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干貨 | 海洋新材料之海洋金屬鈦合金

2017-11-23 10:29:02 作者：本網(wǎng)發(fā)布來源：《腐蝕防護(hù)之友》分享至：

21 世紀(jì)被稱為海洋的世紀(jì)。海洋空間與資源不僅已成為世界軍事和經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的重要領(lǐng)域，而且將成為人類賴以生存、社會(huì)借以發(fā)展、瀕海國家持續(xù)安泰昌盛的戰(zhàn)略空間和基地。鑒此，各瀕海國家，特別是海軍強(qiáng)國，均在以海權(quán)建設(shè)為核心，為增強(qiáng)控制海洋、維護(hù)海洋權(quán)益和疆土完整的綜合制海能力與開發(fā)利用海洋空間的能力而大力發(fā)展海軍裝備、海洋安全保障裝備和海洋工程裝備。

海洋工程用材料，要求必須具有高強(qiáng)度、耐海水熱液腐蝕、抗硫化腐蝕、抗微生物附著、高韌性等特點(diǎn)。而鈦金屬質(zhì)輕、高強(qiáng)、耐蝕，特別對(duì)鹽水或海水和海洋大氣環(huán)境的侵蝕有免疫能力，是優(yōu)質(zhì)輕型結(jié)構(gòu)材料，被稱為“海洋金屬”，是重要的戰(zhàn)略金屬材料。鈦金屬在海洋工程中具有廣泛的用途，特別適于做輕型海工裝備，是海洋工程領(lǐng)域的新型關(guān)鍵材料之一，因此，充分利用海洋材料——鈦及鈦合金，將有助于國家海洋戰(zhàn)略的發(fā)展。鈦合金在海洋方面的應(yīng)用如下：

1 船艦上的應(yīng)用

鈦合金用于艦船工業(yè)始于 60 年代，比鈦在航空工業(yè)的應(yīng)用大約晚 10 年。美國、俄羅斯、日本及中國是最早從事鈦在艦船領(lǐng)域應(yīng)用研究的國家。

A、船體結(jié)構(gòu)材料

用鈦制造的船體與以前用的纖維增強(qiáng)塑料、鋁合金、鋼等材料相比船體輕，可增加有效載入重量，使用壽命長(zhǎng)，幾乎不需要維修，且易于清除表面附著的海洋生物。如日本鋼鐵公司、Toho 技術(shù)公司和 Eto 造船公司建造的鈦漁船，其船殼、甲板和結(jié)構(gòu)件均用鈦制造。日本日生工業(yè)公司制造的“泰坦快速號(hào)”快艇船長(zhǎng)約 12 m，船體形狀是漂亮的三次元曲線，可最大程度減少航行阻力。

B、艦船泵、閥、管道及其他配件

艦艇上的泵、閥及管道，由于工作條件非常惡劣，使用銅、不銹鋼制造管路只有 2 ～ 5 年壽命。鈦具有優(yōu)良的抗腐蝕和剝蝕破壞能力、良好的屈服強(qiáng)度和較低的密度，因此，可以用它來制作薄壁、小直徑管路、閥及其他配件等。用鈦材制造艦船的管路和配件，不但可以減輕重量，而且還可顯著延長(zhǎng)系統(tǒng)壽命并提高使用可靠性。如鈦冷凝管與B30 冷凝管相比密度降低近 1/2。軍艦使用鈦合金管道和設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)表明，鈦合金材料無論是在機(jī)械強(qiáng)度方面，還是在耐海水腐蝕方面都有很高的可靠性。鈦合金管道、閥門、泵及其他配件等產(chǎn)品的腐蝕壽命不小于 1.2×105 h，服役期限不少于 40 年。鈦合金制各種泵、閥、管的使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于銅或不銹鋼制品。

C、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置

用鈦合金制作艦船的螺旋槳和槳軸可以提高推進(jìn)速度，延長(zhǎng)使用壽命。美國已經(jīng)在多種艦船上使用了鈦合金螺旋槳。如美國的水翼艇上就使用了直徑為 1500 mm、四葉可拆式超空泡鈦合金螺旋槳。鈦合金也是艦船噴水推進(jìn)裝置的優(yōu)異材料。日本的魚雷艇“PT-10”號(hào)就是采用 Ti-6Al-4V 合金噴水推進(jìn)裝置，在保證轉(zhuǎn)速不變情況下，軸徑由 95 mm 減少至 75 mm，重量減輕了 600 kg。俄羅斯制造的原子動(dòng)力破冰船的動(dòng)力裝置也使用了鈦制蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)。使用鈦合金可使其發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命延長(zhǎng)數(shù) 10 倍以上。此外，在艦船發(fā)動(dòng)機(jī)部件如發(fā)動(dòng)機(jī)盤和轉(zhuǎn)子葉片上也使用了大量鈦合金材料。使用鈦合金動(dòng)力推進(jìn)裝置，還可以克服采用銅合金所造成的航行時(shí)切割地球磁力線而產(chǎn)生較大的感應(yīng)電流和不利于掃除磁性水雷的缺陷。

我國在 60 年代就進(jìn)行了螺旋槳的研究，于 1972 年研制成水翼快艇螺旋槳，至今已生產(chǎn)直徑為 450 ～ 1100 mm各類鈦合金螺旋槳，最大可生產(chǎn)直徑為1200 mm，質(zhì)量達(dá) 130 kg 的固定鈦合金螺旋槳。我國研制的 25 型魚雷快艇選用鈦合金代替了原來的 AK-27 鋼和銅合金，重量減輕了 30% ～ 40%，壽命提高了數(shù)倍，無需表面涂層，海洋生物容易清洗，且維修保養(yǎng)方便。

D、熱交換器、冷凝器、冷卻器、蒸發(fā)器

熱交換器、冷凝器、冷卻器、蒸發(fā)器的管線系統(tǒng)、閥等均可采用鈦制造，用鈦制造的設(shè)備的無維修使用壽命可達(dá)100000 小時(shí)以上，且不會(huì)釋放有害物，對(duì)環(huán)境友好，而銅基合金由于腐蝕會(huì)對(duì)環(huán)境釋放有害的銅離子。2016 年 10 月份國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目《低成本高耐蝕鈦及鈦合金管材與高品質(zhì)鈦帶制造技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用》在昆明啟動(dòng)，項(xiàng)目由昆明鋼鐵控股有限公司下屬的云南鈦業(yè)股份有限公司牽頭承擔(dān)。該項(xiàng)目為滿足國家戰(zhàn)略需求，以海洋石油鉆井平臺(tái)、海水淡化、大型船艦工程等重大工程為應(yīng)用背景，針對(duì)我國在鈦及鈦合金管材的開發(fā)與應(yīng)用方面與國外存在的差距，以及急需突破的相關(guān)制造技術(shù)，通過研發(fā)實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。

E、聲學(xué)裝置

在海水中，無論是光波或無線電波，其衰減都遠(yuǎn)比聲波的衰減大。因此，在開發(fā)利用海洋的事業(yè)中，在艦船、魚雷搜索、探測(cè)水中目標(biāo)時(shí)，人們廣泛利用聲納。而在聲納設(shè)備中，又需要各種不同性能的聲學(xué)材料。其中，艦艇、魚雷的聲納導(dǎo)流罩以及高壓透聲容器的殼體采用水聲透聲結(jié)構(gòu)材料制作。

一般地，在船舶聲納換能器外面安裝流線型聲納導(dǎo)流罩的目的是減小艦船運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的水動(dòng)力噪音，保證水聲設(shè)備有效和正常工作，從而提高聲納的作用距離。聲納導(dǎo)流罩必須有良好的透聲性能，使水聲信號(hào)通過時(shí)只有很小的損耗和畸變。依據(jù)水下、水面運(yùn)用的需求不一樣，目前我國水兵在役艘艇聲納導(dǎo)流罩所選用的殼板透聲資料根本有兩種，一種是不銹鋼，一種是纖維增強(qiáng)的玻璃鋼。俄羅斯過去也選用玻璃鋼，但是后來大多采用鈦合金。鈦合金由于透聲性能好，國外許多大型戰(zhàn)斗艦艇如俄羅斯現(xiàn)代級(jí)，其聲納導(dǎo)流罩采用鈦合金制造，被運(yùn)用于俄羅斯“庫爾斯克號(hào)”、“鈦板明斯克”、“基輔”號(hào)航空母艦的聲納體系中。

2 深海潛水器

作為我國“863”計(jì)劃重大專項(xiàng)，由中國船舶重工集團(tuán)公司 702 研究所研制成功的7000米潛水器長(zhǎng)8米、高3.4米、寬 3 米，用特殊的鈦合金材料制成，在7000 米的深海能承受 710 噸的重壓，運(yùn)用了當(dāng)前世界上最先進(jìn)的高新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)載體性能和作業(yè)要求的一體化；鈦合金載人球殼是深潛器的最特殊和重要的部分，位于深潛器最前方可乘坐 3 人的鈦合金載人球殼能承載 700 個(gè)大氣壓的壓力，實(shí)現(xiàn)了與航天相同的生命支持系統(tǒng)。

3 凝汽器

據(jù)聯(lián)合國教科文組織出版物估計(jì)，全世界海洋能總量為 766 億 kW。海濱電站和核電站中凝汽器是重要大型設(shè)備，冷卻介質(zhì)是海水。傳統(tǒng)使用鋼及銅合金材料制造，但抗海水腐蝕性差，使用壽命短。在海水中，特別是污染海水的作用下，銅合金凝汽器容易發(fā)生點(diǎn)蝕、孔蝕、應(yīng)力腐蝕和疲勞腐蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致設(shè)備泄漏，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。國內(nèi)外實(shí)踐證明，電站的凝汽器采用鈦材是最合適的。全世界電站裝機(jī)總?cè)萘考s2×107 MW，火電站和水電站約 5000多座，采用鈦凝汽器約占 3% ～ 4%，核電站 380 多座，采用鈦凝汽器約占30%，歐、美、日本等國電站都普遍使用鈦凝汽器。我國臺(tái)州電廠、鎮(zhèn)海發(fā)電廠、秦山核電站、大亞灣核電站等均采用了全鈦凝汽器。濱海電站用鈦凝汽器具有較多的優(yōu)越性：可以就地利用海水作冷卻介質(zhì)；耐蝕性好，壽命長(zhǎng)；熱交換效率高、經(jīng)濟(jì)效益好；安全性能高、減少停電檢修時(shí)間、生產(chǎn)效率低等。

4 核潛艇

俄羅斯在建造鈦合金核潛艇技術(shù)上處于國際領(lǐng)先地位，也是用鈦合金最先建造耐壓殼體的國家。從 20 世紀(jì) 60 年代起，俄羅斯研制的核潛艇已有 4 代，世界第一艘 K162 號(hào)全鈦核潛艇于 1968年 12 月下水，已運(yùn)行了 30 多年，到過各大洋和海域，經(jīng)受了不同載荷和環(huán)境考核，從未出現(xiàn)過任何事故。俄羅斯于1970 年建造第一艘“ALFA”級(jí)核潛艇，70 ～ 80 年代又相繼造了 6 艘，每艘用鈦約 3000 t，最大下潛深度 914 m，即輕又快，機(jī)動(dòng)性能良好。鈦在船舶上使用的典型例子是俄羅斯臺(tái)風(fēng)級(jí)核潛艇，它擁有鈦金屬制造的外殼，因軍事需要，采用雙殼結(jié)構(gòu)，其雙層外殼共用鈦9000 t，使其具有了無磁性、下潛深、航速快、噪音小、維修次數(shù)少等優(yōu)點(diǎn)。

由美國西南研究院（SouthwestResearch?Institute（SWRI））制造的載人深海潛艇外殼是由 ELITi-64?制造的。這種新型潛艇球體的內(nèi)徑為 2.1 米，工作空間較大，可容納 3 人，在海水中的最大工作深度可達(dá) 6500 米。

5 深海空間站

深海移動(dòng)空間站將主要用于進(jìn)行海洋科學(xué)探索，被喻為海洋里的“天宮一號(hào)”。從上世紀(jì) 60 年代起，美國和前蘇聯(lián)都陸續(xù)完善了深海空間站體系。2000 年，俄羅斯公布了本國深海空間站的民用建設(shè)，其針對(duì)性很單一，主要針對(duì)北冰洋的石油開采。我國于上世紀(jì)90 年代提出深海空間站的概念，旨在和平開發(fā)和利用海洋資源。已經(jīng)建成的深海空間站試驗(yàn)艇和正在建設(shè)的小型深海移動(dòng)工作站都是我國自主研發(fā)的。深海空間站的建立都離不開鈦及鈦合金關(guān)鍵材料的支撐。在《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》中，再一次提出“科技創(chuàng)新2030 重大項(xiàng)目”深海空間站，并且明確立項(xiàng)。而空間站主要建造材料為鈦合金，初步測(cè)算一個(gè)主站建設(shè)將消耗 4000 多噸毛料。

6 海水淡化

海水淡化已成為中東等水資源缺乏地區(qū)獲取淡水的主要方式。在海水淡化生產(chǎn)方法中，可靠性最高、應(yīng)用最多的是多級(jí)閃蒸法，該方法的設(shè)備主要由海水加熱、熱回收部冷凝器、熱輸出部冷凝器、通風(fēng)凝結(jié)器和噴射壓氣機(jī)等部分構(gòu)成，熱交換部位使用了大量的傳熱管，原用銅合金管，由于銅合金不耐腐蝕，目前已被鈦管所代替。

海水淡化裝置中的蒸發(fā)器接觸高溫海水，蒸發(fā)后鹽度增加。鈦合金耐高溫離子腐蝕，可廣泛用于海水淡化裝置的蒸發(fā)器，同時(shí)，鈦對(duì)氯具有很強(qiáng)的抗腐蝕性，是海水淡化設(shè)備換熱器的首選材料。隨著沿海地區(qū)石油化工、電力等行業(yè)的迅速發(fā)展，用海水取代日益緊張的淡水作為工業(yè)冷卻介質(zhì)，可以節(jié)約大量的淡水資源，獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。但是由于海水腐蝕性強(qiáng)，當(dāng)管束采用普通碳鋼或不銹鋼時(shí)，海水作為冷卻介質(zhì)會(huì)對(duì)管束產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕，顯著降低熱交換器的使用壽命，不僅增加了設(shè)備的更換次數(shù)，也會(huì)由于設(shè)備失效引起裝置停工過于頻繁，從而使經(jīng)濟(jì)效益降低。一般情況下，為解決這一問題，需要對(duì)管子進(jìn)行材料升級(jí)，升級(jí)材料常用鈦管。

在鈦材料選擇方面，應(yīng)用最廣泛的是工業(yè)純鈦 ASTM?Grade2，事實(shí)表明 Grade1 和 Grade2 等工業(yè)純鈦在天然水、海水和各種氯化物中具有特殊的抗應(yīng)力腐蝕裂紋影響的能力；而溫度比較高的海水加熱器使用有較高抗腐蝕性的 Grade7 或者 Grade12；Grade16（Ti-0.5% Pd）具有更高的抗腐蝕能力，但是成本比較貴。另外，在海水流速為3 ～ 5m/s 的鈦制海水淡化設(shè)備中，生物污堵現(xiàn)象是最輕微的，鈦換熱器的污堵系數(shù)約為 0.95 ～ 0.99。

選用工業(yè)純鈦 TA1 無縫管做閃蒸器的冷凝管和鹽水加熱器的熱交換管，管板選用了 TA1+16 MnR+316 L 雙面鈦復(fù)合鋼板，這是因?yàn)殁佡|(zhì)輕、耐蝕、具有高強(qiáng)度，是良好的抗海水腐蝕材料，使用它的可靠性高；其次，使用鈦復(fù)合鋼板可以減少鈦的使用量，且能滿足使用要求，降低裝置造價(jià)。

我國西北有色金屬研究院、北京有色金屬研究總院等單位也先后開發(fā)出了一系列海洋工程用耐蝕鈦合金，如Ti75、Ti31 和 Ti631。

7 海上鉆井平臺(tái)

鈦合金具有高強(qiáng)度、低密度、優(yōu)良的耐蝕性和良好的韌性，因而使其成為海洋鉆探系統(tǒng)用設(shè)備如立管、鉆管及錐形應(yīng)力接頭等的最好選擇。在更多情況下，鈦和鋼的復(fù)合應(yīng)用對(duì)海上鉆探系統(tǒng)成本的降低和效益的提高具有很大的貢獻(xiàn)。

在過去幾年中，鈦合金構(gòu)件在海上石油鉆探系統(tǒng)上的應(yīng)用顯著增加。鈦合金使得鉆井設(shè)備可以進(jìn)入更深的水里和井里，包括溫度更高和更具腐蝕性的環(huán)境中。

以Ti-6Al-4V為基的鈦合金，具有物理、機(jī)械和腐蝕等最佳的綜合性能，對(duì)于海上鉆探構(gòu)件而言具有更大的吸引力。

Ti—6Al—4V 基合金在海上鉆探系統(tǒng)應(yīng)用的主要有以下幾種構(gòu)件：

（1）海上鉆井立管 鉆井立管使用鈦合金，除了減重外，還具有較好的損傷容限、易于用傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行檢查等優(yōu)點(diǎn)。首次在海上大量使用鈦合金鉆井立管的是北海油田。雖然鈦在立管上的使用取得很大成功，但全鈦立管的市場(chǎng)卻非常有限。由于經(jīng)濟(jì)原因，實(shí)際上多使用的將會(huì)是不銹鋼／鈦或復(fù)合材料／鈦的立管。

（2）鉆管 在短距離鉆井中（曲率半徑 18m 以內(nèi)），傳統(tǒng)的不銹鋼管過早地出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)疲勞和物理磨損，因而美國RTI 鈦金屬公司開發(fā)了由 Grade5 合金與標(biāo)準(zhǔn) Cr-Mo 鋼接頭連接而成的鉆管。這樣設(shè)計(jì)避免了工具卡死和磨損并保證了其韌性和疲勞壽命。1999 年，美國已用外徑為 73 mm 的鈦合金管成功地鉆成了10 口曲率半徑 18 m 的油井。近來，又用外徑為 63.5 mm 的鈦合金鉆管鉆成了曲率半徑為 12m ～ 15m 的油井。另外，鈦合金的無磁性也是吸引人之處，使得油井勘探不受磁性的影響。在長(zhǎng)距離鉆井中，采用鋼管，其鉆井深度在垂直方向只到 6.1km，水平方向?yàn)?7.1km-9.1km，而采用鈦管材后，其垂直方向可達(dá)9.1km。大直徑鈦管的使用，使得鉆具吊起所需的力減少了約 30％，扭矩減少了 30％～ 40％，并克服了液壓傳動(dòng)裝置的限制。

（3）鈦錐形應(yīng)力接頭 金屬錐形應(yīng)力接頭相對(duì)于橡膠／銅等柔性接頭而言，設(shè)計(jì)緊湊，易于檢查，氣密性好，可在高溫下使用等，鈦的錐形應(yīng)力接頭，其長(zhǎng)度只有鋼的 1/3，成本與鋼的相差無幾，甚至更低。RTI 已設(shè)計(jì)和制造了Grade 23 和 Grade 29 合金應(yīng)力接頭，并安裝在墨西哥灣和北海的鉆井平臺(tái)上，由于相對(duì)較低的成本和成功應(yīng)用實(shí)例，鈦制應(yīng)力接頭市場(chǎng)呈現(xiàn)出持續(xù)增長(zhǎng)的勢(shì)頭。

鈦以及鈦合金有著非常多的優(yōu)勢(shì)，但是對(duì)于在船舶及海洋工程裝備上的應(yīng)用而言，還屬于一種新型的材料。為了促進(jìn)鈦以及鈦合金未來能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)一步發(fā)展，2016 年海洋工程用鈦納入國家新材料發(fā)展重點(diǎn)專項(xiàng)，建立了海洋工程用鈦合金材料及技術(shù)研究、應(yīng)用研究及評(píng)價(jià)平臺(tái)，可大力推動(dòng)海洋工程用鈦材料的跨越式發(fā)展，提升我國海工裝備的技術(shù)水平升級(jí)和發(fā)展；在 2017 年的兩會(huì)上，會(huì)議代表再一次提出大力發(fā)展海洋工程用鈦合金材料，以期從國家層面上推動(dòng)海洋工程特別是艦船用鈦設(shè)備的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、技術(shù)體系、應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范；大力開發(fā)鈦合金低成本化生產(chǎn)技術(shù)，優(yōu)化和完善我國船用鈦合金體系，建立船用鈦合金性能數(shù)據(jù)庫，為海洋工程用鈦及鈦合金的選材提供豐富的數(shù)據(jù)支持。

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