新型船用材料：钛合金

2020-09-24 23:20:04 没有评论钛信息组新闻 / 贸易新闻

21 世纪被称为海洋世纪。海洋空间和资源不仅成为世界军事和经济竞争日趋激烈的重要领域，而且成为沿海国家人类生存、社会发展和持续繁荣的战略空间和基地。有鉴于此，沿海国家特别是海军强国正以海权建设为核心，大力发展海军装备、海洋安全装备和海洋工程装备，以增强控制海洋、维护海洋权益和领土完整、开发利用海洋空间的综合治海能力。

海洋工程材料必须具有高强度、耐海水热液腐蚀、耐硫化物腐蚀、耐微生物附着和高韧性等特点。钛具有轻质、高强、耐腐蚀的特点，尤其对盐水或海水以及海洋大气环境具有免疫力。它是一种优质的轻质结构材料，被称为 "海洋金属"，是一种重要的战略金属材料。钛在海洋工程中有着广泛的应用，尤其适用于轻型海洋工程装备。它是海洋工程领域的新型关键材料之一。因此，充分利用海洋材料钛及钛合金将有助于国家海洋战略的发展。

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钛合金的应用海中

船上应用

钛合金在船舶工业中的应用始于 20 世纪 60 年代，比航空工业晚 10 年左右。美国、俄罗斯、日本和中国是最早从事钛合金在船舶领域应用研究的国家。

船体结构材料

与以前使用的纤维增强塑料、铝合金、钢等材料相比，钛合金船体重量轻，可增加有效载重量，使用寿命长，几乎无需维护，而且易于清除附着在船体表面的海洋生物。例如，日本钢铁公司、东邦技术公司和东陶造船公司建造的钛合金渔船都是用钛合金制造的。日本日昌工业公司制造的 "泰坦快车 "快艇长约 12 米。船体形状为优美的立方体曲线，能最大限度地减少航行阻力。

船用泵、阀门, 管道和其他配件

由于工作条件恶劣，军舰上的泵、阀门和管道的使用寿命只有 2-5 年。钛具有优异的耐腐蚀性和抗侵蚀性，屈服强度高，密度低。因此，它可以用来制作薄壁、小直径的管道、阀门和其他配件。它不仅能减轻重量，还能大大延长系统的使用寿命，提高系统的可靠性。例如，钛合金冷凝器管的密度比 B30 冷凝器管降低了 1/2。在军舰上使用钛合金管道和设备的经验表明，钛合金材料在机械强度和耐海水腐蚀方面具有很高的可靠性。钛合金管、阀、泵等附件的腐蚀寿命不低于 1.2×105h ，使用寿命不低于 40 年。钛合金制成的各种泵、阀门和管道的使用寿命远远长于铜或不锈钢产品。

动力驱动

用钛合金制成的螺旋桨和螺旋桨轴可以提高推进速度，延长使用寿命。在美国，钛合金螺旋桨已被用于各种船舶上。例如，美国的水翼船就采用了直径为 1500 毫米、四叶片的超空化钛合金螺旋桨。钛合金也是船用喷水推进设备的优良材料。日本鱼雷快艇pt-10 采用了 Ti-6Al-4V 合金喷水推进装置。在匀速条件下，轴直径从 95 毫米减小到 75 毫米，重量减轻了 600 千克。俄罗斯制造的原子破冰船的动力装置也使用钛蒸汽机。使用钛合金后，发动机的使用寿命可延长 10 倍以上。此外，钛合金材料还被大量用于船用发动机部件，如发动机盘和转子叶片。使用钛合金动力推进装置，还可以克服航行时使用铜合金切割地球磁力线，不利于清除磁性水雷的缺陷。
中国在 20 世纪 60 年代就开始了螺旋桨的研究。水翼快艇螺旋桨于 1972 年研制成功。迄今为止，已生产出直径 450-1100 毫米的各种钛合金螺旋桨。固定式钛合金螺旋桨的最大直径为 1200 毫米，质量为 130 千克。中国研制的 25 型鱼雷快艇用钛合金替代了 ak-27 钢和铜合金。重量减轻 30% - 40%，使用寿命提高数倍。无需表面涂层。海洋生物易于清洁和维护。

热交换器、冷凝器、冷却器、蒸发器

"(《世界人权宣言》) 管道系统热交换器、冷凝器、冷却器和蒸发器的阀门可由钛制成。钛制设备的免维护使用寿命可达 100000 小时以上，而且不会释放有害物质，对环境友好。然而，铜基合金会因腐蚀而向环境释放有害的铜离子。2016年10月，国家重点研发计划项目 "低成本高耐蚀钛及钛合金管道和高品质钛带制造技术开发与应用 "在昆明启动。该项目由昆明钢铁控股有限公司所属云南钛业股份有限公司牵头承担。为满足国家战略需求，该项目以海洋石油钻井平台、海水淡化、大型船舶工程等重大项目为应用背景。针对我国在钛及钛合金管材开发应用方面与国外存在的差距，以及急需突破的相关制造技术，该项目通过研发应用。

声学装置

在海水中，光波或无线电波的衰减远大于声波。因此，在开发和利用海洋的过程中，声纳被广泛应用于舰船和鱼雷对水下目标的搜索和探测。在声纳设备中，需要使用不同种类的声学材料。其中，军舰和鱼雷的声纳穹顶以及高压传声容器的外壳都是由水下传声结构材料制成的。
一般来说，在声纳换能器外安装流线型声纳穹顶的目的是降低船舶运动产生的水动力噪声，确保水下声学设备有效正常运行，提高声纳的工作距离。声纳穹顶必须具有良好的传声性能，使水下声学信号通过时损失和失真很小。根据水下和水面应用的不同要求，我国现役舰艇声纳穹顶的透声资料有两种，一种是不锈钢，另一种是纤维增强玻璃钢。过去，俄罗斯也使用过玻璃钢，但后来大多使用钛合金。由于钛合金具有良好的透声性能，国外许多大型作战舰艇，如俄罗斯现代级，都采用钛合金制造，并在俄罗斯 "库尔斯克 "号航母、"钛板明斯克 "号和 "基辅 "号航母的声纳系统中使用。

深海潜水器

作为中国 "863 "计划重大专项，中国船舶重工集团公司 702 研究所研制的 7000 米潜水器长 8 米、高 3.4 米、宽 3 米。它由特殊的钛合金材料制成。它能在 7000 米的深海中承受 710 吨的重压。壳体是深潜器最特殊、最重要的部分。钛合金载人球形壳体位于深潜器前部，可乘坐3人，能承受700个大气压，实现与航天一样的生命保障系统。

冷凝器

根据联合国教科文组织的出版物，世界海洋能源总量为 766 亿千瓦。冷凝器是沿海电站和核电站的重要大型设备，冷却介质为海水。传统上使用钢和铜合金材料，但海水耐腐蚀性差，使用寿命短。在海水中，特别是在污染海水的作用下，铜合金冷凝器容易发生点蚀、点腐蚀、应力腐蚀和疲劳腐蚀，导致设备泄漏，造成重大经济损失。国内外的实践证明，钛材料是最适合电站凝汽器的材料。全世界电站总装机容量约为 2 × 107mw。火力发电站和水力发电站超过 5000 座。钛冷凝器占 3% - 4%。在 380 多座核电站中，钛冷凝器占 30%。钛冷凝器广泛应用于欧洲、美国和日本的发电站。台州电厂、镇海电厂、秦山核电站和大亚湾核电站全部采用钛冷凝器。沿海电站使用的钛冷凝器具有诸多优点：可现场使用海水作为冷却介质；耐腐蚀性好，使用寿命长；热交换效率高，经济效益好；安全性能高，减少停电检修时间，生产效率低。

核动力潜艇

俄罗斯在钛合金核潜艇建造技术方面处于世界领先地位，也是第一个用钛合金建造压力艇体的国家。自 20 世纪 60 年代以来，俄罗斯已研制出四代核潜艇。世界上第一艘全钛核潜艇 k162 于 1968 年 12 月下水。它已服役 30 多年。它曾驶入不同的大洋和海域，经历了不同的载荷和环境评估。从未发生过任何事故。俄罗斯于 1970 年建造了第一艘 "阿尔法 "级核潜艇，20 世纪 70 年代至 80 年代又陆续建造了 6 艘，每艘核潜艇使用钛金属约 3000 吨，最大下潜深度 914 米，具有重量轻、速度快、机动性好等特点。俄罗斯 "台风 "级核潜艇是钛合金用于舰艇的典型代表。它有一个钛合金外壳。由于军事需要，它采用了双壳体结构。它的双层壳体使用了 9000t 的钛金属，使其具有无磁、深潜、速度快、噪音低、维护次数少等优点。
西南研究院（SwRI）制造的载人深海潜艇的船体由 eliti-64 制造。新型潜艇球体内径 2.1 米，工作空间大，可容纳 3 人，在海水中最大工作深度可达 6500 米。

深海空间站

深海移动空间站将主要用于海洋科学探测，被称为大洋中的 "天宫一号"。20 世纪 60 年代以来，美国和前苏联相继完善了深海空间站系统。2000 年，俄罗斯宣布民用建造深海空间站，目标是在北冰洋进行石油勘探。中国在 20 世纪 90 年代提出了深海空间站的概念，旨在和平开发利用海洋资源。已建成的深海空间站试验飞船和在建的小型深海移动工作站都是中国自主研发的。深海空间站的建立离不开钛及钛合金关键材料的支撑。在 "十三五 "国家科技创新规划中，"科技创新2030重大项目 "中的深海空间站再次被提出，并确定获批立项。空间站的主要建造材料为钛合金。据初步估算，建造一个主站将消耗 4000 多吨原材料。

海水淡化

海水淡化已成为中东和其他缺水地区获取淡水的主要途径。在海水淡化的生产方法中，多级闪蒸法是最可靠、应用最广泛的方法。这种方法的设备主要由海水加热、热回收部分的冷凝器、热输出部分的冷凝器、通风冷凝器和喷射压缩机组成。热交换部分使用了大量的换热管。原铜合金管由于钛管不耐腐蚀，它已被钛管取代。
海水淡化装置中的蒸发器与高温海水接触，蒸发后盐度升高。钛合金耐高温离子腐蚀，可广泛用于海水淡化装置的蒸发器。同时，钛具有很强的抗氯腐蚀性，是海水淡化设备热交换器的首选材料。随着沿海地区石化工业和电力工业的迅速发展，海水代替淡水作为工业冷却介质，可以节约大量淡水资源，取得显著的经济效益和社会效益。但是，由于海水的强腐蚀性，当采用普通碳钢或不锈钢作为冷却介质时，海水会对管束造成严重腐蚀，大大降低换热器的使用寿命，不仅增加了设备的更换次数，还会因设备故障导致装置停机过于频繁，从而降低经济效益。一般来说，要解决这一问题，必须对管子的材质进行升级，目前常用的是钛管。
在钛材料的选择方面，工业纯钛 ASTM 2 级的应用最为广泛。事实表明，1 级和 2 级在天然水、海水和各种氯化物中具有特殊的抗应力腐蚀开裂能力；而 7 级或 12 级、16 级（ti-0.5% PD）则用于温度较高的海水加热器，具有更高的耐腐蚀性，但成本较高。此外，钛热交换器的结垢系数约为 0.95-0.99。
闪蒸器的冷凝管和盐水加热器的热交换管选用工业纯钛的 TA1 无缝管。管板选用 TA1 + 16MnR + 316L 双面钛复合钢板。这是因为钛质轻、耐腐蚀、强度高。它是一种良好的耐海水腐蚀材料，可靠性高。其次，使用钛复合钢板可以减少钛的使用量，并能满足安装成本低的使用要求。
西北有色金属研究院和北京有色金属研究总院已开发出一系列用于海洋工程的耐腐蚀钛合金，如 Ti75、Ti31 和 ti631。

海上钻井平台

钛合金具有高强度、低密度、优异的耐腐蚀性和良好的韧性，是隔水管、钻杆和锥应力接头等海洋钻井系统设备的最佳选择。在更多情况下，钛和钢的复合应用对降低海洋钻井系统的成本和提高效率有很大的帮助。
在过去几年中，钛合金部件在海上石油钻井系统中的应用大幅增加。钛合金可使钻井设备进入更深的水域和油井，包括更热、腐蚀性更强的环境。以 Ti-6Al-4V 为基材的钛合金具有最佳的物理、机械和腐蚀性能，对海上钻井部件更具吸引力。

Ti-6Al-4V 合金主要用于海上钻探系统

(1）钛合金在海上钻井中用于钻井隔水管，除了减轻重量外，还具有良好的损伤耐受性，易于用传统技术进行检测。北海油田是首次在海上广泛使用钛合金钻井隔水管。虽然钛在立管中的应用非常成功，但全钛立管的市场非常有限。由于经济原因，不锈钢/钛或复合材料/钛立管会得到广泛应用。
(2) 传统的旋转疲劳和物理磨损不锈钢管在短距离钻进中（曲率半径小于 18 米），这种现象会过早出现。因此，美国 RTI 钛公司开发了一种由 5 级合金和标准铬钼钢接头制成的钻杆。这种设计避免了卡钻和磨损，保证了钻具的韧性和疲劳寿命。1999 年，使用外径 73 毫米的钛合金钻杆成功钻探了 10 口曲率半径为 18 米的油井。最近钛合金钻杆外径为 63.5 毫米的钛合金已用于钻探曲率半径为 12 米至 15 米的油井。此外，钛合金的无磁性也很吸引人，这使得油井勘探不受磁性影响。在长距离钻井中，钢管的垂直方向钻井深度仅为 6.1 千米，水平方向为 7.1 千米至 9.1 千米，而钛管的垂直方向钻井深度可达 9.1 千米。使用大直径钛管后，钻具的提升力和扭矩分别降低了约 30% 和 30% ～ 40%，克服了液压传动装置的限制。
(3) 与橡胶/铜等柔性接头相比，钛锥形应力接头设计紧凑，易于检查，气密性好，可在高温下使用。钛锥形应力接头的成本仅为钢材的 1/3，成本与钢材相近甚至更低。RTI 公司设计和制造的 23 级和 29 级合金应力接头已安装在墨西哥湾和北海的钻井平台上。由于成本相对较低，且有成功的应用案例，钛应力接头市场呈现出持续增长的趋势。

钛及钛合金具有诸多优点，但对于船舶及海洋工程装备的应用来说，它也是一种新型材料。为了促进钛及钛合金在未来的进一步发展，2016 年，海洋工程用钛被列入国家新材料发展重点项目，并建立了海洋工程用钛合金材料与技术研究、应用研究与评价平台、在两会上，与会代表再次提出要大力发展海洋工程用钛合金材料，推动海洋工程特别是船舶用钛装备的设计标准、技术体系、应用技术标准和规范达到国家水平；大力发展钛合金低成本生产技术，优化和完善我国船用钛合金体系，建立船用钛合金性能数据库，为海洋工程用钛及钛合金的选材提供丰富的数据支持。

来源：中国来源：中国钛管件制造商 - 雅安管业有限公司 (www.steeljrv.com)

(雅安雅鋼管業是鎳合金及不鏽鋼產品的領導製造商和供應商，產品包括超級雙相不鏽鋼法蘭、不鏽鋼法蘭、不鏽鋼管件、不鏽鋼管。雅鋼產品廣泛應用於造船、核能、海洋工程、石油、化工、礦業、污水處理、天然氣、壓力容器等行業)。

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