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                  海洋新材料之海洋金屬鈦合金
                 

                21世紀被稱為海洋的世紀。海洋空間與資源不僅已成為世界軍事和經濟競爭日益激烈的重要領域,而且將成為人類賴以生存、社會借以發展、瀕海國家持續安泰昌盛的戰略空間和基地。鑒此,各濱海國家,特別是海軍強國,均在以海權建設為核心,為增強控制海洋、維護海洋權益和疆土完整的綜合制海能力與開發利用海洋空間的能力而大力發展海軍裝備、海洋安全保障裝備和海洋工程裝備。

                海洋工程用材料,要求具有高強度、耐海水熱液腐蝕、抗硫化腐蝕、抗微生物附著、高韌性等特點。而鈦金屬質輕、高強、耐蝕,特別對鹽水或海水和海洋大氣環境的侵蝕有免疫能力,是輕型結構材料,被稱為“海洋金屬”,是重要的戰略金屬材料。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,是海洋工程領域的新型關鍵材料之一,因此,充分利用海洋材料——鈦及鈦合金,將有助于國家海洋戰略的發展。

                鈦合金在海洋方面的應用


                1船艦上的應用

                鈦合金用于艦船工業始于60年代,比鈦在航空工業的應用大約晚10年。美國、俄羅斯、日本及中國是從事鈦在艦船領域應用研究的國家。

                A、船體結構材料

                用鈦制造的船體與以前用的纖維增強塑料、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,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技術公司和Eto造船公司建造的鈦漁船,其船殼、甲板和結構件均用鈦制造。日本日生工業公司制造的“泰坦快速號”快艇船長約12m,船體形狀是漂亮的三次元曲線,可減少航行阻力。

                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。鈦具有優良的抗腐蝕和剝蝕破壞能力、良好的屈服強度和較低的密度,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,而且還可顯著延長系統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備的經驗表明,鈦合金材料無論是在機械強度方面,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、泵及其他配件等產品的腐蝕壽命不小于1.2×105h,服役期限不少于40 年。鈦合金制各種泵、閥、管的使用壽命遠遠大于銅或不銹鋼制品。

                C、動力驅動裝置

                用鈦合金制作艦船的螺旋槳和槳軸可以提高推進速度,延長使用壽命。美國已經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1500mm、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裝置的優異材料。日本的魚雷艇“PT-10”號就是采用Ti-6Al-4V合金噴水推進裝置,在保證轉速不變情況下,軸徑由95mm減少至75mm,重量減輕了600kg。俄羅斯制造的原子動力破冰船的動力裝置也使用了鈦制蒸汽發動機。使用鈦合金可使其發動機使用壽命延長數10倍以上。此外,在艦船發動機部件如發動機盤和轉子葉片上也使用了大量鈦合金材料。使用鈦合金動力推進裝置,還可以克服采用銅合金所造成的航行時切割地球磁力線而產生較大的感應電流。

                我國在60 年代就進行了螺旋槳的研究,于1972 年研制成水翼快艇螺旋槳,至今已生產直徑為450~1100mm 各類鈦合金螺旋槳,可生產直徑為1200mm,質量達130kg 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%,壽命提高了數倍,無需表面涂層,海洋生物容易清洗,且維修保養方便。

                D、熱交換器、冷凝器、冷卻器、蒸發器

                熱交換器、冷凝器、冷卻器、蒸發器的管線系統、閥等均可采用鈦制造,用鈦制造的設備的無維修使用壽命可達100000小時以上,且不會釋放有害物,對環境友好,而銅基合金由于腐蝕會對環境釋放有害的銅離子。2016年10月份國家重點研發計劃項目《低成本高耐蝕鈦及鈦合金管材與高品質鈦帶制造技術開發及應用》在昆明啟動,項目由昆明鋼鐵控股有限公司下屬的云南鈦業股份有限公司牽頭承擔。該項目為滿足國家戰略需求,以海洋石油鉆井平臺、海水淡化、大型船艦工程等重大工程為應用背景,針對我國在鈦及鈦合金管材的開發與應用方面與國外存在的差距,以及急需突破的相關制造技術,通過研發實現工程應用。

                E、 聲學裝置

                在海水中,無論是光波或無線電波,其衰減都遠比聲波的衰減大。因此,在開發利用海洋的事業中,在艦船、魚雷搜索、探測水中目標時,人們廣泛利用聲納。而在聲納設備中,又需要各種不同性能的聲學材料。其中,艦艇、魚雷的聲納導流罩以及高壓透聲容器的殼體采用水聲透聲結構材料制作。

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                一般地,在船舶聲納換能器外面安裝流線型聲納導流罩的目的是減小艦船運動時產生的水動力噪音,保證水聲設備有效和正常工作,從而提高聲納的作用距離。聲納導流罩有良好的透聲性能,使水聲信號通過時只有很小的損耗和畸變。依據水下、水面運用的需求不一樣,目前我國水兵在役艘艇聲納導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,國外許多大型戰斗艦艇如俄羅斯現代級,其聲納導流罩采用鈦合金制造,被運用于俄羅斯“庫爾斯克號”、“鈦板明斯克”、“基輔”號航空母艦的聲納體系中。


                2深海潛水器

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                作為我國“863”計劃重大專項,由中國船舶重工集團公司702研究所研制成功的7000米潛水器長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,運用了當前世界上的高新技術,實現載體性能和作業要求的一體化;鈦合金載人球殼是深潛器的重要的部分,位于深潛器前邊可乘坐3人的鈦合金載人球殼能承載700個大氣壓的壓力,實現了與航天相同的生命支持系統。


                3凝汽器

                據聯合國教科文組織出版物估計,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備,冷卻介質是海水。傳統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生點蝕、孔蝕、應力腐蝕和疲勞腐蝕現象,導致設備泄漏,造成重大經濟損失。國內外實踐證明,電站的凝汽器采用鈦材是好用的。全世界電站裝機總容量約2×107MW,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。我國臺州電廠、鎮海發電廠、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越性:可以就地利用海水作冷卻介質;耐蝕性好,壽命長;熱交換效率高、經濟效益好;安全性能高、減少停電檢修時間、生產效率低等。


                4核潛艇

                俄羅斯在建造鈦合金核潛艇技術上處于國際地位,也是用鈦合金建造耐壓殼體的國家。從20 世紀60 年代起,俄羅斯研制的核潛艇已有4 代,世界K162 號全鈦核潛艇于1968年12 月下水,已運行了30 多年,到過各大洋和海域,經受了不同載荷和環境考核,從未出現過任何事故。俄羅斯于1970 年建造“ALFA”級核潛艇,70~80年代又相繼造了6艘,每艘用鈦約3000t,下潛深度914m,即輕又快,機動性能良好。鈦在船舶上使用的典型例子是俄羅斯臺風級核潛艇,它擁有鈦金屬制造的外殼,因軍事需要,采用雙殼結構,其雙層外殼共用鈦9000t,使其具有了無磁性、下潛深、航速快、噪音小、維修次數少等優點。

                由美國西南研究院(Southwest Research 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徑為2.1米,工作空間較大,可容納3人,在海水中的工作深度可達6500米。


                5深?臻g站

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                深海移動空間站將主要用于進行海洋科學探索,被喻為海洋里的“天宮一號”。從上世紀60 年代起,美國和前蘇聯都陸續完善了深?臻g站體系。2000年,俄羅斯公布了本國深?臻g站的民用建設,其針對性很單一,主要針對北冰洋的石油開采。我國于上世紀90年代提出深?臻g站的概念,旨在和平開發和利用海洋資源。已經建成的深?臻g站試驗艇和正在建設的小型深海移動工作站都是我國自主研發的。深?臻g站的建立都離不開鈦及鈦合金關鍵材料的支撐。在《“十三五”國家科技創新規劃》中,再一次提出的“科技創新2030重大項目”深?臻g站,并且明確立項。而空間站主要建造材料為鈦合金,初步測算一個主站建設將消耗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獲取淡水的主要方式。在海水淡化生產方法中,可靠性強的是多級閃蒸法,該方法的設備主要由海水加熱、熱回收部冷凝器、熱輸出部冷凝器、通風凝結器和噴射壓氣機等部分構成,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。

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                海水淡化裝置中的蒸發器接觸高溫海水,蒸發后鹽度增加。鈦合金耐高溫離子腐蝕,可廣泛用于海水淡化裝置的蒸發器,同時,鈦對氯具有很強的抗腐蝕性,是海水淡化設備換熱器的材料。隨著沿海地區石油化工、電力等行業的迅速發展,用海水取代日益緊張的淡水作為工業冷卻介質,可以節約大量的淡水資源,獲得顯著的經濟效益和社會效益。但是由于海水腐蝕性強,當管束采用普通碳鋼或不銹鋼時,海水作為冷卻介質會對管束產生嚴重腐蝕,顯著降低熱交換器的使用壽命,不僅增加了設備的更換次數,也會由于設備失效引起裝置停工過于頻繁,從而使經濟效益降低。一般情況下,為解決這一問題,需要對管子進行材料升級,升級材料常用鈦管。

                在鈦材料選擇方面,應用的是工業純鈦ASTM Grade2,事實表明Grade1和Grade 2等工業純鈦在天然水、海水和各種氯化物中具有特殊的抗應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的鈦制海水淡化設備中,鈦換熱器的污堵系數約為0.95~0.99 。

                選用工業純鈦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+16MnR+316L雙面鈦復合鋼板,這是因為鈦質輕、耐蝕、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。

                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

                鈦合金具有優良的耐蝕性和良好的韌性,因而使其成為海洋鉆探系統用設備如立管、鉆管及錐形應力接頭等的選擇。在更多情況下,鈦和鋼的復合應用對海上鉆探系統成本的降低和效益的提高具有很大的貢獻。

                在過去幾年中,鈦合金構件在海上石油鉆探系統上的應用顯著增加。鈦合金使得鉆井設備可以進入更深的水里和井里,包括溫度更高和更具腐蝕性的環境中。以Ti-6Al-4V為基的鈦合金,具有物理、機械和腐蝕等綜合性能,對于海上鉆探構件而言具有更大的吸引力。

                Ti—6Al—4V基合金在海上鉆探系統應用的主要有以下幾種構件:

                (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、易于用傳統技術進行檢查等優點。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,但全鈦立管的市場卻非常有限。由于經濟原因,實際上多使用的將會是不銹鋼/鈦或復合材料/鈦的立管。

                (2)鉆管 在短距離鉆井中(曲率半徑18m以內),傳統的不銹鋼管過早地出現轉動疲勞和物理磨損,因而美國RTI鈦金屬公司開發了由Grade5合金與標準Cr-Mo鋼接頭連接而成的鉆管。這樣設計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18m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,水平方向為7.1km-9.1 km,而采用鈦管材后,其垂直方向可達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%,并克服了液壓傳動裝置的限制。

                (3)鈦錐形應力接頭 金屬錐形應力接頭相對于橡膠/銅等柔性接頭而言,設計緊湊,易于檢查,氣密性好,可在高溫下使用等,鈦的錐形應力接頭,其長度只有鋼的1/3,成本與鋼的相差無幾,甚至更低。RTI已設計和制造了Grade 23和Grade 29合金應力接頭,并安裝在墨西哥灣和北海的鉆井平臺上,由于相對較低的成本和成功應用實例,鈦制應力接頭市場呈現出持續增長的勢頭。

                鈦以及鈦合金有著非常多的優勢,但是對于在船舶及海洋工程裝備上的應用而言,還屬于一種新型的材料。為了促進鈦以及鈦合金未來能夠實現進一步發展,2016年海洋工程用鈦納入國家新材料發展重點專項,建立了海洋工程用鈦合金材料及技術研究、應用研究及評價平臺,可大力推動海洋工程用鈦材料的跨越式發展,提升我國海工裝備的技術水平升級和發展;在2017年的兩會上,會議代表再一次提出大力發展海洋工程用鈦合金材料,以期從國家層面上推動海洋工程特別是艦船用鈦設備的設計準則、技術體系、應用技術標準、規范;大力開發鈦合金低成本化生產技術,優化和完善我國船用鈦合金體系,建立船用鈦合金性能數據庫,為海洋工程用鈦及鈦合金的選材提供豐富的數據支持。


                 
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