钛合金在海洋工程上的应用现状及远景展望
㈠、小序
占地球外貌积约71% 的海洋中蕴藏着富厚的资源 ， 开发海洋、使用海洋 ，让海洋成为我们重大财产的源泉 ， 这已成为人们多年来起劲的偏向之一。可是 ，由于海水中含有约莫3.5% 的含盐量 ，因此 ， 海水具有侵蚀性。别的 ， 海洋中的某些生物污染也加速了海水的侵蚀。
钛是一种物理性能优良、化学性能稳固的质料。钛及其合金强度高、比重小 ， 耐海水侵蚀和海洋气氛侵蚀 ， 可以很好地知足人们在海洋工程方面应用的要求。经由钛业界人士和海洋工程应用研究职员多年的起劲 ， 钛已经在海洋油气开发、海港修建、沿海发电站、海水淡化、船舶、海洋渔业及海洋热能转换等领域取得了普遍的应用。现在 ， 海洋工程用钛已成为钛民用应用的主要领域之一。
㈡、应用现状
2.1 海洋油气开发
石油是一个国家的经济命脉。据预计 ， 天下可开采的石油资源储量为3000亿吨 ， 其中海底石油储量约为1300 亿吨。海底石油的开发 ， 最先于20 世纪初。它的生长履历了从近海到远海、从浅海到深海的历程。受手艺条件和质料生长的限制 ， 最初只能开采从海岸直接向浅海延伸的石油、自然气矿藏。20 世纪80 年月以来 ， 在能源� ；褪忠涨敖拇碳は� ， 近海石油勘探与开发飞速生长 ， 海洋石油开发迅速向大陆架挺进 ， 逐渐形成了崭新的近海石油工业部分。海上钻井平台是实验海底油气勘探和开采的事情基地 ， 它标记着海底油气开发手艺的水平。海上石油开采装备主要包括采油平台和隶属装备 ， 隶属装备有原油冷却器、升油管、泵、阀、讨论和夹具等。这些装备均与海水及原油中的硫化物、氨、氯等介质接触。由于钛在这些介质中具有优异的耐蚀性 ， 以是美国在上世纪70 年月初就在其油田中使用了钛制造的近海石油平台支柱 ， 同时用钛制造了列管式换热器和板式换热器。钛列管式换热器使用海水作为冷却介质 ， 把从油井里抽出的高温汽/ 油混淆物冷却。钛板式换热器也是使用海水作为冷却介质 ， 把碳钢换热器内冷却原油的淡水冷却。美国在北海油田钻井平台上约莫使用了100 个钛热交流器。位于英国苏格兰阿伯丁的亨廷油田服务公司订购的钛制部件听说是天下上第一个钛制高压立管式竖井 ， 用于美国大陆石油公司（Conoco） 挪威的Heidrum 工程项目中。
石油钛合金钛钻探管的使用寿命较长 ，其重量仅为不锈钢的一半 ， 而使用无邪性却是不锈钢的二倍 ， 使用寿命为钢的10 倍。这些优异的性能使得钛成为一种用于钻探难度较大的近圆形、且深度深的油井的极佳质料。包括有钛钻探管的组合钻具可以极大地镌汰钻探时间、降低钻探总本钱。美国的GrantPrideco 公司、RTI 能源系统公司及Torch 钻探服务公司在2000 年首次将钛钻探管用于工业应用。GrantPrideco 公司和RTI 能源系统公司配合生产和供应的钛钻探管还配有GrantPrideco 抗疲劳公司提供的钢工具讨论。这种讨论的重量轻、使用无邪性好 ，且可以使钛钻探管结实结实。
海水管道系统是海底石油开采不可缺氨赡部分 ， 由于钛对海水具有很高的耐蚀性 ， 其使用寿命为钢系的10 倍 ，因此 ， 钛管系的本钱与Cu-Ni 系统相比是合算的。美国活性金属公司与细密管手艺公司合办了一个钛管手艺公司 ， 生产一种大口径钛合金管。这种管子所使用的合金是Ti-3Al-2.5V 合金 ， 口径为650mm, 壁厚为22 ～ 25mm, 长度为350m, 一根管子重达80 ～ 90t, 妄想用于海底石油开采。美国另一家公司使用长度为15m、外径为600mm、壁厚为25mm 的无缝钛合金管通过挤压要领制成了近500m 长的竖井管 ， 已经用于一个近海钻井平台。据称 ， 这种竖井管的重量可以减轻一半 ， 从而大大降低压载本钱 ， 另外 ， 还具有很高的断裂韧性和较长的疲劳寿命。
据资料报道 ， 在美国北海油田开发项目中 ， 船上浮体装置和海底牢靠装置的用钛量比以前有所增添。24 台船上浮体装置和64 台海底牢靠装置对钛材的需求量为：清静� ；ぷ爸�50 ～ 100t,毗连装置50 ～ 100t, 通用升降装备400 ～ 1000t, 钻杆1400 ～ 4200t。海上石油开采平台生物污染引起的结构件侵蚀是相当严重的 ， 美国一家公司在开采平台上使用了钛管制成的长套管 ， 对平台上的部位举行� ；�。
在已往几年里 ， 钛合金部件在石油钻探和海滨生产作业中的应用显着增添。钛合金部件使得石油钻探可以进入更深的水域和更深的油井 ， 包括更高的温度和侵蚀严重（ 即多盐） 的生产情形。
关于这类应用 ， 从综合性能来思量 ，TC4 钛棒（Ti-6Al-4V） 基合金是最适用的 ， 且本钱最低。海水管道系统是海底石油开采不可缺氨赡部分 ， 由于钛对海水具有很高的耐蚀性 ， 其使用寿命为钢系的10 倍 ， 因此 ， 钛管系的本钱与Cu-Ni 系统相比是合算的。美国活性金属公司与细密管手艺公司合办了一个钛管手艺公司 ， 生产一种大口径钛合金管。这种管子所使用的合金是TA18（Ti-3Al-2.5V） 合金 ， 口径为650mm, 壁厚为22 ～ 25mm, 长度为350m, 一根管子重达80 ～ 90t, 妄想用于海底石油开采。美国另一家公司使用长度为15m、外径为600mm、壁厚为25mm 的无缝钛合金管通过挤压要领制成了近500m 长的竖井管 ， 已经用于一个近海钻井平台。据称 ， 这种竖井管的重量可以减轻一半 ， 从而大大降低压载本钱 ， 另外 ， 还具有很高的断裂韧性和较长的疲劳寿命。
实践证实 ，Ti-6Al-4V（Gr.5_TC4） 合金是钻井管的最佳质料 ， 作为钻井应用 ，屈服强度和疲劳强度是最主要的 ， 因此 ，两种特殊低间隙元素的Gr.5 合金适用于较量要害的动态提升装置。当使用温度凌驾75 ～ 80℃时 ， 为了避免误差侵蚀或应力侵蚀 ， 使用含钌的Gr29 合金。
最常用的部件包括海滨钻井提升装置、钻探管、锥形应力讨论（TSJ） 和钛/ 钢混淆提升装置。
钛泵、阀、讨论、紧固件、夹具和零配件等小型钛部件在石油开采平台上已经普遍使用。外洋海上石油勘探测井仪器外壳上也大宗使用了钛合金。
2.2 海港修建
钛材外貌有一层厚度不凌驾10nm的氧化膜 ， 它在侵蚀情形中很是稳固 ，对空气、海水及海洋情形具有优异的耐蚀性 ， 是现在最能顺应种种海洋情形的原质料。日本鼎力大举举行海洋开发 ， 如本洲到四国的大桥、东京湾横跨蹊径、关西机场、浮式储油基地等。日本建设省和钢铁俱乐部在大井川洋面举行的袒露试验以及运输省和钢管桩协会在波崎漂沙栈桥上的种种防腐袒露试验等的视察报告也都显示了钛是最合适的质料。钛除了具有优异的防腐性能外 ， 还具有海水情形下溶出离子少少 ， 无毒性 ， 不必担心污染情形等优点。日本还制作了一个超大型浮式海洋修建物 ， 在海水冲洗处使用了钛钢复合材 ；在东京湾横跨公路的建设中使用了钛材做桥墩的防溅躯干 ， 每个桥墩的用钛量为0.9t。已经使用或妄想中的大型浮式海洋修建有机场、港湾物流基地、体育设施等等。
2.3 沿海发电站
海水的综合使用是海洋工程中的主要项目之一 ， 沿海发电站凝汽器是使用海水量较大的装备。沿海电站用钛主要是凝汽器用钛。由于冷凝器是用海水做冷却水的 ， 而海水中含有大宗的泥砂、悬浮物质、海生物和种种侵蚀性物质 ，在海水与河水交替转变的淡盐水中的情形更为严重。古板的凝汽器是用铜合金管 ， 这种铜合金管在海水中因种种侵蚀 ， 经常遭到严重破损。钛在海水 ， 特殊是污染海水中具有优异的耐蚀性 ， 耐海水的高速冲洗侵蚀性能尤为突出。
2.4 海水淡化妆置
“水是生命之源”。现在 ， 水资源缺乏成为困扰全天下的问题。天下上约25% 的生齿没有富足的饮用水资源。天下上的陆地河流、地下水资源已远远知足不了工业生长的需要 ， 因此 ， 未来海水淡化将是人类解决淡水资源的有用的要领。
从海内外海水淡化的生长来看 ， 主要由两种要领：蒸馏法和反渗透法。前者是将海水加热使其汽化 ， 然后将蒸汽冷凝而获得淡水。后者是将海水加压 ，使其中的淡水透过一种特殊的膜而将盐分截留获得淡水。早期的海水淡化妆置使用铜合金、碳素钢等质料 ， 因这些质料不耐海水侵蚀 ， 生产效率低 ， 很快被耐海水侵蚀性能优异的钛所取代。在海水淡化中 ， 钛的主要应用是淡化妆置的加热器传热管。海水淡化妆置的主要生产国是美国和日本。到2004 年 ， 全天下已建和在建海水淡化妆置已有15000多台 ， 日产淡水约3200 万吨。日本公司为沙特制作日产淡水3 万吨的蒸馏法装置10 台 ， 用钛管3200 吨 ， 平均日产1 万吨的装置 ， 需用钛107 吨。
我国的天津、山东等地均建有或在建海水淡化妆置。如天津市海水淡化的起源妄想是到2007 年日产淡水量达50万吨 ， 到2010 年抵达70 万吨。预计天津和山东的海水淡化工程用钛量约莫是250 吨。
2.5 船舶
钛及其合金在海水及海洋气氛中耐侵蚀 ， 且比重轻、强度高、抗攻击、无磁、透声、膨胀系数小 ， 被以为是优异的船舶质料。近年来 ， 钛在船舶上的应用备受人们的关注。各国水师和船舶工业对钛在船舶上的应用研究也十分重视 ， 研制出了许多牌号的船用钛合金。钛及其合金在船舶中的应用十分普遍 ， 如船体结构件、深海视察船及潜艇耐压壳体、管道、阀、船舵、轴托架、配件、动力驱动装置中的推进器和推进器轴、热交流器、冷却器、船壳声呐导流罩等等。
钛在舰船壳体上首次应用是前苏联的α 级潜水艇。随后 ， 钛被用于人工或者无人驾驶的深海研究及深海援助潜水艇。一样平常的结构件用工业纯钛 ， 压力容器用Ti-6Al-4V 合金。据资料报道 ，船体结构用钛不但可以减轻船体自身重量 ， 增添有用载入重量 ， 并且可以镌汰维护、延伸船舶的使用寿命。铝合金、软钢等船体结构材 ， 一样平常10 年就要维护 ， 而钛材险些不需要维护修理 ， 寿命也可从一样平常的20 年左右延伸到30 ～ 40年。
日本在深海视察船用钛合金方面的研究卓有效果 ， 在“深海6500”可容纳3 名操作员的耐压仓中险些所有都使用了钛合金质料。这是三菱重工业神户造船厂长时间起劲的效果。潜艇用钛量较大 ， 如一艘下潜深度900m 的核潜艇的用钛量高达3500t。
2.6 海洋渔业
据报道 ， 日本渔业已经由捞鱼向鱼类养殖业转变 ， 狮鱼、比目鱼、鳗鱼等已实现人工养殖。在人工养殖手艺中 ，大宗使用了钛金属网和维持一定海水温度的钛管式热交流器。我国福建沿海一带地区实现了人工养殖石斑鱼 ， 所用的钛板式养殖筐对养殖石斑鱼带来了极好的效益。
2.7 海洋热能转换
海洋中蕴藏着重大的能量 ， 如潮汐能、海浪能、温差能、海流能和盐差能等等。随着天下能源的日益紧缺 ， 人们对海洋能源举行开发和使用的兴趣会更大。已研究和开发了温差发电和潮汐发电项目。温差发电的原理是使用海洋外貌温度较高的海水将氨或者氟里昂汽化来驱动涡轮机转动发电 ， 再用海洋深层的低温海水将汽化的氨或者氟里昂冷却 ， 组成一个一直循环的热机系统。
温差发电的主要装备是蒸发器、凝缩器及海水吸管、环路等 ， 要求装备不但要耐侵蚀 ， 并且还要耐氨和氟的侵蚀 ， 钛及其合金不但具有优异的耐海水侵蚀性能 ， 并且还耐氨和氟的侵蚀 ， 以是钛是最理想的质料。
美国、日本的温差发电站上都使用了钛管式蒸发器和凝缩器 ， 取得了优异的效果。
㈢、远景展望
海洋工程作为新兴的钛的民用市场 ， 近年来生长很快。随着天下能源� ；慕徊郊泳� ， 天下各国将投入大宗的人力和物力开采海底石油资源和其它矿物资源 ；全球性淡水日益缺乏的趋势中 ， 各个沿海国家都将使用海水来制取淡水 ；况且 ， 各军事大国的水师装备竞争日益强烈等等 ， 这些都离不开钛及钛合金质料。因此 ， 钛及其合金在海洋工程上的应用会越来越普遍。预计海洋工程用钛有望成为钛材的一个较大的应用市场。
