夾具等，這些設(shè)備均與海水及原油中的硫化物、氨、氯等介質(zhì)接觸，由于鈦在這些介質(zhì)中具有優(yōu)異的耐蝕性，所以美國在上世紀(jì)70年代初就在其油氣開采中使用了鈦制造的近海石油平臺支柱，同時用鈦制造了列管式換熱器和板式換熱器。鈦列管式換熱器利用海水作為冷卻介質(zhì)，把從油井里抽出的高溫汽/油混合物冷卻。鈦板式換熱器也是利用海水作為冷卻介質(zhì)，把碳鋼換熱器內(nèi)冷卻原油的淡水冷卻，美國在北海油田鉆井平臺上大約使用了100個鈦熱交換器。

海水管道系統(tǒng)是海底石油開采不可缺少的部分，由于鈦對海水具有很高的耐蝕性，其使用壽命為鋼系的10倍，因此，鈦管系的成本與Cu-Ni系統(tǒng)相比是合算的，海上石油開采平臺生物污染引起的結(jié)構(gòu)件腐蝕是相當(dāng)嚴(yán)重的，美國一家公司在開采平臺上使用了鈦管制成的長套管，對平臺上的部位進(jìn)行保護(hù)。

美國大陸石油公司的Heidrun TLP工程中， 采用了鈦鉆井立管， 這種立管的直徑約為508mm， 整個長度為12192mm， 其材質(zhì)是Ti-6Al-4VELI鈦合金。

英格蘭的Bunt ng鈦公司加工了鈦輸送管道， 用鈦輸送管道取代帶有檢皮襯里的碳鋼輸送管道，其重量減輕80%，從而降低了支承構(gòu)件的重量，也提高了耐蝕能力，海上油氣開采要長期承受海水腐蝕和應(yīng)力腐蝕。國外廣泛采用Ti-6Al-4V合金作為石油平臺支柱、繩索支架、海水循環(huán)加壓系統(tǒng)的高壓泵、提升管及聯(lián)結(jié)器等。因?yàn)門-6A1-4V合金不僅耐海水腐

蝕，而且具有高韌性、高屈服強(qiáng)度和高疲勞極限，隨著海洋油氣開采工業(yè)的不斷發(fā)展，油氣開采逐步從近海、淺海發(fā)展到遠(yuǎn)海、深海，鈦合金部件可以在高、高壓和腐蝕嚴(yán)重(即鹽和硫化氫等腐蝕介質(zhì))的環(huán)境下使用，因而，鈦及其合金在海洋油氣開發(fā)中的應(yīng)用明顯增加。

2.4 沿海發(fā)電站

海水的綜合利用是海洋工程中的重要項(xiàng)目之一。沿海發(fā)電站一般采用海水作為冷卻水，海水中的氯離子濃度比較高，且海水中存在大量的海洋生物、懸浮物質(zhì)、泥砂和各種腐蝕性物質(zhì)，在海水與河水交替變化的嵌鹽水中的情況更為嚴(yán)重。國外曾出現(xiàn)過由干腐蝕泄露而引起的爆炸事故，傳統(tǒng)的凝汽器是用鋼合金管，這種鋼合金管在海水中因各種腐蝕，經(jīng)常遭到嚴(yán)重破壞，鈦在海水，特別是污染海水中具有良好的耐蝕性，耐海水的高速沖刷腐蝕性能尤為突出。沿海發(fā)電站疑汽器是利用海水量較大的設(shè)備，用鈦材后凝汽器的使用壽命延長，換熱效率提高，安全性提高。

英國早在上世紀(jì)60年代就已使用了全鈦凝汽器，隨后日本也制造了薄壁(0.3~0.5mm)焊接鈦管的凝汽器，使得成本大幅降低，由于發(fā)電站對于安全運(yùn)行可靠性要求特別高，所以尤其重鈦凝汽器的使用，大部分采用薄壁焊接鈦管和無縫鈦管，我國先后在浙江臺州電廠、上海金山熱電廠、浙江鎮(zhèn)海電廠等發(fā)電廠使用了全鈦斑汽器，使用效果十分理想，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

站冷凝器，使用了厚0.5mm的鈦焊管，實(shí)踐證明，鈦在沿海發(fā)電站凝汽器中的使用壽命和可靠性是其美國、英國、法國、日本的沿海發(fā)電站大部分使用了鈦凝汽器。日本三菱和東芝公司生產(chǎn)的電它材料無法相比的，尤其是在含鹽份高及含有硫化物的污染海水中。迄今為止，還沒有出現(xiàn)故障的報道。可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備安全運(yùn)行，不需要檢修，大大減輕了勞動強(qiáng)度。

中國最大鈦材生產(chǎn)企業(yè)寶雞鈦業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的冷軋無縫薄壁管制作的海濱電站用冷凝器，比銅合金冷凝器的壽命提高了4~6倍，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，至今已有超過30多個電廠的大約百臺機(jī)組采用了全鈦冷凝器和鈦管冷凝器。

2.5 海港建筑和海洋設(shè)施

海港是海洋的大門。海港建筑和海洋設(shè)施是海洋工程的重要部分，鈦材表面有一層致密的氧化膜，它在腐蝕環(huán)境中非常穩(wěn)定，對空氣、海水及海洋環(huán)境具有優(yōu)異的耐蝕性，是目前最能適應(yīng)各種海洋環(huán)境的材料，為了降低海港建筑和海洋設(shè)施的成本，一般情況下采用鈦薄板和有機(jī)系防腐蝕材料制成復(fù)合包覆材料或用鈦鋼復(fù)合板包覆焊接到建筑物上。

日本是一個太平洋島國，其建筑多在海洋大氣環(huán)境中。日本大力進(jìn)行海洋開發(fā)，如本洲到四國的大橋、東京灣橫跨道路、關(guān)西機(jī)場、浮式儲油基地等。日本建設(shè)省和鋼鐵俱樂部在大井川洋面進(jìn)行的暴露試驗(yàn)以及運(yùn)輸省在波崎漂沙棧橋上的各種防腐暴露試驗(yàn)等的調(diào)查報告也都顯示了鈦是最合適的材料，鈦除了具有優(yōu)異的防腐性能外，還具有海水環(huán)境下溶出離子極少，無毒性，不必?fù)?dān)心污柒環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。

日本東京有明國際展覽館和日本島櫻縣美術(shù)館均使用了大量鈦材，日本還建造了一個超大型浮式海洋建筑物，在海水沖刷處使用了鈦鋼復(fù)合材：在東京灣橫跨公路的建設(shè)中使用了鈦材做橋墩的防美軀干，每個橋墩的用鈦量為0.9t，從長期來看，海港建筑和海洋設(shè)施用基本不需要維修保養(yǎng)，節(jié)省了大量的人力、物力費(fèi)用，此外，鈦還具有漂亮的金屬質(zhì)感，給人以美的享受。

3、前景展望

展望未來，海洋工程作為新興的鈦的民用市場，最近幾年發(fā)展很快，在世界資源緊缺的情況下，世界許多國家都在開發(fā)海洋，利用海洋。鈦優(yōu)異的性能可以很好地滿足人們在海洋工程方面應(yīng)用的要求，因而應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。預(yù)計海洋工程用鈦有望成為鈦材的一個較大的應(yīng)用市場。

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