深海裝備耐壓結(jié)構(gòu)用鈦合金材料應(yīng)用研究
深海裝備耐壓結(jié)構(gòu)用鈦合金材料應(yīng)用研究
國內(nèi)外鈦合金深海裝備的發(fā)展現(xiàn)狀，針對深海服役環(huán)境特點(diǎn)對耐壓結(jié)構(gòu)用鈦合金材料的性能要求進(jìn)行了分 析，介紹了典型裝備耐壓結(jié)構(gòu)鈦合金材料研究應(yīng)用中出現(xiàn)的應(yīng)力腐蝕和蠕變等技術(shù)問題，提出需要針對鈦合金材料長期服役 時存在的組織演變和性能衰減、沖擊環(huán)境下的動態(tài)響應(yīng)等基礎(chǔ)科學(xué)問題開展研究，重點(diǎn)梳理工程應(yīng)用中的大規(guī)格材料、應(yīng)用 評價和高效建造等關(guān)鍵技術(shù)。文章建議針對深海領(lǐng)域鈦合金裝備的迫切需求，進(jìn)一步加大鈦合金材料基礎(chǔ)研究和工程化應(yīng)用 力度，推動創(chuàng)新應(yīng)用，踐行海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略。
深海裝備包括深海作戰(zhàn)軍事裝備、載人 / 無人潛水器、深?？臻g站與運(yùn)載平臺、水下滑翔機(jī)、救生鐘等，主要用于資源勘探開發(fā)、深海監(jiān)測和信息網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、深海“硬”對抗作戰(zhàn)、立體資源補(bǔ)給等。以深制海，是我國踐行海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略，建設(shè) “海上絲綢之路”，實(shí)現(xiàn)海軍向“近海防衛(wèi)、遠(yuǎn)海防御”戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)和保障。
深海條件下，裝備的服役工況和功能要求有很多全新特征。例如，極高海水外壓與裝備結(jié)構(gòu)應(yīng)力的疊加，導(dǎo)致耐壓結(jié)構(gòu)的受力工況惡劣，甚至接近于材料的屈服點(diǎn)，而裝備又需要長期使用和反復(fù)上浮下潛；深海條件下的氧含量降低，對材料表面鈍化存在顯著影響，加速材料的腐蝕或增大開裂傾向。這些環(huán)境特征都對耐壓結(jié)構(gòu)材料的安全可靠性設(shè)計提出了重大要求。鈦合金作為一種輕質(zhì)、耐海水腐蝕性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)材料，有望解決深海裝備普遍存在的浮力儲備不足、長期水中使用時結(jié)構(gòu)安全可靠性欠佳等問題。
鈦合金材料應(yīng)用于耐壓結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的鋼材相比，其彈性模量、制造工藝、失效形式都有所不同，目前還存在一些共性基礎(chǔ)問題有待突破。同時，在一些工程項(xiàng)目中也提出了許多制約設(shè)計、 建造和使用的關(guān)鍵技術(shù)問題。本文針對深海鈦合金裝備的發(fā)展現(xiàn)狀和存在的材料技術(shù)問題開展梳理和探討，以期促進(jìn)鈦合金材料應(yīng)用過程中的 基礎(chǔ)問題研究，通過提升材料韌性和抗蠕變性等關(guān)鍵使用性能，來推動深海裝備設(shè)計和材料技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。
近 α 鈦合金和超低間隙 α 鈦合金由于具有高的比強(qiáng)度、良好的冷熱成型能力、優(yōu)異的抗海水腐蝕性能和可焊性，應(yīng)用方面有逐漸替代船體鋼、成為大潛深潛艇耐壓殼體的主要結(jié)構(gòu)材料的趨勢。據(jù) 報道 ，蘇聯(lián)率先嘗試在潛艇耐壓殼體上大量使用鈦合金，先后建造了 K-162 號、“阿爾法”級、“麥克”級和“塞拉”級等全鈦殼體核動力潛艇。美國雖未建造全鈦殼體潛艇，但將鈦合金大量應(yīng)用在潛艇桅桿、緊固件等部件上，以減少艇身重量、 優(yōu)化性能。
鈦合金應(yīng)用于建造載人 / 無人深潛器的耐壓殼體具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，尤其是高比強(qiáng)度和抗海水腐蝕性的特性，在減輕結(jié)構(gòu)重量、降低腐蝕防護(hù)成本等方面起到極大作用。目前，許多國家開展了鈦 合金深潛器的研究和建造工作，領(lǐng)域研究進(jìn)展顯著。
能源是人類生存和發(fā)展所需的最重要資源。由于石化能源的日益消耗，尋找新的可替代能源已經(jīng)成為關(guān)注焦點(diǎn)。地球表面約 70% 的區(qū)域是海洋，海洋中蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源，因此加快勘探和開發(fā)深海資源迫在眉睫。我國也明確提出“加快建設(shè)海洋強(qiáng)國”的發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)。
海洋開發(fā)離不開海上鉆井平臺、深海探測器等重要作業(yè)裝備，這些裝備服役工況惡劣，長期承受海水腐蝕與海浪沖擊。鈦合金材料因其獨(dú)特優(yōu)勢， 有望廣泛應(yīng)用于上述裝備制造領(lǐng)域，但成本問題一 直阻礙應(yīng)用范圍的擴(kuò)展。隨著鈦合金制備技術(shù)的成熟和提升，以及低成本鈦合金的研究突破，關(guān)于成本因素的顧慮明顯降低。美國已將鈦合金大范圍應(yīng)用于近海石油平臺支柱、板式換熱器等；1991 年應(yīng)用到海洋平臺提升裝置，較好解決了海水條件下的結(jié)構(gòu)腐蝕和疲勞問題；經(jīng)過綜合評估，使用鈦合金件已經(jīng)具有良好的成本經(jīng)濟(jì)性。我國在西南油氣開采裝備研制過程中，較大數(shù)量地采用高耐 H2S+CO2 介質(zhì)腐蝕的鈦合金材料，保證耐蝕性的同時大幅減輕裝備重量，取得很好的綜合收益。
鈦及鈦合金作為優(yōu)秀的海洋工程用材料，各國對其研究與應(yīng)用十分重視，先后研制出了一系列的海洋工程用鈦合金。蘇聯(lián) / 俄羅斯和美國是最早專門從事海洋工程用鈦合金研究的國家，各自形成 了海洋工程用鈦合金體系。俄羅斯海洋工程用鈦合金研究及實(shí)際應(yīng)用水平居世界前列，擁有專門的海洋工程用鈦合金系列，形成 490 MPa、585 MPa、686 MPa、785 MPa 等一系列強(qiáng)度級別的海洋工程用鈦合金產(chǎn)品。美國于 20 世紀(jì) 60 年代開始研究海洋工程用鈦合金技術(shù)，研制出鈦合金材料系列， 建立了完整的海洋工程用鈦合金應(yīng)用考核體系。
深海裝備長期浸泡在海水中，需要承受極高的海水壓力載荷、經(jīng)受住海水腐蝕的考驗(yàn)。深海裝備因其長期服役于深海與海面之間，還需要同時承受進(jìn)港時的近岸海域以及出海時的淺海與深海等多種 類型海洋環(huán)境的考驗(yàn)，進(jìn)而對結(jié)構(gòu)的安全可靠性、 耐久性、可維修性提出更高要求。在較長的自持條件下還需考慮可能承受的超常規(guī)工況，如風(fēng)暴拍擊、 物理撞擊乃至爆炸沖擊等。因此，全海域、全海深、全天候和長時間的運(yùn)行和極端環(huán)境需求，對鈦合金 材料的性能提出了極高要求。
深海裝備的設(shè)計既要遵循結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)等基礎(chǔ)原理，還要結(jié)合工程技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，適應(yīng)當(dāng)前的工業(yè)化材料制備技術(shù)和造船工藝技術(shù)。依據(jù)深海裝備工況特征，立足材料技術(shù)體系現(xiàn)狀，鈦合金材料應(yīng)滿足如下基本要求。
（1）材料強(qiáng)度級別滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。根據(jù)設(shè)計單位的分析結(jié)果，耐壓結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度隨著下潛深度的增加需要適度提高。綜合考慮結(jié)構(gòu)制造、材料塑韌性和工藝性，材料的強(qiáng)度不宜過高，合金選材設(shè)計以近 α 型鈦合金為主。
（2）材料在海洋腐蝕環(huán)境（如海水、海洋大氣等） 下具有良好的塑韌性和抗應(yīng)力腐蝕特性，抗低周疲勞性能好，滿足裝備長期使用的安全可靠性以及特殊工況要求。
（3）材料工藝適應(yīng)性好。匹配船體及船用設(shè)備的加工特點(diǎn)，如鑄造、鍛造、冷熱成型，滿足低成本鈦合金結(jié)構(gòu)件制造工藝要求，可焊性好， 焊后一般無須熱處理強(qiáng)化。材料及工藝性能滿足艦船設(shè)備大型化需求，配套有成型、無損檢測等技術(shù)。
鈦合金材料在以載人深潛器為代表的深海裝備耐壓結(jié)構(gòu)上的成功使用，為深海領(lǐng)域的裝備選材和創(chuàng)新應(yīng)用提供了良好示范。
面對我國未來海洋強(qiáng)國建設(shè)需要更多類型鈦合金深海裝備的趨勢，我們建議：行業(yè)部門深化合作與科學(xué)分工，打牢鈦合金材料基礎(chǔ)研究，突破用于深海耐壓結(jié)構(gòu)的鈦合金材料強(qiáng)韌化、耐腐蝕等機(jī)理 機(jī)制，優(yōu)化鈦合金板材大厚度焊接等工程化技術(shù)， 建立極端工況下的鈦合金結(jié)構(gòu)考核評價體系，化解制約應(yīng)用的安全可靠性風(fēng)險。通過深海裝備頂層需求 – 總體設(shè)計 – 材料工藝等各個環(huán)節(jié)的共同 努力，為加速我國深海領(lǐng)域研究和應(yīng)用創(chuàng)新奠定堅實(shí)基礎(chǔ)。
“寶雞盛輝鈦業(yè)有限公司，主營各種規(guī)格鈦棒、鈦加工件、鈦異形件；我們鈦棒的材料選用優(yōu)良材質(zhì)，符合標(biāo)準(zhǔn)，不偷工減料；我們鈦棒的規(guī)格多樣滿足您的需求；我們鈦棒的表面光滑、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、無凹凸、耐酸、耐堿、耐腐蝕、無裂紋。我們的目標(biāo)是以優(yōu)異的產(chǎn)品、可靠的質(zhì)量、優(yōu)越的終身效能費(fèi)用比和有效的服務(wù)，滿足顧客日益增長的需要，質(zhì)量是我們的自尊心。我們的生產(chǎn)理念：質(zhì)量至上、用戶滿意、精益求精、務(wù)實(shí)創(chuàng)新。
