鈦合金在海洋工程上的應(yīng)用
發(fā)布時間：2023-09-20
鈦合金在海洋工程上的應(yīng)用
占地球表面積約71% 的海洋中蘊(yùn)藏著豐富的資源， 開發(fā)海洋、利用海洋，讓海洋成為我們巨大財(cái)富的源泉， 這已成為人們多年來努力的方向之一。但是，由于海水中含有大約3.5% 的含鹽量，因此， 海水具有腐蝕性。此外， 海洋中的某些生物污染也加速了海水的腐蝕。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在海洋工程方面應(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。
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， 最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， 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支柱， 同時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。
石油鈦合金鈦鉆探管的使用壽命較長，其重量僅為不銹鋼的一半， 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間、降低鉆探總成本。
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，對空氣、海水及海洋環(huán)境具有優(yōu)異的耐蝕性， 是目前最能適應(yīng)各種海洋環(huán)境的原材料。
。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， 無毒性， 不必?fù)?dān)心污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。
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， 耐海水的高速沖刷腐蝕性能尤為突出。
“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， 將來海水淡化將是人類解決淡水資源的有效的方法。從國內(nèi)外海水淡化的發(fā)展來看， 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)國是美國和日本。到2004 年， 全世界已建和在建海水淡化裝置已有15000多臺， 日產(chǎn)淡水約3200 萬噸。日本公司為沙特建造日產(chǎn)淡水3 萬噸的蒸餾法裝置10 臺， 用鈦管3200 噸， 平均日產(chǎn)1 萬噸的裝置， 需用鈦107 噸。我國的天津、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)50萬噸， 到2010 年達(dá)到70 萬噸。預(yù)計(jì)天津和山東的海水淡化工程用鈦量大約是250 噸。
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、無磁、透聲、膨脹系數(shù)小， 被認(rèn)為是良好的船舶材料。近年來， 鈦在船舶上的應(yīng)用備受人們的關(guān)注。各國海軍和船舶工業(yè)對鈦在船舶上的應(yīng)用研究也十分重視， 研制出了許多牌號的船用鈦合金。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、動力驅(qū)動裝置中的推進(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。鈦在艦船殼體上首次應(yīng)用是前蘇聯(lián)的α 級潛水艇。隨后， 鈦被用于人工或者無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 年左右延長到30 ～ 40年。
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， 人們對海洋能源進(jìn)行開發(fā)和利用的興趣會更大。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驅(qū)動渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動發(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， 所以鈦是最理想的材料。
海洋工程作為新興的鈦的民用市場， 近年來發(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中， 各個沿海國家都將利用海水來制取淡水；況且， 各軍事大國的海軍裝備競爭日益激烈等等， 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)用會越來越廣泛。預(yù)計(jì)海洋工程用鈦有望成為鈦材的一個較大的應(yīng)用市場。本文來自百度
