鈦及合金材料在海洋中應(yīng)用的背景

眾所周知，海洋的面積占據(jù)了地球70%的面積，海洋中蘊(yùn)藏著豐富的資源，包括我們?nèi)粘Ｊ秤玫暮Ｑ篝~類，工業(yè)用油氣資源，海水潮汐交替蘊(yùn)含的能量利用，還有許多待探測(cè)的深海未知區(qū)域的生物、資源。能夠高效地利用好海洋，這將是人類的財(cái)富。但是在海洋開發(fā)探索過程中，海水的高含鹽量、生物污染、腐蝕性等問題，給地球上的我們也造成了不小困擾，鈦及鈦合金材料的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)在海洋領(lǐng)域的應(yīng)用前景凸顯出來(lái)。

鈦是一種物理性能優(yōu)良、化學(xué)性能穩(wěn)定的材料。鈦及其合金強(qiáng)度高、比重小,耐海水腐蝕和海洋氣氛腐蝕,可以很好地滿足人們?cè)诤Ｑ蠊こ谭矫鎽?yīng)用的要求。經(jīng)過鈦業(yè)界人士和海洋工程應(yīng)用研究人員多年的努力,鈦已經(jīng)在海洋油氣開發(fā)、海港建筑、沿海發(fā)電站、海水淡化、船舶、海洋漁業(yè)及海洋熱能轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)在,海洋工程用鈦已成為鈦民用應(yīng)用的主要領(lǐng)域之一。

鈦及鈦合金在海洋領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

海洋油氣開發(fā)

石油是一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)命脈。據(jù)估計(jì),世界可開采的石油資源儲(chǔ)量為3000億噸,其中海底石油儲(chǔ)量約為1300億噸。海底石油的開發(fā),開始于20世紀(jì)初。它的發(fā)展經(jīng)歷了從近海到遠(yuǎn)海、從淺海到深海的過程。受技術(shù)條件和材料發(fā)展的限制,初只能開采從海岸直接向淺海延伸的石油、天然氣礦藏。20世紀(jì)80年代以來(lái),在能源危機(jī)和技術(shù)進(jìn)步的刺激下,近海石油勘探與開發(fā)飛速發(fā)展,海洋石油開發(fā)迅速向大陸架挺進(jìn),逐漸形成了嶄新的近海石油工業(yè)部門。海上鉆井平臺(tái)是實(shí)施海底油氣勘探和開采的工作基地,它標(biāo)志著海底油氣開發(fā)技術(shù)的水平。海上石油開采設(shè)備主要包括采油平臺(tái)和附屬設(shè)備,附屬設(shè)備有原油冷卻器、升油管、泵、閥、接頭和夾具等。這些設(shè)備均與海水及原油中的硫化物、氨、氯等介質(zhì)接觸。由于鈦在這些介質(zhì)中具有優(yōu)異的耐蝕性,所以美國(guó)在上世紀(jì)70年代初就在其油田中使用了鈦制造的近海石油平臺(tái)支柱,同時(shí)用鈦制造了列管式換熱器和板式換熱器。鈦列管式換熱器利用海水作為冷卻介質(zhì),把從油井里抽出的高溫汽/油混合物冷卻。鈦板式換熱器也是利用海水作為冷卻介質(zhì),把碳鋼換熱器內(nèi)冷卻原油的淡水冷卻。美國(guó)在北海油田鉆井平臺(tái)上大約使用了100個(gè)鈦熱交換器。位于英國(guó)蘇格蘭阿伯丁的亨廷油田服務(wù)公司訂購(gòu)的鈦制部件據(jù)說(shuō)是世界上**個(gè)鈦制高壓立管式豎井,用于美國(guó)大陸石油公司(Conoco)挪威的Heidrum工程項(xiàng)目中。

石油鈦合金鈦鉆探管的使用壽命較長(zhǎng),其重量?jī)H為不銹鋼的一半,而使用靈活性卻是不銹鋼的二倍,使用壽命為鋼的10倍。這些優(yōu)異的性能使得鈦成為一種用于鉆探難度較大的近圓形、且深度深的油井的極佳材料。包含有鈦鉆探管的組合鉆具可以極大地減少鉆探時(shí)間、降低鉆探總成本。美國(guó)的GrantPrideco公司、RTI能源系統(tǒng)公司及Torch鉆探服務(wù)公司在2000年**將鈦鉆探管用于工業(yè)應(yīng)用。GrantPrideco公司和RTI能源系統(tǒng)公司共同生產(chǎn)和供應(yīng)的鈦鉆探管還配有GrantPrideco抗疲勞公司提供的鋼工具接頭。這種接頭的重量輕、使用靈活性好,且可以使鈦鉆探管堅(jiān)固結(jié)實(shí)。

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,鈦合金管系的成本與Cu-Ni系統(tǒng)相比是合算的。美國(guó)活性金屬公司與精密管技術(shù)公司合辦了一個(gè)鈦管技術(shù)公司,生產(chǎn)一種大口徑鈦合金管。這種管子所使用的合金是Ti-3Al-2.5V合金,口徑為650mm,壁厚為22～25mm,長(zhǎng)度為350m,一根管子重達(dá)80～90t,計(jì)劃用于海底石油開采。美國(guó)另一家公司利用長(zhǎng)度為15m、外徑為600mm、壁厚為25mm的無(wú)縫鈦合金管通過擠壓方法制成了近500m長(zhǎng)的豎井管,已經(jīng)用于一個(gè)近海鉆井平臺(tái)。據(jù)稱,這種豎井管的重量可以減輕一半,從而大大降低壓載成本,另外,還具有很高的斷裂韌性和較長(zhǎng)的疲勞壽命。

據(jù)資料報(bào)道,在美國(guó)北海油田開發(fā)項(xiàng)目中,船上浮體裝置和海底固定裝置的用鈦量比以前有所增加。24臺(tái)船上浮體裝置和64臺(tái)海底固定裝置對(duì)鈦材的需求量為:安全保護(hù)裝置50～100t,連接裝置50～100t,通用升降設(shè)備400～1000t,鉆桿1400～4200t。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)。

在過去幾年里,鈦合金部件在石油鉆探和海濱生產(chǎn)作業(yè)中的應(yīng)用明顯增加。鈦合金部件使得石油鉆探可以進(jìn)入更深的水域和更深的油井,包括更高的溫度和腐蝕嚴(yán)重(即多鹽)的生產(chǎn)環(huán)境。

對(duì)于這類應(yīng)用,從綜合性能來(lái)考慮,TC4鈦棒（Ti-6Al-4V）基合金是適用的,且成本低。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,鈦管系的成本與Cu-Ni系統(tǒng)相比是合算的。美國(guó)活性金屬公司與精密管技術(shù)公司合辦了一個(gè)鈦管技術(shù)公司,生產(chǎn)一種大口徑鈦合金管。這種管子所使用的合金是TA18（Ti-3Al-2.5V）合金,口徑為650mm,壁厚為22～25mm,長(zhǎng)度為350m,一根管子重達(dá)80～90t,計(jì)劃用于海底石油開采。美國(guó)另一家公司利用長(zhǎng)度為15m、外徑為600mm、壁厚為25mm的無(wú)縫鈦合金管通過擠壓方法制成了近500m長(zhǎng)的豎井管,已經(jīng)用于一個(gè)近海鉆井平臺(tái)。據(jù)稱,這種豎井管的重量可以減輕一半,從而大大降低壓載成本,另外,還具有很高的斷裂韌性和較長(zhǎng)的疲勞壽命。

實(shí)踐證明,Ti-6Al-4V(Gr.5_TC4)合金是鉆井管的佳材料,作為鉆井應(yīng)用,屈服強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度是重要的,因此,兩種特別低間隙元素的Gr.5合金適用于比較關(guān)鍵的動(dòng)態(tài)提升裝置。當(dāng)使用溫度超過75～80℃時(shí),為了防止縫隙腐蝕或應(yīng)力腐蝕,使用含釕的Gr29合金。常用的部件包括海濱鉆井提升裝置、鉆探管、錐形應(yīng)力接頭(TSJ)和鈦/鋼混合提升裝置。

鈦泵、閥、接頭、緊固件、夾具和零配件等小型鈦部件在石油開采平臺(tái)上已經(jīng)廣泛使用。國(guó)外海上石油勘探測(cè)井儀器外殼上也大量使用了鈦合金。

海港建筑

鈦材表面有一層厚度不超過10nm的氧化膜,它在腐蝕環(huán)境中非常穩(wěn)定,對(duì)空氣、海水及海洋環(huán)境具有優(yōu)異的耐蝕性,是目前能適應(yīng)各種海洋環(huán)境的原材料。日本大力進(jìn)行海洋開發(fā),如本洲到四國(guó)的大橋、東京灣橫跨道路、關(guān)西機(jī)場(chǎng)、浮式儲(chǔ)油基地等。日本建設(shè)省和鋼鐵俱樂部在大井川洋面進(jìn)行的暴露試驗(yàn)以及運(yùn)輸省和鋼管樁協(xié)會(huì)在波崎漂沙棧橋上的各種防腐暴露試驗(yàn)等的調(diào)查報(bào)告也都顯示了鈦是合適的材料。鈦除了具有優(yōu)異的防腐性能外,還具有海水環(huán)境下溶出離子極少,無(wú)毒性,不必?fù)?dān)心污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。日本還建造了一個(gè)超大型浮式海洋建筑物,在海水沖刷處使用了鈦鋼復(fù)合材;在東京灣橫跨公路的建設(shè)中使用了鈦材做橋墩的防濺軀干,每個(gè)橋墩的用鈦量為0.9t。已經(jīng)使用或計(jì)劃中的大型浮式海洋建筑有機(jī)場(chǎng)、港灣物流基地、體育設(shè)施等。

沿海發(fā)電站

海水的綜合利用是海洋工程中的重要項(xiàng)目之一,沿海發(fā)電站凝汽器是利用海水量較大的設(shè)備。沿海電站用鈦主要是凝汽器用鈦。由于冷凝器是用海水做冷卻水的,而海水中含有大量的泥砂、懸浮物質(zhì)、海生物和各種腐蝕性物質(zhì),在海水與河水交替變化的淡鹽水中的情況更為嚴(yán)重。傳統(tǒng)的凝汽器是用銅合金管,這種銅合金管在海水中因各種腐蝕,經(jīng)常遭到嚴(yán)重破壞。 鈦在海水,特別是污染海水中具有良好的耐蝕性,耐海水的高速?zèng)_刷腐蝕性能尤為突出。

海水淡化裝置

“水是生命之源”。目前,水資源缺乏成為困擾全世界的問題。世界上約25%的人口沒有充足的飲用水資源。世界上的陸地河流、地下水資源已遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了工業(yè)發(fā)展的需要,因此,將來(lái)海水淡化將是人類解決淡水資源的有效的方法。

從國(guó)內(nèi)外海水淡化的發(fā)展來(lái)看,主要由兩種方法:蒸餾法和反滲透法。前者是將海水加熱使其汽化,然后將蒸汽冷凝而獲得淡水。后者是將海水加壓,使其中的淡水透過一種特殊的膜而將鹽分截留獲得淡水。早期的海水淡化裝置使用銅合金、碳素鋼等材料,因這些材料不耐海水腐蝕,生產(chǎn)效率低,很快被耐海水腐蝕性能優(yōu)異的鈦所代替。在海水淡化中,鈦的主要應(yīng)用是淡化裝置的加熱器傳熱管。海水淡化裝置的主要生產(chǎn)國(guó)是美國(guó)和日本。到    2004年,全世界已建和在建海水淡化裝置已有15000多臺(tái),日產(chǎn)淡水約3200萬(wàn)噸。日本公司為沙特建造日產(chǎn)淡水3萬(wàn)噸的蒸餾法裝置10臺(tái),用鈦管3200噸,平均日產(chǎn)1萬(wàn)噸的裝置,需用鈦107噸。

我國(guó)的天津、山東等地均建有或在建海水淡化裝置。如天津市海水淡化的初步規(guī)劃是到2007年日產(chǎn)淡水量達(dá)50萬(wàn)噸,到2010年達(dá)到70萬(wàn)噸。預(yù)計(jì)天津和山東的海水淡化工程用鈦量大約是250噸。

船舶工業(yè)

鈦及其合金在海水及海洋氣氛中耐腐蝕,且比重輕、強(qiáng)度高、抗沖擊、無(wú)磁、透聲、膨脹系數(shù)小,被認(rèn)為是良好的船舶材料。近年來(lái),鈦在船舶上的應(yīng)用備受人們的關(guān)注。各國(guó)海軍和船舶工業(yè)對(duì)鈦在船舶上的應(yīng)用研究也十分重視,研制出了許多牌號(hào)的船用鈦合金。鈦及其合金在船舶中的應(yīng)用十分廣泛,如船體結(jié)構(gòu)件、深海調(diào)查船及潛艇耐壓殼體、管道、閥、船舵、軸托架、配件、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置中的推進(jìn)器和推進(jìn)器軸、熱交換器、冷卻器、船殼聲吶導(dǎo)流罩等等。

鈦在艦船殼體上**應(yīng)用是前蘇聯(lián)的α級(jí)潛水艇。隨后,鈦被用于人工或者無(wú)人駕駛的深海研究及深海援助潛水艇。一般的結(jié)構(gòu)件用工業(yè)純鈦,壓力容器用Ti-6Al-4V合金。據(jù)資料報(bào)道,船體結(jié)構(gòu)用鈦不但可以減輕船體自身重量,增加有效載入重量,而且可以減少維護(hù)、延長(zhǎng)船舶的使用壽命。鋁合金、軟鋼等船體結(jié)構(gòu)材,一般10年就要維護(hù),而鈦材幾乎不需要維護(hù)修理,壽命也可從一般的20年左右延長(zhǎng)到30～40年。

日本在深海調(diào)查船用鈦合金方面的研究卓有成效,在“深海6500”可容納3名操作員的耐壓倉(cāng)中幾乎全部都使用了鈦合金材料。這是三菱重工業(yè)神戶造船廠長(zhǎng)時(shí)間努力的結(jié)果。潛艇用鈦量較大,如一艘下潛深度900m的核潛艇的用鈦量高達(dá)3500t。

海洋漁業(yè)

據(jù)報(bào)道,日本漁業(yè)已經(jīng)由撈魚向魚類養(yǎng)殖業(yè)轉(zhuǎn)變,獅魚、比目魚、鰻魚等已實(shí)現(xiàn)人工養(yǎng)殖。在人工養(yǎng)殖技術(shù)中,大量使用了鈦金屬網(wǎng)和維持一定海水溫度的鈦管式熱交換器。我國(guó)福建沿海一帶地區(qū)實(shí)現(xiàn)了人工養(yǎng)殖石斑魚,所用的鈦板式養(yǎng)殖筐對(duì)養(yǎng)殖石斑魚帶來(lái)了極好的效益。

海洋熱能轉(zhuǎn)換

海洋中蘊(yùn)藏著巨大的能量,如潮汐能、波浪能、溫差能、海流能和鹽差能等等。隨著世界能源的日益緊缺,人們對(duì)海洋能源進(jìn)行開發(fā)和利用的興趣會(huì)更大。已研究和開發(fā)了溫差發(fā)電和潮汐發(fā)電項(xiàng)目。溫差發(fā)電的原理是利用海洋表面溫度較高的海水將氨或者氟里昂汽化來(lái)驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電,再用海洋深層的低溫海水將汽化的氨或者氟里昂冷卻,構(gòu)成一個(gè)不斷循環(huán)的熱機(jī)系統(tǒng)。

溫差發(fā)電的主要設(shè)備是蒸發(fā)器、凝縮器及海水吸管、環(huán)路等,要求設(shè)備不僅要耐腐蝕,而且還要耐氨和氟的腐蝕,鈦及其合金不但具有良好的耐海水腐蝕性能,而且還耐氨和氟的腐蝕,所以鈦是理想的材料。

美國(guó)、日本的溫差發(fā)電站上都使用了鈦管式蒸發(fā)器和凝縮器,取得了良好的效果。

科研海水采集

不僅民用、工業(yè)上鈦有著重要的應(yīng)用前景，在海洋科考方面，鈦也同樣有著重要應(yīng)用，對(duì)海洋不同地區(qū)和深度的海水成分等各種指標(biāo)進(jìn)行分析時(shí)，需要定點(diǎn)采集和儲(chǔ)存，采集的海水樣本儲(chǔ)存，以及各儲(chǔ)罐存儲(chǔ)環(huán)境中，所應(yīng)用到的各種金屬類材料中，海水對(duì)金屬的腐蝕性較強(qiáng)，可能腐蝕后的物質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有影響，這些金屬部件如果采用鈦材料，那么不僅不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，而且對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用壽命也有好處。

前景展望

海洋工程作為新興的鈦的民用市場(chǎng),近年來(lái)發(fā)展很快。隨著世界能源危機(jī)的進(jìn)一步加劇,世界各國(guó)將投入大量的人力和物力開采海底石油資源和其它礦物資源;全球性淡水日益缺乏的趨勢(shì)中,各個(gè)沿海國(guó)家都將利用海水來(lái)制取淡水;況且,各軍事大國(guó)的海軍裝備競(jìng)爭(zhēng)日益激烈等等,這些都離不開鈦及鈦合金材料。因此,鈦及其合金在海洋工程上的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。預(yù)計(jì)海洋工程用鈦有望成為鈦材的一個(gè)較大的應(yīng)用市場(chǎng)。