1、 前言
隨著人類對自然資源的需求愈來愈大，開發(fā)與應(yīng)用海洋資源已成為 21 世紀(jì)的主題。由于在海水及海洋大氣中存在氯化物和硫化物等腐蝕介質(zhì)，所以在海洋資源開發(fā)過程中，對作為開發(fā)手段所需要的各種裝備，其必須具備耐蝕性及鋼結(jié)構(gòu)的可靠性，特別是在深海開發(fā)中應(yīng)用構(gòu)件的材料應(yīng)具備比強度高、比韌性好、耐海水腐蝕的特性。鈦以其比強度高、耐蝕性優(yōu)異、彈性模量低、疲勞性能好、無磁性、無毒性、易于冷成形、容易焊接、合金種類多、費用穩(wěn)定等優(yōu)點，被譽為是一種天然的海洋裝備首選結(jié)構(gòu)材料。鈦的特性，為研發(fā)可靠性更高、使用壽命更長的船舶產(chǎn)品、海洋工程機械和裝置等提供了重要的材料技術(shù)平臺。鈦材在艦船和海洋工程中的應(yīng)用，充分展現(xiàn)了其優(yōu)異的綜合性能、應(yīng)用領(lǐng)域逐步拓寬，市場需用量與日俱增。本文就多年來在海洋裝備應(yīng)用的鈦材種類及鈦的特性與應(yīng)用實例作一綜述。
2、 海洋裝備用鈦合金材料與應(yīng)用現(xiàn)狀
一般而言，海洋裝備按照其擔(dān)負的使命可分為：民用船舶、軍用艦艇、海洋工程裝置、工程船舶、漁船、高性能船六大類，但基本上歸屬于“艦船”和“海洋工程裝置”兩大門類。下面將對用于該兩大門類鈦的特性與實例分別進行介紹。
2.1 艦船用鈦合金性能與應(yīng)用狀況
鈦用于艦船領(lǐng)域始于上世紀(jì)60年代，相比鈦在航空工業(yè)的應(yīng)用晚了約十年。俄羅斯、美國、日本、中國是最早研究將鈦用于艦船上的國家，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各個國家已形成了各自的艦船用鈦合金材料技術(shù)體系（見表1）。
中國船用鈦合金的研究在經(jīng)過了半個世紀(jì)的自行研發(fā)和研仿，其水平與應(yīng)用有了很大提高，形成了較完整的船用鈦合金系列，表2列舉了我國研制的船用鈦合金及其性能參數(shù)。
為了滿足艦船用材料的不同強度級別要求，并適用于艦船不同部位的要求，我國船用鈦合金形成了屈服強度從320~1100MPa完整的體系，強度范圍很大?？紤]到屈服強度的大小及適應(yīng)性，中國船用鈦合金體系擬按照屈服強度等級進行劃分，即屈服強度在490MPa以下屬低強鈦合金；490~790MPa為中強鈦合金；高于790MPa以上,屬高強鈦合金。在進行機械加工與成型工程化應(yīng)用時，對于要求加工塑性好，特別是大厚截面的構(gòu)件，在大的拘束下進行焊接時，宜采用中、低強度鈦合金；而對于屈服強度高于790MPa以上的鈦合金，其相應(yīng)塑韌性較低，冷加工成形與焊接工藝性能較差，該類材料主要用于船舶動力工程中的耐熱、耐蝕部件和船舶特種機械等。
資料表明，在艦船市場中，俄羅斯用鈦量最多，在二十世紀(jì)九十年代，其年用量就已經(jīng)達到了占國內(nèi)當(dāng)年總消耗量的25%；日本艦船用鈦占1%；中國在近5年內(nèi)，艦船的年用鈦量從占年總消耗量的1.2%上升到了3..3%，呈上升趨勢。
2.2 海洋工程裝置用鈦合金與應(yīng)用現(xiàn)狀
鈦在海洋資源勘探、海洋油氣開采、海洋調(diào)查與救生、海水淡化、濱海電站等海洋工程中的應(yīng)用已經(jīng)有 30 年的歷史，但主要進展開始于上世紀(jì)九十年代，這得益于海洋油氣的勘探和開采開始活躍。鈦的特性因為海洋油氣開采裝置的需要充分得到了發(fā)揮，目前，鈦在海洋開發(fā)工程中的用量占全球鈦消耗總量的 5%，行業(yè)總需求量較低，其原因主要是鈦的價格昂貴，受到了限制。據(jù)中國有色金屬工業(yè)協(xié)會鈦鋯鉿分會統(tǒng)計：在 2006 年，中國在海洋領(lǐng)域用鈦量為 87000kg，2009 年時上升到了 622000kg，占年消耗總量分別為 0.6%和 2.5%。
用于海洋平臺及鉆探設(shè)備的建造業(yè)在海洋產(chǎn)業(yè)中居首位，占全球海洋產(chǎn)業(yè)的25％，隨著開發(fā)油氣活動不斷向深海發(fā)展，鈦在該領(lǐng)域中的應(yīng)用進程更得到了加快。表3列舉了多年來用于海洋油氣工程裝置中鈦及鈦合金的種類和用途 [4] 。
2.3 鈦的特性在海洋裝備中應(yīng)用實例
1）減重和強度對于海洋平臺的建造非常重要，鈦具有鋼的強度、重量僅為其鋼材的55％。鈦合金的彈性模量較低，能夠在彈性變形范圍內(nèi)吸收來自結(jié)構(gòu)以外的載荷，使其具有很好的柔韌性和抗結(jié)構(gòu)變形能力，這種組合特性恰是海洋平臺上鋼立管及漸縮應(yīng)力接頭非常需要的，因為它們在海水中必須根據(jù)海流的運動方向隨時調(diào)節(jié)位置 [3] 。
用Ti-6A1-4V合金制作的預(yù)應(yīng)力采油管接頭不僅耐海水腐蝕，還組裝簡便快捷、重量輕，并保持彈性密封性。
在美國大陸石油公司的Heidrun TLP工程中，指定采用鈦鉆井立管，這種立管的直徑約為508mm，整個長度為12192mm．它由上、中、下三部分組成，中間部分是普通的管道，兩端采用鍛造成型后機械加工而成，其材質(zhì)為Ti-6A1-4V ELI鈦合金 [4] 。
英格蘭的Bunting鈦公司加工了鈦輸送管道，用鈦輸送管道取代帶有橡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 [4] 。
位于美國得克薩斯州休斯頓市的Cooper-Cameron石油工具有限公司利用Ti-6Al-4V ELI合金擠壓生產(chǎn)一種立管，投入Green-Canyon工程，所用管材的直徑為295mm和346mm，長度為10668—11582mm．有報道說，這套裝置已經(jīng)在1995年5月份開始運行 [4] 。
2）鈦表面有一層致密的氧化薄膜，可以使鈦基體在130℃溫度下不受海水的侵蝕、在80℃以下抗海水縫隙腐蝕，此外鈦還對碳氫化合物及原油等有抗蝕作用。實驗表明，鈦在海水中的使用壽命可長達50年以上。對于海洋平臺的水上部分，材料使用壽命不像水下應(yīng)用那么重要。如果一項工程只需3～5年，則碳鋼完全滿足需要，因為它便宜得多。但是對于長達20~-30年的工程，使用鈦制造的海洋裝備可以在其工程的工作周期中免于維護，并取消了非常耗時、費錢的修復(fù)作業(yè)，因此，鈦在海洋平臺中的應(yīng)用，應(yīng)重點考慮海下裝置 [3] 。
日本為了從過去的內(nèi)海、內(nèi)灣的淺海域向現(xiàn)在的外海、深海域發(fā)展，專門設(shè)立了超大型浮式技術(shù)研究小組,對數(shù)公里規(guī)模、耐用100年的超大型浮式海洋構(gòu)筑物進行了理論研究和實地試驗。鈦材以其優(yōu)良的耐腐蝕性，在海水環(huán)境下溶出離子極少,無毒性,不必擔(dān)心污染環(huán)境等優(yōu)點,成為其海洋構(gòu)筑物的首選材料。
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。
油氣鉆采中，英國在深600m、262℃的含5％H2S和25％NaCl中，使用了鈦制鉆采設(shè)備。前蘇聯(lián)采用了鈦泵、鈦閥和鈦制沖洗鹽水設(shè)備。
我國在天然氣井口為解決600—700atm的高溫H2S、C02和水蒸汽的腐蝕，使用了Ti-6Al—4V的閥板、閥座和閥桿，長期使用效果甚好。
3）挪威的公司是將鈦用于海洋油氣開采裝置的主要經(jīng)營者。例如：在位于歐洲北海的深海油田，鉆探深度達70米（北部區(qū)域）或1000米（南部區(qū)域），它們的鉆井平臺分別采用固定式和浮動式，僅一個固定式的海上平臺建造就需要了30~500噸的鈦 [3] 。
挪威的Alba公司在1999年為澳大利亞的Laminaria工程生產(chǎn)了用于海洋的最大鈦鑄件，這個用在海水中的閥門是由純鈦（Gr2）制成，其單重2750公斤、長2210毫米、高1499毫米 [3] 。在歐洲最近的一項工程中，挪威的Kristin為Satoil石油公司提供了50～200噸的鈦管和配件，Satoil石油公司準(zhǔn)備在6年間花費1．59億美元購買這些產(chǎn)品 [3] 。
4）Statoil石油供應(yīng)公司把鈦管材試驗性地用于消防設(shè)備中，實驗表明：在通有海水的情況下，鈦可以耐受2h、1000℃以上的烈火烘烤，且不被腐蝕，證明鈦具有優(yōu)良的抗波流沖擊性。在Statoil公司于二十世紀(jì)八十年代初期建造的海上平臺上，其消防系統(tǒng)一般都用碳鋼和銅鎳合金材料，由于在消防系統(tǒng)中使用的是海水，就導(dǎo)致了這些材料不能長久防腐蝕。在九十年代中期，Statoil公司經(jīng)過3年時間的更換，才將在挪威建造的3個海上平臺(Stat0ord A、B、C)上的40個消防系統(tǒng)更換為鈦管，總價值達4000萬挪威克朗(530萬美元) 。Statoil公司認(rèn)為，如果在開始建造時就應(yīng)用鈦管，將會省去這些更換的麻煩 [3] 。
5）在深潛器的研究過程中，美國的Alvin科研深潛器，1973年改建時將耐壓殼體換成鈦合金(板厚49 mm)，代替1964年建造時采用的HYl00高強鋼(板厚33．8 mm)，下潛深度從2000 m增加到3600 m，它的輔助箱及高壓空氣容器也采用Ti一6A1—4VELI鈦合金建造。1981年和1982年建造的“海崖”號深潛器裝備了鈦的觀察艙和操縱艙，下潛深度可達6100 m。由此也可以看出，大深度深潛器的殼體材料發(fā)展趨勢也是用鈦合金，我國目前也在用鈦合金研制深潛器的耐壓艙和浮力球等部件 [1] 。
6）在海洋工程中鈦熱交換器應(yīng)用最為廣泛。俄羅斯自1962年以來各種類型的熱交換器建造并成功運行六千多臺，已經(jīng)達到了完全商業(yè)化的水平。我國也成功的運用鈦合金生產(chǎn)了多臺船用熱交換器，并成功的運行在船上 [1] 。
在Norskc Shell的Troll工程中，使用了直徑為1016mm的氣/水換熱器管，這種由工業(yè)純鈦(Gr.2)制成的管子需要具有100年以上的工作壽命周期．據(jù)報道，位于挪威Permascand的一家公司采用冷成形—焊接方法生產(chǎn)了這種管材 [4] 。
7）鈦泵、閥及管子，廣泛應(yīng)用于海洋工程中的各個領(lǐng)域。如造水系統(tǒng)的往復(fù)式鹽水泵，其介質(zhì)為高度濃縮的鹽水。以前泵內(nèi)的柱塞、閥、閥座等采用1Crl3不銹鋼制造，并在表面鍍鉻。使用時間不長，就銹蝕嚴(yán)重，須經(jīng)常更換。用鈦合金更換后不再存在維修問題。
海底開采石油用的高壓采油管已經(jīng)采用了鈦材，旨在減輕重量、降低成本和避免腐蝕．現(xiàn)在，φ38mm的Ti-6Al-4V ELI合金無縫管材，在海底管道獲得了應(yīng)用。
Heidrun工程平臺上探孔的內(nèi)徑為900mm，它是冷成形后焊接而成的，與其相連的配件和管道也是用工業(yè)純鈦（Gr2）制造的．在低壓水系統(tǒng)中，工業(yè)純鈦已取代6Mo奧氏體鋼，主要用在頂部，用鈦原因是安裝費用低可以經(jīng)受高達90℃的縫隙腐蝕．Mobil的Stariord‘A’工程中安裝了工業(yè)純鈦鎮(zhèn)流水系統(tǒng)管道構(gòu)件．由直徑為457mm的工業(yè)純鈦焊接管取代了碳鋼管。此外，還可以利用工業(yè)純鈦制造頂部閥門 [4] 。
8）緊固件是機械基礎(chǔ)件的重要組成部分，俗稱“工業(yè)之米”，在各行各業(yè)廣泛應(yīng)用，緊固件包括螺釘、螺栓、螺母、墊圈、銷、鍵、擋圈等產(chǎn)品。隨著鈦合金設(shè)備、結(jié)構(gòu)、管系、法蘭，各型泵、閥等在海洋工程上的廣泛應(yīng)用，鈦合金緊固件在海洋工程上的應(yīng)用也有較大提高，特別是在艦船上的應(yīng)用更為廣泛。如我國某艇通海管道用螺栓已采用Ti80合金和TC4合金，螺母采用TA5合金，墊片采用TA2，Ti-5111(Ti-5Al-1Sn-1Zr-1V-0.8Mo)合金也是比較常用的緊固件材料。我國近幾年引進的多條各型艦船，其上面的鈦設(shè)備用緊固件大都采用鈦合金，從實船考察發(fā)現(xiàn)鈦合金緊固件經(jīng)過幾十年的海水浸泡，其表面沒有產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象。所以采用鈦合金緊固件可以解決耐海水腐蝕、異種材料間的電化學(xué)腐蝕等問題，并可大大提高螺栓的使用壽命、并減輕設(shè)備重量 [1] 。
9）中國的西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司，在2009年，為美國一家專業(yè)從事制造油氣開發(fā)生產(chǎn)裝置的企業(yè)提供了多規(guī)格、數(shù)百噸的Ti-6Al-4V合金棒材，該材料經(jīng)過鍛造、機械加工后用于油氣勘探裝置或海底電纜加緊裝置等。
10）另外一項涉及金屬本身的開發(fā)計劃是由碳化硅纖維和鈦合金組成的復(fù)合材料。這是一種很輕、強度好的耐高溫材料。Ti．MMC可以替代鋼部件，可耐600℃高溫，而且重量僅及鋼的一半。Ti．MMC可用于制造深?？箟喝萜?[3] 。
11）統(tǒng)計數(shù)字表明，迄今已有數(shù)千萬噸的鈦合金加工產(chǎn)品應(yīng)用在濱海石油開采中，隨著用途的不斷擴大，這一數(shù)字將還會繼續(xù)提高。從重量、強度和抗腐蝕能力的角度出發(fā)，選用鈦合金是唯—明智的選擇 [3] 。
3、未來展望
我國是世界上海底油氣資源非常豐富的國家之一。中國的海洋工業(yè)正進入大規(guī)模開發(fā)階段，當(dāng)前平臺的結(jié)構(gòu)件和關(guān)鍵部件及設(shè)備均從國外進口，如：長寬為數(shù)公里的超大型浮體、
深海超大型FPSO、半潛式平臺與SPAR、浮式養(yǎng)漁裝置等。國內(nèi)材料很少應(yīng)用，但可以預(yù)期，鈦將會在這里找到廣闊的市場。
2008年，中國海綿鈦產(chǎn)量已居世界第一位，鈦加工材產(chǎn)量僅落后于美國居世界第二位，從規(guī)模和產(chǎn)量上看中國已是世界鈦工業(yè)大國。而我國的船舶工業(yè)生產(chǎn)能力也躍居在世界前列，年造船總量已居世界第二位，成為世界船舶工業(yè)的一支重要力量。因此，具有強大工業(yè)基礎(chǔ)支撐的中國海洋裝備產(chǎn)業(yè)一定有能力走出適應(yīng)國防和海洋開發(fā)市場需求的自主創(chuàng)新之路，使我國不僅成為世界造船大國、強國，必定又是世界海洋強國。
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