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干货 | 海洋新材料之海洋金属钛合金

2017-11-23 10:29:02
作者:本网发布
来源:《腐蚀防护之友》

21 世纪被称为海洋的世纪。海洋空间与资源不仅已成为世界军事和经济竞争日益激烈的重要领域,而且将成为人类赖以生存、社会借以发展、濒海国家持续安泰昌盛的战略空间和基地。鉴此,各濒海国家,特别是海军强国,均在以海权建设为核心,为增强控制海洋、维护海洋权益和疆土完整的综合制海能力与开发利用海洋空间的能力而大力发展海军装备、海洋安全保障装备和海洋工程装备。

     21 世纪被称为海洋的世纪。海洋空间与资源不仅已成为世界军事和经济竞争日益激烈的重要领域,而且将成为人类赖以生存、社会借以发展、濒海国家持续安泰昌盛的战略空间和基地。鉴此,各濒海国家,特别是海军强国,均在以海权建设为核心,为增强控制海洋、维护海洋权益和疆土完整的综合制海能力与开发利用海洋空间的能力而大力发展海军装备、海洋安全保障装备和海洋工程装备。


    海洋工程用材料,要求必须具有高强度、耐海水热液腐蚀、抗硫化腐蚀、抗微生物附着、高韧性等特点。而钛金属质轻、高强、耐蚀,特别对盐水或海水和海洋大气环境的侵蚀有免疫能力,是优质轻型结构材料,被称为“海洋金属”,是重要的战略金属材料。钛金属在海洋工程中具有广泛的用途,特别适于做轻型海工装备,是海洋工程领域的新型关键材料之一,因此,充分利用海洋材料——钛及钛合金,将有助于国家海洋战略的发展。钛合金在海洋方面的应用如下:

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    1 船舰上的应用
 
    钛合金用于舰船工业始于 60 年代,比钛在航空工业的应用大约晚 10 年。美国、俄罗斯、日本及中国是最早从事钛在舰船领域应用研究的国家。

    A、船体结构材料
 
    用钛制造的船体与以前用的纤维增强塑料、铝合金、钢等材料相比船体轻,可增加有效载入重量,使用寿命长,几乎不需要维修,且易于清除表面附着的海洋生物。如日本钢铁公司、Toho 技术公司和 Eto 造船公司建造的钛渔船,其船壳、甲板和结构件均用钛制造。日本日生工业公司制造的“泰坦快速号”快艇船长约 12 m,船体形状是漂亮的三次元曲线,可最大程度减少航行阻力。

    B、舰船泵、阀、管道及其他配件
 
    舰艇上的泵、阀及管道,由于工作条件非常恶劣,使用铜、不锈钢制造管路只有 2 ~ 5 年寿命。钛具有优良的抗腐蚀和剥蚀破坏能力、良好的屈服强度和较低的密度,因此,可以用它来制作薄壁、小直径管路、阀及其他配件等。用钛材制造舰船的管路和配件,不但可以减轻重量,而且还可显著延长系统寿命并提高使用可靠性。如钛冷凝管与B30 冷凝管相比密度降低近 1/2。军舰使用钛合金管道和设备的经验表明,钛合金材料无论是在机械强度方面,还是在耐海水腐蚀方面都有很高的可靠性。钛合金管道、阀门、泵及其他配件等产品的腐蚀寿命不小于 1.2×105 h,服役期限不少于 40 年。钛合金制各种泵、阀、管的使用寿命远远大于铜或不锈钢制品。

    C、动力驱动装置
 
    用钛合金制作舰船的螺旋桨和桨轴可以提高推进速度,延长使用寿命。美国已经在多种舰船上使用了钛合金螺旋桨。如美国的水翼艇上就使用了直径为 1500 mm、四叶可拆式超空泡钛合金螺旋桨。钛合金也是舰船喷水推进装置的优异材料。日本的鱼雷艇“PT-10”号就是采用 Ti-6Al-4V 合金喷水推进装置,在保证转速不变情况下,轴径由 95 mm 减少至 75 mm,重量减轻了 600 kg。俄罗斯制造的原子动力破冰船的动力装置也使用了钛制蒸汽发动机。使用钛合金可使其发动机使用寿命延长数 10 倍以上。此外,在舰船发动机部件如发动机盘和转子叶片上也使用了大量钛合金材料。使用钛合金动力推进装置,还可以克服采用铜合金所造成的航行时切割地球磁力线而产生较大的感应电流和不利于扫除磁性水雷的缺陷。

    我国在 60 年代就进行了螺旋桨的研究,于 1972 年研制成水翼快艇螺旋桨,至今已生产直径为 450 ~ 1100 mm各类钛合金螺旋桨,最大可生产直径为1200 mm,质量达 130 kg 的固定钛合金螺旋桨。我国研制的 25 型鱼雷快艇选用钛合金代替了原来的 AK-27 钢和铜合金,重量减轻了 30% ~ 40%,寿命提高了数倍,无需表面涂层,海洋生物容易清洗,且维修保养方便。

    D、热交换器、冷凝器、冷却器、蒸发器
 
    热交换器、冷凝器、冷却器、蒸发器的管线系统、阀等均可采用钛制造,用钛制造的设备的无维修使用寿命可达100000 小时以上,且不会释放有害物,对环境友好,而铜基合金由于腐蚀会对环境释放有害的铜离子。2016 年 10 月份国家重点研发计划项目《低成本高耐蚀钛及钛合金管材与高品质钛带制造技术开发及应用》在昆明启动,项目由昆明钢铁控股有限公司下属的云南钛业股份有限公司牵头承担。该项目为满足国家战略需求,以海洋石油钻井平台、海水淡化、大型船舰工程等重大工程为应用背景,针对我国在钛及钛合金管材的开发与应用方面与国外存在的差距,以及急需突破的相关制造技术,通过研发实现工程应用。

    E、声学装置
 
    在海水中,无论是光波或无线电波,其衰减都远比声波的衰减大。因此,在开发利用海洋的事业中,在舰船、鱼雷搜索、探测水中目标时,人们广泛利用声纳。而在声纳设备中,又需要各种不同性能的声学材料。其中,舰艇、鱼雷的声纳导流罩以及高压透声容器的壳体采用水声透声结构材料制作。

    一般地,在船舶声纳换能器外面安装流线型声纳导流罩的目的是减小舰船运动时产生的水动力噪音,保证水声设备有效和正常工作,从而提高声纳的作用距离。声纳导流罩必须有良好的透声性能,使水声信号通过时只有很小的损耗和畸变。依据水下、水面运用的需求不一样,目前我国水兵在役艘艇声纳导流罩所选用的壳板透声资料根本有两种,一种是不锈钢,一种是纤维增强的玻璃钢。俄罗斯过去也选用玻璃钢,但是后来大多采用钛合金。钛合金由于透声性能好,国外许多大型战斗舰艇如俄罗斯现代级,其声纳导流罩采用钛合金制造,被运用于俄罗斯“库尔斯克号”、“钛板明斯克”、“基辅”号航空母舰的声纳体系中。
 
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    2 深海潜水器
 
    作为我国“863”计划重大专项,由中国船舶重工集团公司 702 研究所研制成功的7000米潜水器长8米、高3.4米、宽 3 米,用特殊的钛合金材料制成,在7000 米的深海能承受 710 吨的重压,运用了当前世界上最先进的高新技术,实现载体性能和作业要求的一体化;钛合金载人球壳是深潜器的最特殊和重要的部分,位于深潜器最前方可乘坐 3 人的钛合金载人球壳能承载 700 个大气压的压力,实现了与航天相同的生命支持系统。

    3 凝汽器
 
    据联合国教科文组织出版物估计,全世界海洋能总量为 766 亿 kW。海滨电站和核电站中凝汽器是重要大型设备,冷却介质是海水。传统使用钢及铜合金材料制造,但抗海水腐蚀性差,使用寿命短。在海水中,特别是污染海水的作用下,铜合金凝汽器容易发生点蚀、孔蚀、应力腐蚀和疲劳腐蚀现象,导致设备泄漏,造成重大经济损失。国内外实践证明,电站的凝汽器采用钛材是最合适的。全世界电站装机总容量约2×107 MW,火电站和水电站约 5000多座,采用钛凝汽器约占 3% ~ 4%,核电站 380 多座,采用钛凝汽器约占30%,欧、美、日本等国电站都普遍使用钛凝汽器。我国台州电厂、镇海发电厂、秦山核电站、大亚湾核电站等均采用了全钛凝汽器。滨海电站用钛凝汽器具有较多的优越性:可以就地利用海水作冷却介质;耐蚀性好,寿命长;热交换效率高、经济效益好;安全性能高、减少停电检修时间、生产效率低等。

    4 核潜艇
 
    俄罗斯在建造钛合金核潜艇技术上处于国际领先地位,也是用钛合金最先建造耐压壳体的国家。从 20 世纪 60 年代起,俄罗斯研制的核潜艇已有 4 代,世界第一艘 K162 号全钛核潜艇于 1968年 12 月下水,已运行了 30 多年,到过各大洋和海域,经受了不同载荷和环境考核,从未出现过任何事故。俄罗斯于1970 年建造第一艘“ALFA”级核潜艇,70 ~ 80 年代又相继造了 6 艘,每艘用钛约 3000 t,最大下潜深度 914 m,即轻又快,机动性能良好。钛在船舶上使用的典型例子是俄罗斯台风级核潜艇,它拥有钛金属制造的外壳,因军事需要,采用双壳结构,其双层外壳共用钛9000 t,使其具有了无磁性、下潜深、航速快、噪音小、维修次数少等优点。

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    由 美 国 西 南 研 究 院(SouthwestResearch?Institute(SWRI))制造的载人深海潜艇外壳是由 ELITi-64?制造的。这种新型潜艇球体的内径为 2.1 米,工作空间较大,可容纳 3 人,在海水中的最大工作深度可达 6500 米。

    5 深海空间站
 
    深海移动空间站将主要用于进行海洋科学探索,被喻为海洋里的“天宫一号”。从上世纪 60 年代起,美国和前苏联都陆续完善了深海空间站体系。2000 年,俄罗斯公布了本国深海空间站的民用建设,其针对性很单一,主要针对北冰洋的石油开采。我国于上世纪90 年代提出深海空间站的概念,旨在和平开发和利用海洋资源。已经建成的深海空间站试验艇和正在建设的小型深海移动工作站都是我国自主研发的。深海空间站的建立都离不开钛及钛合金关键材料的支撑。在《“十三五”国家科技创新规划》中,再一次提出“科技创新2030 重大项目”深海空间站,并且明确立项。而空间站主要建造材料为钛合金,初步测算一个主站建设将消耗 4000 多吨毛料。

    6 海水淡化
 
    海水淡化已成为中东等水资源缺乏地区获取淡水的主要方式。在海水淡化生产方法中,可靠性最高、应用最多的是多级闪蒸法,该方法的设备主要由海水加热、热回收部冷凝器、热输出部冷凝器、通风凝结器和喷射压气机等部分构成,热交换部位使用了大量的传热管,原用铜合金管,由于铜合金不耐腐蚀,目前已被钛管所代替。

    海水淡化装置中的蒸发器接触高温海水,蒸发后盐度增加。钛合金耐高温离子腐蚀,可广泛用于海水淡化装置的蒸发器,同时,钛对氯具有很强的抗腐蚀性,是海水淡化设备换热器的首选材料。随着沿海地区石油化工、电力等行业的迅速发展,用海水取代日益紧张的淡水作为工业冷却介质,可以节约大量的淡水资源,获得显著的经济效益和社会效益。但是由于海水腐蚀性强,当管束采用普通碳钢或不锈钢时,海水作为冷却介质会对管束产生严重腐蚀,显著降低热交换器的使用寿命,不仅增加了设备的更换次数,也会由于设备失效引起装置停工过于频繁,从而使经济效益降低。一般情况下,为解决这一问题,需要对管子进行材料升级,升级材料常用钛管。

    在钛材料选择方面,应用最广泛的是工业纯钛 ASTM?Grade2,事实表明 Grade1 和 Grade2 等工业纯钛在天然水、海水和各种氯化物中具有特殊的抗应力腐蚀裂纹影响的能力;而温度比较高的海水加热器使用有较高抗腐蚀性的 Grade7 或 者 Grade12;Grade16(Ti-0.5% Pd)具有更高的抗腐蚀能力,但是成本比较贵。另外,在海水流速为3 ~ 5m/s 的钛制海水淡化设备中,生物污堵现象是最轻微的,钛换热器的污堵系数约为 0.95 ~ 0.99。

    选用工业纯钛 TA1 无缝管做闪蒸器的冷凝管和盐水加热器的热交换管,管板选用了 TA1+16 MnR+316 L 双面钛复合钢板,这是因为钛质轻、耐蚀、具有高强度,是良好的抗海水腐蚀材料,使用它的可靠性高;其次,使用钛复合钢板可以减少钛的使用量,且能满足使用要求,降低装置造价。

    我国西北有色金属研究院、北京有色金属研究总院等单位也先后开发出了一系列海洋工程用耐蚀钛合金,如Ti75、Ti31 和 Ti631。

    7 海上钻井平台
 
    钛合金具有高强度、低密度、优良的耐蚀性和良好的韧性,因而使其成为海洋钻探系统用设备如立管、钻管及锥形应力接头等的最好选择。在更多情况下,钛和钢的复合应用对海上钻探系统成本的降低和效益的提高具有很大的贡献。
 
    在过去几年中,钛合金构件在海上石油钻探系统上的应用显著增加。钛合金使得钻井设备可以进入更深的水里和井里,包括温度更高和更具腐蚀性的环境中。

    以Ti-6Al-4V为基的钛合金,具有物理、机械和腐蚀等最佳的综合性能,对于海上钻探构件而言具有更大的吸引力。

    Ti—6Al—4V 基合金在海上钻探系统应用的主要有以下几种构件:

    (1)海上钻井立管 钻井立管使用钛合金,除了减重外,还具有较好的损伤容限、易于用传统技术进行检查等优点。首次在海上大量使用钛合金钻井立管的是北海油田。虽然钛在立管上的使用取得很大成功,但全钛立管的市场却非常有限。由于经济原因,实际上多使用的将会是不锈钢/钛或复合材料/钛的立管。

    (2)钻管 在短距离钻井中(曲率半径 18m 以内),传统的不锈钢管过早地出现转动疲劳和物理磨损,因而美国RTI 钛金属公司开发了由 Grade5 合金与标准 Cr-Mo 钢接头连接而成的钻管。这样设计避免了工具卡死和磨损并保证了其韧性和疲劳寿命。1999 年,美国已用外径为 73 mm 的钛合金管成功地钻成了10 口曲率半径 18 m 的油井。近来,又用外径为 63.5 mm 的钛合金钻管钻成了曲率半径为 12m ~ 15m 的油井。另外,钛合金的无磁性也是吸引人之处,使得油井勘探不受磁性的影响。在长距离钻井中,采用钢管,其钻井深度在垂直方向只到 6.1km,水平方向为 7.1km-9.1km,而采用钛管材后,其垂直方向可达9.1km。大直径钛管的使用,使得钻具吊起所需的力减少了约 30%,扭矩减少了 30%~ 40%,并克服了液压传动装置的限制。

    (3)钛锥形应力接头 金属锥形应力接头相对于橡胶/铜等柔性接头而言,设计紧凑,易于检查,气密性好,可在高温下使用等,钛的锥形应力接头,其长度只有钢的 1/3,成本与钢的相差无几,甚至更低。RTI 已设计和制造了Grade 23 和 Grade 29 合金应力接头,并安装在墨西哥湾和北海的钻井平台上,由于相对较低的成本和成功应用实例,钛制应力接头市场呈现出持续增长的势头。

    钛以及钛合金有着非常多的优势,但是对于在船舶及海洋工程装备上的应用而言,还属于一种新型的材料。为了促进钛以及钛合金未来能够实现进一步发展,2016 年海洋工程用钛纳入国家新材料发展重点专项,建立了海洋工程用钛合金材料及技术研究、应用研究及评价平台,可大力推动海洋工程用钛材料的跨越式发展,提升我国海工装备的技术水平升级和发展;在 2017 年的两会上,会议代表再一次提出大力发展海洋工程用钛合金材料,以期从国家层面上推动海洋工程特别是舰船用钛设备的设计准则、技术体系、应用技术标准、规范;大力开发钛合金低成本化生产技术,优化和完善我国船用钛合金体系,建立船用钛合金性能数据库,为海洋工程用钛及钛合金的选材提供丰富的数据支持。

标签: 海洋, 新材料, 钛合金, 舰船

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