TC4Ti80鈦合金材料在海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

海洋是人類的資源寶庫(kù)，蘊(yùn)藏著豐富的生物、油氣、金屬礦產(chǎn)等資源。當(dāng)前，許多發(fā)達(dá)國(guó)家都在加大海洋開發(fā)和管理力度，競(jìng)相開發(fā)利用海洋資源。我國(guó)作為海洋大國(guó)，也應(yīng)加快海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展。開發(fā)海洋是中國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的組成部分。我們知道，美國(guó)、日本、法國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家之所以能夠成為世界海洋強(qiáng)國(guó)，與其在海洋工程裝備領(lǐng)域的領(lǐng)先地位有著密切的關(guān)系。

海洋工程用材料有很多特殊要求，除要求耐海水腐蝕外，還要求高性能、高功能、安全可靠性等。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、耐蝕性能優(yōu)異的材料，可以很好地滿足人們?cè)诤Ｑ蠊こ填I(lǐng)域應(yīng)用的要求，是不可替代的海洋工程材料。

目前，鈦及鈦合金材料已用于海洋工程的各個(gè)領(lǐng)域，受到世界各國(guó)的普遍重視。實(shí)踐證明，鈦及鈦合金材料在海洋工程中是極有發(fā)展前景的材料。

一、海洋工程用鈦及其合金的研發(fā)

海洋工程作為鈦應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)重要市場(chǎng)，目前已受到各國(guó)的普遍重視，已研究了多種海洋工程用鈦及其合金(國(guó)內(nèi)外研制的海洋工程用主要鈦及其合金牌號(hào)或名義成分略)。合金有的只是化學(xué)成分稍有調(diào)整和變化，如添加少量貴金屬或稀土元素，這主要是為了提高材料的耐縫隙腐蝕性能，從而進(jìn)一步擴(kuò)大合金在海洋工程領(lǐng)域的用途。

二、鈦在海洋工程領(lǐng)域應(yīng)用的現(xiàn)狀

1、海洋資源勘探開發(fā)

海底蘊(yùn)藏著豐富的石油、天然氣、礦物質(zhì)等資源。地球埋藏的石油約30％位于海底的地殼中，儲(chǔ)量大約1300億t，因此，海洋資源勘探開發(fā)意義重大。在當(dāng)今全球資源匱乏的情況下，開發(fā)海洋資源成為許多沿海國(guó)家的新選擇。隨著對(duì)海洋資源的勘探開發(fā)，海洋環(huán)境對(duì)材料的腐蝕問題受到越來越多的關(guān)注。海洋資源勘探開發(fā)成本高，一旦發(fā)生腐蝕，造成的損失必然很大。耐蝕性優(yōu)異的鈦材已經(jīng)成為海洋資源勘探開發(fā)的重要材料，應(yīng)用范圍廣泛。

1.1 勘探開采平臺(tái)

一般情況下，海上石油開采平臺(tái)生物污染引起的結(jié)構(gòu)件腐蝕是相當(dāng)嚴(yán)重的，美國(guó)一家公司在開采平臺(tái)上使用了鈦管制成的長(zhǎng)套管，對(duì)平臺(tái)上的部位進(jìn)行保護(hù)，取得了良好的效果。

北海石油平臺(tái)上熱交換器已采用了鈦管。由于鈦耐酸性(含硫)原油和海水的腐蝕，在油和氣的冷卻系統(tǒng)中也使用了鈦裝置。

在海洋平臺(tái)上用鈦管做閉式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷凝管和換熱管，開采平臺(tái)上的泵、閥、管件及配件等采用鈦制品后，大大減少了維修工作量，提高了開采效率。

此外，采油平臺(tái)支柱、繩索支架等裝置也可使用重量輕、耐蝕性好的鈦材制造。

1.2 提升裝置

在海洋和大陸油氣開采系統(tǒng)中，原油采油提升裝置的接頭設(shè)計(jì)較復(fù)雜，關(guān)鍵性的部位如采油提升管底部與采油井口之間的接頭、采油提升管的彎曲和撓曲部分、提升管等均宜采用鈦材制造。在深海鉆探中采用鈦制海底石油提升管以及采油預(yù)應(yīng)力管接頭、夾具及配件等。

1.3 鉆井桿

與傳統(tǒng)的鋼桿比較，鈦合金桿的垂直深度可達(dá)9200米，而鋼桿的垂直深度6100米，使用鈦桿可以降低桿的提拉力30％，顯著降低扭矩30％～40％。美國(guó)RMI公司為Conoco NorwayInc．提供的鈦合金鉆井桿，巳成功應(yīng)用于數(shù)十口油井，節(jié)省系統(tǒng)成本40％。

1.4 泵、閥及管道

海洋勘探開發(fā)工程中的泵(如深井泵和離心泵)、閥采用鈦材后大大提高了設(shè)備的使用壽命，效果良好。

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(duì)海水具有很高的耐蝕性，其使用壽命為鋼系的10倍，因此，從成本、壽命綜合考慮，使用鈦管系是經(jīng)濟(jì)的。海底開采石油用的高壓油管已經(jīng)采用了鈦材，目的在減輕重量、降低成本和避免破壞，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

1.5 其它

鈦在海上石油天然氣勘探和開采中的應(yīng)用部位還包括滅火系統(tǒng)、錨定系統(tǒng)管道、海水管道系統(tǒng)、增壓管道、取樣室、泥漿鉆探助推器、水下安全閥門等。此外，鈦材還是大型浮式原油和天然氣貯存基地建設(shè)工程用首選材料。

2、海水淡化

淡水約占地球水資源的3％，目前有許多國(guó)家的飲水來自海水淡化，美國(guó)和日本在海水淡化裝置用鈦方面處于領(lǐng)先地位。美國(guó)哈維鋁公司在維爾京群島建設(shè)的一座海水淡化工廠，其熱導(dǎo)管全部采用壁厚0.7mm無縫鈦管，約24t，日處理海水能力為184萬m3。另一家美國(guó)公司在南太平洋海岸建造的大型海水淡化工廠的蒸發(fā)器和海水加熱器全部采用了鈦材，用鈦量約400t。

日本是開發(fā)鈦在海水淡化裝置應(yīng)用較早的國(guó)家。日本松島碳礦株式會(huì)社建成了2650t／d海水淡化設(shè)備。該裝置的通風(fēng)凝結(jié)器及噴射壓氣機(jī)的傳熱管和管板均用鈦材制造，使用后沒發(fā)生過因腐蝕導(dǎo)致的故障。

日本除了在本國(guó)建造海水淡化工廠外，還大力拓展海外市場(chǎng)，基本壟斷了中東國(guó)家海水淡化用鈦市場(chǎng)。所涉及的用鈦裝置主要有熱交換器、冷凝器和管路系統(tǒng)，所使用的材料主要為純鈦薄壁焊接鈦管。如日本一家公司為沙特阿拉伯建造日產(chǎn)淡水3萬t的蒸餾法海水淡化裝置10臺(tái)，用鈦管3200t。

我國(guó)天津大港電廠于1987年引進(jìn)兩套日產(chǎn)淡水3000t的海水淡化裝置，其熱交換器中使用了016×0．6×1840mm的鈦焊接管。

山東黃島電廠也建成了一座日產(chǎn)淡水3000t的海水淡化裝置，10個(gè)熱交換器共用019×0．5×4220mm的鈦焊管2200支，重1.25t。3深潛器深潛器是一種可以潛入水下一定深度，完成某些特定工作的裝置，體現(xiàn)著一個(gè)國(guó)家的綜合技術(shù)實(shí)力，可用于軍事、科研、海洋開發(fā)、深海打撈以及救生等。目前，中國(guó)已成為世界上第五個(gè)掌握5000米以上載人深潛技術(shù)的國(guó)家。

深潛器的耐壓殼體一般均采用鈦合金制造。

美國(guó)在60年代建造而后經(jīng)過改造可潛6100m的Seacliff深潛器，其耐壓殼使用了Ti一6Al一2Nb一1Ta-0.8Mo合金。法國(guó)建造的SM97耐壓殼使用了Ti一6Al一4V合金。我國(guó)制造的“蛟龍”號(hào)載人潛水器在2010年完成3759m海試后，于2011年在深度5180m的位置正式開始海底作業(yè)工作。“蛟龍”號(hào)設(shè)計(jì)深度為世界第一的7000m，工作范圍可覆蓋全球海洋區(qū)域的99．8％，其耐壓殼體也采用Ti-6Al-4V合金制造。

三、鈦在海洋工程領(lǐng)域應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)

2011年8月，中國(guó)發(fā)布了《海洋工程裝備產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略(20ll一2020)》，明確提出了“海洋工程裝備是開發(fā)利用海洋資源的物質(zhì)和技術(shù)基礎(chǔ)，是中國(guó)當(dāng)前加快培育和發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)”。鈦材作為海洋工程裝備重要材料，必然迎來極大的發(fā)展機(jī)遇。

1、油氣開采設(shè)備用鈦

海洋環(huán)境對(duì)海洋工程材料有很多特殊要求，高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐海水腐蝕的鈦材已成為未來海洋工程設(shè)備的重要材料。

我國(guó)計(jì)劃將鉆探水深由500m提升到3000m，自主開發(fā)油田水深由200多m增加到2000多m，鋪管水深由150m增加到2200m。要達(dá)到這樣的技術(shù)水平，油氣開采設(shè)備如超大型鈦

鉆桿、錐形接頭、輸油管等必然采用大量的鈦材制造。根據(jù)規(guī)劃，我國(guó)未來3～5年將建設(shè)70個(gè)左右的海上石油鉆井平臺(tái)，僅一個(gè)海上石油鉆井平臺(tái)用鈦量就可以達(dá)到1500～2000t。因此，油氣勘探與開采領(lǐng)域是未來鈦合金應(yīng)用的一個(gè)十分巨大和有潛力的市場(chǎng)。

2、海水淡化裝置用鈦

海水淡化裝置使用大量鈦材。我國(guó)許多城市飲用水缺乏，需要通過海水淡化解決家庭用水問題，且工業(yè)生產(chǎn)及發(fā)電對(duì)海水淡化用水量也持續(xù)增長(zhǎng)。按國(guó)家沿海城市規(guī)劃，未來海水淡化能力需求將達(dá)200～260萬t／d。因此，未來海水淡化及濱海電站市場(chǎng)將成為鈦應(yīng)用的一個(gè)重要市場(chǎng)，發(fā)展空間巨大，前景廣闊。

3、海軍裝備用鈦

我國(guó)海軍裝備與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還比較落后，為了加強(qiáng)我國(guó)的國(guó)防實(shí)力，國(guó)家加大了對(duì)海軍裝備的投資，許多新項(xiàng)目正在研制之中，如新型驅(qū)逐艦、潛艇、深海運(yùn)載工具、探測(cè)器、深海空間站等，質(zhì)輕、高強(qiáng)、耐蝕的鈦金屬被作為關(guān)鍵構(gòu)件的首選材料，預(yù)計(jì)未來需求十分巨大。

4、海洋能源利用裝備用鈦

海洋能作為可再生新型能源已列入國(guó)家電力發(fā)展規(guī)劃，并在分步實(shí)施中。近海風(fēng)力資源為陸地風(fēng)力資源的3倍，利用近海風(fēng)力發(fā)電有著很大發(fā)展空間，這必將推動(dòng)鈦材在這一領(lǐng)域的應(yīng)用。

展望

隨著世界人口的日益增長(zhǎng)和陸地資源不斷的消耗，將來人類生存勢(shì)必越來越依賴于海洋，海洋工程產(chǎn)業(yè)將成為我國(guó)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。我國(guó)海洋工程用裝備將朝著深水化、大型化、國(guó)產(chǎn)化、高端化的方向發(fā)展，這為推廣鈦及其合金在海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用帶來極好的機(jī)遇。隨著我國(guó)海洋開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施和海軍裝備建設(shè)的迅速發(fā)展，預(yù)計(jì)未來5～10年將迎來鈦合金在海洋裝備上擴(kuò)大應(yīng)用的重要時(shí)期。

(作者單位：寶鈦集團(tuán)有限公司)

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