發(fā)布日期：2022-8-14 6:30:07
覆蓋地球表面積71％的海洋，是孕育生命的搖籃，是潛力巨大的資源寶庫，是全球進出口貿(mào)易的重要通道，也是現(xiàn)代大國的命脈所在。幾個世紀(jì)以來，人們圍繞海洋進行了一系列的探索與開發(fā)。在21世紀(jì)的今天，隨著科技、經(jīng)濟、軍事等領(lǐng)域的飛速發(fā)展與變化，為了解決能源危機，保障生存空間，大力開發(fā)海洋資源，世界各國圍繞海洋資源開發(fā)的競爭正在變得越來越激烈。在這個背景下，掌握開發(fā)海洋的技術(shù)成為各國重要的戰(zhàn)略目標(biāo)。
為了開發(fā)海洋，勢必對海洋工程裝備材料提出特殊要求。海洋環(huán)境中的工況與陸地上全然不同，海水中含有氯化物、硫酸鹽等大量鹽類，絕大部分呈離子狀態(tài)存在于海水中，對接觸到海水的裝備表面有很強的腐蝕作用。同時，裝備暴露在海面之上的部分也受到很強的海洋大氣腐蝕作用。裝備在海水中受到的壓強隨深度變化以大約10MPa／km的速度增加，因此在深海作業(yè)的工況下，設(shè)備選用的結(jié)構(gòu)材料需要具備高的強度和剛度。另外，在水流、潮汐及上浮下潛等工況下，海水對構(gòu)件產(chǎn)生明顯的往復(fù)應(yīng)力與沖擊，對于材料的疲勞性能、韌性等有很高要求。由此可見，海洋工程設(shè)備需要選用高比強度、良好耐蝕性、韌性的材料。
鈦合金密度低，比強度高，耐腐蝕性能好，與鋼鐵、銅、鋁等常用的結(jié)構(gòu)材料相比，它無磁性，無冷脆性，同時還具有優(yōu)良的耐海水沖刷腐蝕性能，具有高透聲系數(shù)及優(yōu)異的中子輻照衰減性能，是非常理想的海洋材料，可以很好地滿足海洋工程應(yīng)用要求，被譽為“海洋金屬”。鈦及鈦合金在海洋工程中開發(fā)、應(yīng)用與推廣，對提高海洋工程裝備的作業(yè)能力、安全性、可靠性、壽命等具有十分重要的意義，是建設(shè)海洋強國的重要戰(zhàn)略材料之一。
1、海洋工程鈦合金應(yīng)用現(xiàn)狀
針對海洋工程用鈦合金材料，美國、俄羅斯、英國、日本等海洋大國已經(jīng)開展了50余年的研究，形成了較成熟的海洋工程鈦合金材料體系，成功應(yīng)用于艦船、深潛器、海洋油氣開發(fā)、濱海建筑等領(lǐng)域。
1.1船舶
鈦合金在船舶上的應(yīng)用主要分為水面船只和潛艇兩大領(lǐng)域。20世紀(jì)70至80年代以來，西方發(fā)達國家陸續(xù)開始在其艦艇上大量采用鈦材替代不銹鋼及鎳基合金，在動力系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、聲吶系統(tǒng)、耐壓殼體等部件上得到廣泛的應(yīng)用。
船體及其泵、閥、管線等部件長期浸泡在海水中，極易受到海水腐蝕，使用鈦材可以減輕船體質(zhì)量，解決腐蝕問題，保障抗沖擊、疲勞性能，從而延長艦船使用壽命。用鈦代替不銹鋼或銅鎳合金，用來制造艦船動力系統(tǒng)的熱交換器、冷凝器、反應(yīng)堆殼體、推進軸、螺旋槳等，可大大提高動力系統(tǒng)的使用壽命和安全可靠性。目前美國、俄羅斯、日本等國在艦船的各種管路系統(tǒng)中已形成鈦合金化的趨勢。以美國為例，其艦船使用鈦合金的典型部件如表1所示。通過主要部件的鈦合金化，艦船減重效果顯著，維護成本明顯降低。例如兩棲船塢運輸艦(LPD17)的海水系統(tǒng)管路和閥門使用鈦合金替換了銅鎳合金后，全壽命期節(jié)省成本近1700萬美元。
限于材料成本及技術(shù)難度，目前水面船舶殼體大量采用鈦合金作為結(jié)構(gòu)材料的先例尚不普遍。在這方面，日本是較早開展研究和應(yīng)用的國家，在船體用鈦合金材料研制和加工、成型、焊接技術(shù)等方面取得了開創(chuàng)性的進展。1985年，日本東邦鈦金屬公司和藤新造船所共同建造了“摩利支天II”(MarishitenII)號全鈦游艇，船長17m，寬4m，高2.5m，質(zhì)量2.8t，開創(chuàng)了全鈦船舶的先河。1997年，日本日生公司建造了“TitanLady”號游艇，船體采用Grade2工業(yè)純鈦，船舵、舵軸及推進器等則選用Ti-6Al-4V合金。江藤造船所于1998年和1999年分別建造了兩艘全鈦船，船體構(gòu)件和框架均為鈦合金，使用鈦合金材料約3t。
盡管美軍尚未真正將鈦合金應(yīng)用于船舶殼體，但2012年，美國海軍研究處(ONR)報道其正在資助一項計劃，旨在制造出全尺寸鈦合金船體。該計劃采用一種針對鈦合金進行改進的攪拌摩擦焊，試驗中最長的焊縫已經(jīng)超過了70英尺�？梢钥吹�，隨著材料制備及加工成本進一步降低及焊接工藝的逐漸成熟，未來鈦合金將會在船體結(jié)構(gòu)中得到更廣泛的應(yīng)用。
鈦合金密度小，強度高，無磁性，是大深度潛艇耐壓殼體的理想選擇。蘇聯(lián)是世界上第一個將鈦合金大量應(yīng)用在潛艇耐壓殼體上的國家。1968年，蘇聯(lián)建造了世界上第一艘全鈦核動力潛艇K.162(北約代號“Papa”級)，排水量5200t，潛深達到400m。隨后在70—80年代蘇聯(lián)又相繼建造了包括“阿爾法(Alfa)”級、“麥克(Mik)”級、“塞拉(Sierra)”級等在內(nèi)的一系列全鈦殼體核潛艇。目前，俄羅斯仍然是唯一掌握全鈦潛艇建造技術(shù)的國家，其潛艇耐壓殼體所使用的鈦合金主要是Ti4A1-2V(IIT-3B)和Ti-2A1-2.5Zr(IIT-7M)兩種。美國雖未建造全鈦潛艇，但已經(jīng)將Ti-5AI-1V.1Sn-1Zr-0.8Mo合金應(yīng)用在潛艇桅桿厚板、管材、棒材、鑄件、鍛件和緊固件等部件上，以減少艇身質(zhì)量，優(yōu)化性能。
我國在艦船的動力系統(tǒng)、管路系統(tǒng)、聲吶系統(tǒng)中使用了鈦合金，具體部件包括鈦制抽氣器、換熱器、導(dǎo)流罩、舷側(cè)陣等。但與發(fā)達國家相比，鈦合金部件占比較少，仍以“點式”為主，且加工工藝有待進一步改進。
1.2深海探測
鈦合金由于具有比強度高、耐腐蝕的特性，被廣泛應(yīng)用于載人深潛器耐壓殼體。早期的深海潛水器，例如由美國伍茲霍爾海洋研究所制造的于1964年開始服役的“阿爾文(Alvin)”號，大多都使用高強鋼為殼體。然而鋼鐵質(zhì)量較大，極大限制了下潛深度，以2012年下潛至馬里亞納海溝底部(深10898m)的“深海挑戰(zhàn)者”號為例，為了保證浮力材料強度達到深海要求，不得不將其駕駛艙直徑減小到1.09m，僅能勉強容納一人，顯然無法勝任較復(fù)雜的科學(xué)探究工作[4]。因此，1973年，美國采用Ti-6A1-2Nb.1Ta-0.8Mo合金替代HYl00高強鋼重新制造了“阿爾文”號深海載人潛水器殼體，并且采用Ti-6Al-4V合金制作浮力球和高壓氣瓶，下潛深度達到了3658m。2010年，美軍對原“阿爾文”號進行了升級，重新制造了鈦合金耐壓艙，使得設(shè)計下潛深度達到了6500m，這一深度覆蓋了全球98％的海域。自1964年服役以來，“阿爾文”號共下潛4600多次，進行了大量的深海探測工作，已成為美國著名的文化符號之一。
1978—1981年，日本建造了“深海2000”深海載人潛水器，由4個Ti-6Al-4VELI合金的耐壓艙組成，設(shè)計下潛深度2000m，作為13本最初的深海載人潛水器，進行了大量試驗。到了90年代，13本又建造了“深海6500”號深潛器，殼體為Ti-6Al-4V材料，下潛深度達到6500in，進行了多次深海探測活動。法國的“鸚鵡螺(Nautile)”和俄羅斯的兩艘“和平(MIR)”號也是著名的6000m級深潛器。
2012年，我國載人深潛器“蛟龍”號成功進行了7000m下潛試驗，創(chuàng)造了世界同類作業(yè)型潛水器最大下潛深度紀(jì)錄。該深潛器重22.9t，耐壓殼體內(nèi)徑尺寸為2.1m，采用鈦合金制造。經(jīng)過各單位數(shù)年的合作研發(fā)，我國在深海用鈦合金的材料研制及加工工藝開發(fā)方面已經(jīng)取得了重大突破，掌握了相關(guān)鈦合金的制備、成型及焊接技術(shù)，已經(jīng)實現(xiàn)了殼體的完全自主設(shè)計、研發(fā)與制造。2017年，我國完成了4500m載人深潛器“深海勇士”號下潛試驗，目前正在進行10000in全海深載人潛水器載人艙鈦合金耐壓結(jié)構(gòu)材料及工藝的研制工作，已完成了多輪次耐壓球殼模型的建造與考核。表2列出了世界主要6000m級載人深潛器的概況。
除了作為深潛器耐壓殼體材料以外，鈦合金在深海探測領(lǐng)域還有很多應(yīng)用。例如，由中船重工七二五所研發(fā)的400MPa級鈦合金管材，已被應(yīng)用于南海永興島、美濟礁等地的地震觀測井。
1.3油氣開采
在化石燃料能源日益匱乏的今天，海洋中豐富的油氣能源成為各國加緊開發(fā)的戰(zhàn)略目標(biāo)。海上鉆井平臺是實施海底油氣田勘探和開采的工作基地，其結(jié)構(gòu)件、管件等長期受到腐蝕及疲勞載荷，環(huán)境條件苛刻。20世紀(jì)末以來，海洋石油開發(fā)逐漸形成從近海到遠海、從淺海到深海的過程，耐腐蝕、高強度的鈦合金成為海洋油氣開發(fā)的首選材料。
鈦合金比強度高，對于減輕深海裝備結(jié)構(gòu)質(zhì)量具有重要意義；鈦合金耐蝕性好，即使在嚴(yán)重污染的水體中也能保持很好的性能，抗局部腐蝕性能好，對微生物腐蝕不敏感，在氯離子溶液介質(zhì)中通�？梢缘挚箲�(yīng)力腐蝕開裂，性能良好。早在20世紀(jì)70年代初，美國就將鈦合金應(yīng)用于近海石油平臺支柱和板式換熱器。
1991年美國Conoeo公司首次將鈦合金應(yīng)用于Heidrun平臺上的提升裝置，從此鈦合金提升管開始大量應(yīng)用于石油天然氣開采行業(yè)。此外，鉆井立管接頭處承受交變循環(huán)應(yīng)力，容易產(chǎn)生疲勞，鈦制接頭具有優(yōu)異的性能和較輕的質(zhì)量。目前，鈦合金在海洋油氣田中應(yīng)用的部位主要包括換熱器、提升裝置、結(jié)構(gòu)件、緊固件等。從綜合成本考慮，使用鈦合金件具有很高的經(jīng)濟性。
近年來，我國也開始將鈦管應(yīng)用于油氣開采領(lǐng)域，例如七二五所與天津鋼管集團等單位聯(lián)合，研制出的鈦合金油井管應(yīng)用于川西地區(qū)石油開采，中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院也已成功開發(fā)出φ73mm鈦合金鉆桿，在中國海洋石油進行了下井試驗。
1.4海水淡化
海水淡化是人類解決未來淡水資源缺乏的有效方法。早期的海水淡化裝置使用鋁、銅鎳合金等材料，但這些材料耐海水腐蝕性差，維護成本高，隨著鈦合金成本的降低和焊接工藝的成熟，已經(jīng)逐漸被鈦合金所取代。目前，鈦合金被廣泛應(yīng)用于海水淡化裝置的冷凝器、蒸餾器、換熱器、泵、閥、管件等部件。
1965年，美國哈維鋁業(yè)公司在美屬維爾京群島的圣克洛伊島建立的5700t／d海水淡化廠中首次使用了鈦管件。其后，日本也開始了這方面的研究與應(yīng)用，并成為海水淡化裝置的領(lǐng)軍者之一。日本的產(chǎn)業(yè)巨頭川崎重工、三菱重工、神戶制鋼所等都有完整的冷軋鈦帶卷生產(chǎn)體系，并且有成熟的薄壁管件焊接技術(shù)。我國在山東、天津、河北等地也建立了海水淡化裝置，大量采用鈦合金管件。例如我國在山東黃島的一座3000t／d的海水淡化裝置，共用φ19mm×0.5mm×4220mm的鈦焊管2200支，重達1.25t。隨著國家對海水淡化產(chǎn)業(yè)的不斷重視，鈦合金將會得到大量應(yīng)用，創(chuàng)造出極大的市場。
2、當(dāng)前不足與展望
在國家宏觀政策的指引與各研發(fā)部門多年的努力下，我國的海洋用鈦合金已經(jīng)得到了長足的發(fā)展，形成了較為完整的體系，材料生產(chǎn)、產(chǎn)品制造工藝等已相對成熟。但是，仍然存在以下幾個問題：
(1)鈦合金基礎(chǔ)研究薄弱，對于鈦合金機理了解不充分，不能對工程應(yīng)用提供足夠的指導(dǎo)；
(2)針對海洋中的工況，數(shù)據(jù)積累較少，缺少有針對性的試驗設(shè)備與方法；
(3)目前在海洋工程中鈦合金用量少，由此導(dǎo)致應(yīng)用成本偏高；
(4)沒有形成完整的鈦合金材料評價體系，缺乏成熟的選材指導(dǎo)準(zhǔn)則；
(5)大規(guī)格鈦合金材料制備與加工工藝尚不夠成熟。
目前我國海洋用鈦合金材料占比較低，僅占2％左右，與發(fā)達國家相比有巨大的提升潛力。黨的十八大報告首次提出，提高海洋資源開發(fā)能力，發(fā)展海洋經(jīng)濟，保護海洋生態(tài)環(huán)境，堅決維護國家海洋權(quán)益，建設(shè)海洋強國。“十三五”規(guī)劃將高技術(shù)船舶材料、深海探測、大洋鉆探、海底資源開發(fā)利用等列為重點發(fā)展項目。十九大更是提出要堅持陸海統(tǒng)籌，加快建設(shè)海洋強國。由此可見，隨著鈦合金成本的降低與工藝的成熟，鈦合金在海洋工程中的應(yīng)用前景將會極其廣闊。
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