Новый морской материал: титановый сплав

2020-09-24 23:20:04 Комментариев нет Информационная группа "Титан Новости / Новости торговли

XXI век называют веком океана. Морское пространство и ресурсы не только превратились в важное поле все более острой военной и экономической конкуренции в мире, но и стали стратегическим пространством и базой для выживания людей, социального развития и устойчивого процветания прибрежных стран. В связи с этим прибрежные страны, особенно мощные военно-морские державы, берут за основу строительство морской мощи и активно развивают военно-морскую технику, средства обеспечения безопасности на море и морское инженерное оборудование, чтобы повысить способность к всеобъемлющему контролю над океаном, защите морских прав и интересов, территориальной целостности, освоению и использованию морского пространства.

Материалы для океанотехники должны обладать такими характеристиками, как высокая прочность, стойкость к гидротермальной коррозии в морской воде, стойкость к сульфидной коррозии, стойкость к микробной адгезии и высокая прочность. Титан - легкий, высокопрочный, коррозионностойкий материал, особенно невосприимчивый к соленой или морской воде и морской атмосферной среде. Он представляет собой высококачественный легкий конструкционный материал, известный как "морской металл", и является важным стратегическим металлическим материалом. Титан имеет широкий спектр применения в морской технике, особенно подходит для легкого судового оборудования. Он является одним из новых ключевых материалов в области океанотехники. Поэтому полное использование титана и титанового сплава в качестве морского материала будет способствовать развитию национальной морской стратегии.

20200924143436 28262 - Новый морской материал: титановый сплав

Применение титанового сплава в океане

Применение на судне

Применение титанового сплава в судостроении началось в 1960-х годах, примерно на 10 лет позже, чем в авиационной промышленности. Первыми исследованиями в области применения титана в судостроении занялись США, Россия, Япония и Китай.

Конструкционные материалы корпуса

По сравнению с применявшимися ранее армированными волокнами пластиками, алюминиевыми сплавами, сталью и другими материалами, титановый корпус легок, позволяет увеличить эффективную массу загрузки, имеет длительный срок службы, практически не требует обслуживания, легко удаляет приставшие к поверхности морские организмы. Например, титановые рыболовные суда, построенные Японской металлургической компанией, технологической компанией Toho и судостроительной компанией ETO, полностью изготовлены из титана. Длина скоростного катера "Titan express", изготовленного японской компанией "nissho Industrial Company", составляет около 12 м. Форма корпуса представляет собой красивую кубическую кривую, что позволяет максимально снизить парусность.

Морские насосы, клапаны, трубопроводы и другие аксессуары

Срок службы насосов, клапанов и трубопроводов на военных кораблях составляет всего 2-5 лет из-за плохих условий работы. Титан обладает отличной коррозионной стойкостью и эрозионной стойкостью, хорошим пределом текучести и низкой плотностью. Поэтому его можно использовать для изготовления тонкостенных трубопроводов малого диаметра, клапанов и других комплектующих. Это позволяет не только снизить массу, но и значительно продлить срок службы системы и повысить ее надежность. Например, плотность титановой конденсаторной трубы снижается на 1/2 по сравнению с конденсаторной трубой В30. Опыт применения труб и оборудования из титановых сплавов на военных кораблях показывает, что материалы из титановых сплавов обладают высокой надежностью по механической прочности и коррозионной стойкости к морской воде. Коррозионный ресурс труб, клапанов, насосов и других комплектующих из титановых сплавов должен быть не менее 1,2 × 105 ч, а срок службы - не менее 40 лет. Срок службы различных насосов, клапанов и труб из титанового сплава значительно выше, чем у изделий из меди или нержавеющей стали.

Силовой привод

Гребной винт и гребной вал, изготовленные из титанового сплава, позволяют повысить скорость движения и продлить срок службы. Гребные винты из титанового сплава используются на различных судах в США. Например, на судне на подводных крыльях в США использовался суперкавитационный гребной винт из титанового сплава диаметром 1500 мм с четырьмя лопастями. Титановый сплав также является прекрасным материалом для морских водометных движителей. На японском торпедном катере pt-10 применен водометный движитель из сплава Ti-6Al-4V. Диаметр вала уменьшен с 95 мм до 75 мм, а масса при условии постоянной скорости снижена на 600 кг. В энергетической установке атомного ледокола российского производства также используются титановые паровые двигатели. За счет использования титанового сплава срок службы двигателя может быть увеличен более чем в 10 раз. Кроме того, большое количество материалов из титановых сплавов используется в деталях судовых двигателей, таких как диск двигателя и лопасти ротора. Применение силового движителя из титанового сплава позволяет также преодолеть недостатки использования медного сплава для рассечения магнитной линии Земли во время плавания, что не способствует удалению магнитных мин.
В Китае исследования гребных винтов проводились в 1960-х годах. В 1972 г. был разработан гребной винт для скоростных катеров на подводных крыльях. К настоящему времени выпускаются различные гребные винты из титанового сплава диаметром 450-1100 мм. Максимальный диаметр стационарного гребного винта из титанового сплава составляет 1200 мм, а масса - 130 кг. Титановый сплав использован для замены стали АК-27 и медного сплава на торпедном катере типа 25, разработанном в Китае. Масса уменьшается на 30% - 40%, а срок службы увеличивается в несколько раз. Нет необходимости в нанесении поверхностного покрытия. Морские организмы легко чистить и обслуживать.

Теплообменник, конденсатор, охладитель, испаритель

Сайт система трубопроводов и клапаны теплообменника, конденсатора, охладителя и испарителя могут быть изготовлены из титана. Срок службы оборудования из титана без обслуживания может достигать более 100000 часов, при этом он не выделяет вредных веществ, что является экологически чистым. Однако сплав на основе меди в результате коррозии будет выделять в окружающую среду вредные ионы меди. В октябре 2016 года в Куньмине стартовал национальный ключевой проект НИОКР "Разработка и применение технологии производства недорогих и высококоррозионностойких труб из титана и титановых сплавов и высококачественных титановых лент". Руководителем проекта выступила компания Yunnan Titanium Industry Co., Ltd., дочерняя компания Kunming Iron and steel Holding Co., Ltd. В целях удовлетворения национальных стратегических потребностей в проекте используются морские нефтяные буровые платформы, опреснители морской воды, крупномасштабное судостроение и другие крупные проекты. Учитывая разрыв между Китаем и зарубежными странами в области разработки и применения труб из титана и титановых сплавов, а также соответствующие технологии производства, требующие срочного прорыва, проект реализуется в рамках НИОКР.

Акустическое устройство

В морской воде затухание световых или радиоволн значительно больше, чем звуковых. Поэтому в процессе освоения и использования океана гидролокатор широко применяется для поиска и обнаружения подводных целей кораблями и торпедами. В гидролокационном оборудовании необходимы различные акустические материалы. Среди них купол гидролокатора военного корабля и торпеды, а также корпус звукопередающего контейнера высокого давления изготавливаются из конструкционных материалов для передачи подводного звука.
В общем случае установка обтекаемого купола гидролокатора снаружи преобразователя гидролокатора имеет целью снизить гидродинамический шум, возникающий при движении судна, обеспечить эффективную и нормальную работу подводного акустического оборудования, а также увеличить рабочую дистанцию гидролокатора. Купол гидролокатора должен обладать хорошими звукопередающими характеристиками, чтобы подводный акустический сигнал проходил через него с минимальными потерями и искажениями. В соответствии с различными требованиями подводного и надводного применения, в Китае существует два вида звукопередающих характеристик купола гидролокатора для военных кораблей: один из нержавеющей стали, другой - из армированного волокнами стеклопластика. В прошлом в России также использовался стеклопластик, но позже в основном применялся титановый сплав. Из-за его хороших звукопередающих характеристик многие зарубежные крупные боевые корабли, такие как Россия современного класса, изготовлены из титанового сплава и используются в гидролокационной системе российского авианосца "Курск", "Титановая плита Минск" и "Киев".

Глубоководный погружной аппарат

В качестве крупного специального проекта в рамках китайского плана "863" разработанный 702 научно-исследовательским институтом корпорации China Shipbuilding Industry Group подводный аппарат длиной 7000 м имеет длину 8 м, высоту 3,4 м и ширину 3 м. Он изготовлен из специальных материалов - титановых сплавов. Он способен выдерживать давление в 710 тонн на глубине 7000 метров. В нем применены самые передовые в мире высокие технологии, позволяющие реализовать интеграцию требований к характеристикам и эксплуатации носителя Оболочка - самая специальная и важная часть глубоководных аппаратов. Сферическая обитаемая оболочка из титанового сплава, расположенная в передней части глубоководного аппарата, вмещает трех человек, выдерживает давление в 700 атмосфер и реализует систему жизнеобеспечения, аналогичную космическому полету.

Конденсатор

Согласно публикациям ЮНЕСКО, общий объем морской энергии в мире составляет 76,6 млрд кВт. Конденсатор является важным крупногабаритным оборудованием для береговых электростанций и атомных электростанций, а охлаждающей средой является морская вода. Традиционно используются материалы из стали и медных сплавов, однако коррозионная стойкость морской воды низкая, а срок службы короткий. В морской воде, особенно под действием загрязненной морской воды, конденсатор из медного сплава подвержен точечной коррозии, питтинговой коррозии, коррозии под напряжением и усталостной коррозии, что приводит к утечке оборудования и вызывает значительные экономические потери. Практика в стране и за рубежом доказала, что наиболее подходящим материалом для конденсатора электростанции является титан. Общая установленная мощность электростанций в мире составляет около 2 × 107 мВт. В мире насчитывается более 5000 тепловых электростанций и гидроэлектростанций. На долю титановых конденсаторов приходится 3% - 4%. На более чем 380 атомных электростанциях титановые конденсаторы составляют 30%. Титановые конденсаторы широко используются на электростанциях Европы, США и Японии. Все титановые конденсаторы используются на АЭС Taizhou Power Plant, Zhenhai Power Plant, Qinshan nuclear power station и Daya Bay nuclear power station. Титановый конденсатор, используемый на прибрежных электростанциях, имеет много преимуществ: он может использовать морскую воду в качестве охлаждающей среды на месте установки; обладает хорошей коррозионной стойкостью и длительным сроком службы; имеет высокую эффективность теплообмена и хорошую экономическую выгоду; имеет высокие показатели безопасности, сокращает время обслуживания при отключении электроэнергии, имеет низкую эффективность производства.

Атомная подводная лодка

Россия занимает лидирующее положение в мире в области создания атомных подводных лодок на основе титанового сплава, а также является первой страной, построившей напорный корпус из титанового сплава. Начиная с 1960-х годов, в России было создано четыре поколения атомных подводных лодок. Первая в мире полностью титановая атомная подводная лодка "К162" была спущена на воду в декабре 1968 года. Она находится в эксплуатации уже более 30 лет. Она побывала в различных океанах и морях, прошла различные нагрузки и экологические экспертизы. Ни разу не было ни одной аварии. Первая атомная подводная лодка класса "Альфа" была построена в 1970 году, а в 1970-1980-х годах последовательно были построены еще шесть, каждая из которых использовала около 3000 т титана, а максимальная глубина погружения составляла 914 м. Это легкие, быстроходные и обладающие хорошей маневренностью подводные лодки. Типичным примером использования титана в кораблях является российская атомная подводная лодка класса "Тайфун". Она имеет титановую оболочку. В соответствии с военными потребностями она имеет двухкорпусную конструкцию. В ее двойной оболочке используется титан массой 9000 т, благодаря чему она обладает такими преимуществами, как немагнитность, большая глубина погружения, высокая скорость, низкий уровень шума и меньшее время обслуживания.
Корпус пилотируемой глубоководной подводной лодки, изготовленный Юго-Западным исследовательским институтом (SwRI), выполнен по технологии eliti-64. Внутренний диаметр нового подводного шара составляет 2,1 м, рабочее пространство велико, в нем могут разместиться три человека, а максимальная рабочая глубина в морской воде может достигать 6500 м.

Глубоководная космическая станция

Глубоководная мобильная космическая станция, известная в океане как "Тяньгун-1", будет использоваться в основном для морских научных исследований. Начиная с 1960-х годов США и бывший Советский Союз последовательно совершенствовали систему глубоководных космических станций. В 2000 году Россия объявила о начале гражданского строительства своей глубоководной космической станции, предназначенной для разведки нефти в Северном Ледовитом океане. Китай в 1990-х годах выдвинул концепцию глубоководной космической станции, нацеленную на мирное освоение и использование морских ресурсов. Построенный испытательный аппарат глубоководной космической станции и строящаяся малая глубоководная мобильная рабочая станция разработаны Китаем самостоятельно. Создание глубоководной космической станции неразрывно связано с поддержкой ключевых материалов - титана и титановых сплавов. В "13-м пятилетнем плане" национального научно-технического инновационного плана глубоководная космическая станция "основного проекта научно-технических инноваций 2030 года" была вновь выдвинута на рассмотрение, и проект был безусловно одобрен. Основным конструкционным материалом космической станции является титановый сплав. По предварительным оценкам, на строительство основной станции потребуется более 4000 тонн сырья.

Опреснение морской воды

Опреснение морской воды стало основным способом получения пресной воды на Ближнем Востоке и в других вододефицитных регионах. Среди производственных методов опреснения морской воды наиболее надежным и широко используемым является многоступенчатое выпаривание. Оборудование этого метода состоит в основном из подогрева морской воды, конденсатора теплоутилизационной части, конденсатора теплоотдающей части, вентиляционного конденсатора и струйного компрессора. В теплообменной части используется большое количество теплообменных трубок. Первоначально труба из медного сплава В настоящее время на смену титановой трубе пришла титановая труба, так как она не подвержена коррозии.
Испаритель опреснительной установки контактирует с высокотемпературной морской водой, и после испарения соленость повышается. Титановый сплав устойчив к высокотемпературной ионной коррозии и может широко применяться в испарителе установки опреснения морской воды. Кроме того, титан обладает сильной коррозионной стойкостью к хлору, поэтому он является предпочтительным материалом для теплообменника оборудования для опреснения морской воды. В связи с бурным развитием нефтехимической промышленности и электроэнергетики в прибрежных районах использование морской воды вместо пресной в качестве охлаждающей среды в промышленности позволяет сэкономить большое количество ресурсов пресной воды и получить значительные экономические и социальные выгоды. Однако из-за сильной коррозии морской воды, когда в качестве охлаждающей среды используется обычная углеродистая или нержавеющая сталь, морская вода вызывает серьезную коррозию трубного пучка, значительно сокращая срок службы теплообменника, не только увеличивая количество замен оборудования, но и вызывая слишком частые остановки аппарата из-за выхода оборудования из строя, что снижает экономическую выгоду. В общем случае для решения этой проблемы необходимо модернизировать материал трубки, в качестве которого обычно используется титановая трубка.
При выборе титанового материала наиболее широко используется промышленный чистый титан ASTM марки 2. Дело в том, что марки 1 и 2 обладают особой способностью противостоять коррозионному растрескиванию под напряжением в природной, морской воде и различных хлоридах; в то время как марки 7 или 12, 16 (ti-0,5% PD) используются для нагревателей морской воды с более высокой температурой. Они обладают более высокой коррозионной стойкостью, но их стоимость дороже. Кроме того, коэффициент обрастания титанового теплообменника составляет около 0,95-0,99.
Бесшовная труба TA1 из чистого промышленного титана выбрана в качестве конденсационной трубы испарителя-флэш и теплообменной трубы нагревателя рассола. В качестве трубного листа выбран двухсторонний лист из композитной титановой стали TA1 + 16MnR + 316L. Это связано с тем, что титан легкий, коррозионностойкий и обладает высокой прочностью. Это хороший материал, устойчивый к коррозии в морской воде и обладающий высокой надежностью. Во-вторых, использование титанового композитного стального листа позволяет сократить использование титана и удовлетворить требования к его применению Низкая стоимость монтажа.
Северо-Западный институт цветных металлов и Пекинский генеральный институт цветных металлов разработали серию коррозионно-стойких титановых сплавов для морской техники, таких как Ti75, Ti31 и Ti631.

Морская буровая платформа

Титановый сплав обладает высокой прочностью, низкой плотностью, отличной коррозионной стойкостью и хорошей вязкостью, поэтому он является наилучшим выбором для изготовления оборудования морской буровой системы, такого как стояк, бурильные трубы и конусное шарнирное соединение. В большинстве случаев композитное применение титана и стали вносит большой вклад в снижение стоимости и повышение эффективности морской буровой системы.
За последние несколько лет значительно возросло применение компонентов из титановых сплавов в морских системах бурения нефтяных скважин. Титановые сплавы позволяют буровому оборудованию проникать на большие глубины и в скважины, в том числе в более горячие и коррозионные среды. Титановый сплав на основе Ti-6Al-4V обладает наилучшими физико-механическими и коррозионными свойствами, что делает его более привлекательным для применения в компонентах морских буровых установок.

Сплав Ti-6Al-4V в основном используется в системах морского бурения

(1) Помимо снижения веса, для буровых стояков в морском бурении используется титановый сплав, который обладает хорошей устойчивостью к повреждениям и легко поддается традиционному контролю. На месторождении Бэйхай впервые широко используются буровые стояки из титанового сплава в море. Хотя применение титана в стояках было очень успешным, рынок всех титановых стояков очень ограничен. По экономическим причинам будут широко применяться стояки из нержавеющей стали/титана или композитные/титановые стояки.
(2) Вращательная усталость и физический износ традиционных труба из нержавеющей стали преждевременно проявляются при бурении на небольшие расстояния (радиус кривизны менее 18 м). Поэтому американская титановая компания RTI разработала бурильную трубу из сплава 5-го класса и стандартного соединения Cr Mo стали. Такая конструкция позволяет избежать заклинивания и износа инструмента, обеспечивает его прочность и усталостную долговечность. В 1999 году десять скважин с радиусом кривизны 18 м были успешно пробурены трубами из титанового сплава с наружным диаметром 73 мм. Недавно, Бурильные трубы из титанового сплава с наружным диаметром 63,5 мм был использован для бурения нефтяных скважин с радиусом кривизны 12-15 м. Кроме того, привлекает немагнитность титанового сплава, благодаря которой на исследование нефтяных скважин не влияет магнетизм. При бурении на большие расстояния глубина бурения стальных труб составляет всего 6,1 км в вертикальном направлении и 7,1-9,1 км в горизонтальном, в то время как титановые трубы могут достигать 9,1 км в вертикальном направлении. При использовании титановых труб большого диаметра подъемная сила и крутящий момент бурового инструмента уменьшаются примерно на 30% и 30% ～ 40% соответственно, а также преодолевается ограничение гидравлического передаточного устройства.
(3) По сравнению с такими гибкими соединениями, как резиновые / медные, титановые конические соединения компактны по конструкции, легко проверяются, обладают хорошей герметичностью и могут использоваться при высокой температуре. Титановый конический шарнир имеет прочность всего 1 / 3 от стального, а его стоимость аналогична или даже ниже стоимости стали. Компания RTI разработала и изготовила напряженные соединения из сплавов марок 23 и 29, которые были установлены на буровых платформах в Мексиканском заливе и Северном море. Благодаря относительно низкой стоимости и успешным примерам применения рынок титановых шарниров демонстрирует тенденцию к постоянному росту.

Титан и титановый сплав обладают множеством преимуществ, но для применения в судовом и морском инженерном оборудовании это еще и новый материал. Для того чтобы способствовать дальнейшему развитию титана и титанового сплава в будущем, в 2016 году титан для морской техники был включен в национальный ключевой проект по разработке новых материалов, и была создана платформа для исследований, прикладных исследований и оценки материалов и технологий титанового сплава для морской техники, На двух заседаниях представители совещания вновь предложили активно развивать материалы из титановых сплавов для морской техники, чтобы вывести критерии проектирования, техническую систему, прикладные технические стандарты и спецификации морской техники, особенно титанового оборудования для судов, на национальный уровень; активно развивать технологию недорогого производства титановых сплавов, оптимизировать и совершенствовать систему титановых сплавов для морского применения в Китае, а также создать базу данных по характеристикам титановых сплавов для морского применения, которая обеспечит обширную информационную поддержку при выборе материалов из титана и титановых сплавов для морской техники.

Источник: Китай Производитель титановых трубных фитингов - Yaang Pipe Industry Co., Limited (www.steeljrv.com)

(Яанг Компания Pipe Industry является ведущим производителем и поставщиком продукции из никелевых сплавов и нержавеющей стали, включая фланцы из супердуплексной нержавеющей стали, фланцы из нержавеющей стали, фитинги для труб из нержавеющей стали, трубы из нержавеющей стали. Продукция Yaang широко используется в судостроении, атомной энергетике, морской технике, нефтяной, химической, горнодобывающей, очистке сточных вод, природном газе, сосудах под давлением и других отраслях промышленности).

Если Вы хотите получить дополнительную информацию о статье или поделиться с нами своим мнением, свяжитесь с нами по адресу sales@titaniuminfogroup.com

Обратите внимание, что Вас могут заинтересовать и другие опубликованные нами технические статьи: