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                  稀有金屬制品專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)廠(chǎng)家

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                  新聞動(dòng)態(tài)

                  鈦棒及鈦合金在依托海洋的行業(yè)中的應用是怎樣的?

                  所屬分類(lèi):行業(yè)新聞    發(fā)布時(shí)間: 2020-09-28    作者:
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                  鈦及合金材料在海洋中應用的背景

                  眾所周知,海洋的面積占據了地球70%的面積,海洋中蘊藏著(zhù)豐富的資源,包括我們日常食用的海洋魚(yú)類(lèi),工業(yè)用油氣資源,海水潮汐交替蘊含的能量利用,還有許多待探測的深海未知區域的生物、資源。能夠高效地利用好海洋,這將是人類(lèi)的財富。但是在海洋開(kāi)發(fā)探索過(guò)程中,海水的高含鹽量、生物污染、腐蝕性等問(wèn)題,給地球上的我們也造成了不小困擾,鈦及鈦合金材料的優(yōu)勢特點(diǎn)在海洋領(lǐng)域的應用前景凸顯出來(lái)。

                  鈦是一種物理性能優(yōu)良、化學(xué)性能穩定的材料。鈦及其合金強度高、比重小,耐海水腐蝕和海洋氣氛腐蝕,可以很好地滿(mǎn)足人們在海洋工程方面應用的要求。經(jīng)過(guò)鈦業(yè)界人士和海洋工程應用研究人員多年的努力,鈦已經(jīng)在海洋油氣開(kāi)發(fā)、海港建筑、沿海發(fā)電站、海水淡化、船舶、海洋漁業(yè)及海洋熱能轉換等領(lǐng)域取得了廣泛的應用?,F在,海洋工程用鈦已成為鈦民用應用的主要領(lǐng)域之一。


                  鈦及鈦合金在海洋領(lǐng)域的應用現狀


                  海洋油氣開(kāi)發(fā)

                  石油是一個(gè)國家的經(jīng)濟命脈。據估計,世界可開(kāi)采的石油資源儲量為3000億噸,其中海底石油儲量約為1300億噸。海底石油的開(kāi)發(fā),開(kāi)始于20世紀初。它的發(fā)展經(jīng)歷了從近海到遠海、從淺海到深海的過(guò)程。受技術(shù)條件和材料發(fā)展的限制,初只能開(kāi)采從海岸直接向淺海延伸的石油、天然氣礦藏。20世紀80年代以來(lái),在能源危機和技術(shù)進(jìn)步的刺激下,近海石油勘探與開(kāi)發(fā)飛速發(fā)展,海洋石油開(kāi)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(mén)。海上鉆井平臺是實(shí)施海底油氣勘探和開(kāi)采的工作基地,它標志著(zhù)海底油氣開(kāi)發(fā)技術(shù)的水平。海上石油開(kāi)采設備主要包括采油平臺和附屬設備,附屬設備有原油冷卻器、升油管、泵、閥、接頭和夾具等。這些設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(shí)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),把碳鋼換熱器內冷卻原油的淡水冷卻。美國在北海油田鉆井平臺上大約使用了100個(gè)鈦熱交換器。位于英國蘇格蘭阿伯丁的亨廷油田服務(wù)公司訂購的鈦制部件據說(shuō)是世界上**個(gè)鈦制高壓立管式豎井,用于美國大陸石油公司(Conoco)挪威的Heidrum工程項目中。


                  石油鈦合金鈦鉆探管的使用壽命較長(cháng),其重量?jì)H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(shí)間、降低鉆探總成本。美國的GrantPrideco公司、RTI能源系統公司及Torch鉆探服務(wù)公司在2000年**將鈦鉆探管用于工業(yè)應用。GrantPrideco公司和RTI能源系統公司共同生產(chǎn)和供應的鈦鉆探管還配有GrantPrideco抗疲勞公司提供的鋼工具接頭。這種接頭的重量輕、使用靈活性好,且可以使鈦鉆探管堅固結實(shí)。


                  海水管道系統是海底石油開(kāi)采不可缺少的部分,由于鈦對海水具有很高的耐蝕性,其使用壽命為鋼系的10倍,因此,鈦合金管系的成本與Cu-Ni系統相比是合算的。美國活性金屬公司與精密管技術(shù)公司合辦了一個(gè)鈦管技術(shù)公司,生產(chǎn)一種大口徑鈦合金管。這種管子所使用的合金是Ti-3Al-2.5V合金,口徑為650mm,壁厚為22~25mm,長(cháng)度為350m,一根管子重達80~90t,計劃用于海底石油開(kāi)采。美國另一家公司利用長(cháng)度為15m、外徑為600mm、壁厚為25mm的無(wú)縫鈦合金管通過(guò)擠壓方法制成了近500m長(cháng)的豎井管,已經(jīng)用于一個(gè)近海鉆井平臺。據稱(chēng),這種豎井管的重量可以減輕一半,從而大大降低壓載成本,另外,還具有很高的斷裂韌性和較長(cháng)的疲勞壽命。


                  據資料報道,在美國北海油田開(kāi)發(fā)項目中,船上浮體裝置和海底固定裝置的用鈦量比以前有所增加。24臺船上浮體裝置和64臺海底固定裝置對鈦材的需求量為:安全保護裝置50~100t,連接裝置50~100t,通用升降設備400~1000t,鉆桿1400~4200t。海上石油開(kāi)采平臺生物污染引起的結構件腐蝕是相當嚴重的,美國一家公司在開(kāi)采平臺上使用了鈦管制成的長(cháng)套管,對平臺上的部位進(jìn)行保護。


                  在過(guò)去幾年里,鈦合金部件在石油鉆探和海濱生產(chǎn)作業(yè)中的應用明顯增加。鈦合金部件使得石油鉆探可以進(jìn)入更深的水域和更深的油井,包括更高的溫度和腐蝕嚴重(即多鹽)的生產(chǎn)環(huán)境。


                  對于這類(lèi)應用,從綜合性能來(lái)考慮,TC4鈦棒(Ti-6Al-4V)基合金是適用的,且成本低。海水管道系統是海底石油開(kāi)采不可缺少的部分,由于鈦對海水具有很高的耐蝕性,其使用壽命為鋼系的10倍,因此,鈦管系的成本與Cu-Ni系統相比是合算的。美國活性金屬公司與精密管技術(shù)公司合辦了一個(gè)鈦管技術(shù)公司,生產(chǎn)一種大口徑鈦合金管。這種管子所使用的合金是TA18(Ti-3Al-2.5V)合金,口徑為650mm,壁厚為22~25mm,長(cháng)度為350m,一根管子重達80~90t,計劃用于海底石油開(kāi)采。美國另一家公司利用長(cháng)度為15m、外徑為600mm、壁厚為25mm的無(wú)縫鈦合金管通過(guò)擠壓方法制成了近500m長(cháng)的豎井管,已經(jīng)用于一個(gè)近海鉆井平臺。據稱(chēng),這種豎井管的重量可以減輕一半,從而大大降低壓載成本,另外,還具有很高的斷裂韌性和較長(cháng)的疲勞壽命。


                  實(shí)踐證明,Ti-6Al-4V(Gr.5_TC4)合金是鉆井管的佳材料,作為鉆井應用,屈服強度和疲勞強度是重要的,因此,兩種特別低間隙元素的Gr.5合金適用于比較關(guān)鍵的動(dòng)態(tài)提升裝置。當使用溫度超過(guò)75~80℃時(shí),為了防止縫隙腐蝕或應力腐蝕,使用含釕的Gr29合金。常用的部件包括海濱鉆井提升裝置、鉆探管、錐形應力接頭(TSJ)和鈦/鋼混合提升裝置。


                  鈦泵、閥、接頭、緊固件、夾具和零配件等小型鈦部件在石油開(kāi)采平臺上已經(jīng)廣泛使用。國外海上石油勘探測井儀器外殼上也大量使用了鈦合金。


                  海港建筑

                  鈦材表面有一層厚度不超過(guò)10nm的氧化膜,它在腐蝕環(huán)境中非常穩定,對空氣、海水及海洋環(huán)境具有優(yōu)異的耐蝕性,是目前能適應各種海洋環(huán)境的原材料。日本大力進(jìn)行海洋開(kāi)發(fā),如本洲到四國的大橋、東京灣橫跨道路、關(guān)西機場(chǎng)、浮式儲油基地等。日本建設省和鋼鐵俱樂(lè )部在大井川洋面進(jìn)行的暴露試驗以及運輸省和鋼管樁協(xié)會(huì )在波崎漂沙棧橋上的各種防腐暴露試驗等的調查報告也都顯示了鈦是合適的材料。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(wú)毒性,不必擔心污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。日本還建造了一個(gè)超大型浮式海洋建筑物,在海水沖刷處使用了鈦鋼復合材;在東京灣橫跨公路的建設中使用了鈦材做橋墩的防濺軀干,每個(gè)橋墩的用鈦量為0.9t。已經(jīng)使用或計劃中的大型浮式海洋建筑有機場(chǎng)、港灣物流基地、體育設施等。


                  沿海發(fā)電站

                  海水的綜合利用是海洋工程中的重要項目之一,沿海發(fā)電站凝汽器是利用海水量較大的設備。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重。傳統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。


                  海水淡化裝置

                  “水是生命之源”。目前,水資源缺乏成為困擾全世界的問(wèn)題。世界上約25%的人口沒(méi)有充足的飲用水資源。世界上的陸地河流、地下水資源已遠遠滿(mǎn)足不了工業(yè)發(fā)展的需要,因此,將來(lái)海水淡化將是人類(lèi)解決淡水資源的有效的方法。


                  從國內外海水淡化的發(fā)展來(lái)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(guò)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(wàn)噸。日本公司為沙特建造日產(chǎn)淡水3萬(wàn)噸的蒸餾法裝置10臺,用鈦管3200噸,平均日產(chǎn)1萬(wàn)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劃是到2007年日產(chǎn)淡水量達50萬(wàn)噸,到2010年達到70萬(wàn)噸。預計天津和山東的海水淡化工程用鈦量大約是250噸。


                  船舶工業(yè)

                  鈦及其合金在海水及海洋氣氛中耐腐蝕,且比重輕、強度高、抗沖擊、無(wú)磁、透聲、膨脹系數小,被認為是良好的船舶材料。近年來(lái),鈦在船舶上的應用備受人們的關(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用十分廣泛,如船體結構件、深海調查船及潛艇耐壓殼體、管道、閥、船舵、軸托架、配件、動(dòng)力驅動(dòng)裝置中的推進(jìn)器和推進(jìn)器軸、熱交換器、冷卻器、船殼聲吶導流罩等等。


                  鈦在艦船殼體上**應用是前蘇聯(lián)的α級潛水艇。隨后,鈦被用于人工或者無(wú)人駕駛的深海研究及深海援助潛水艇。一般的結構件用工業(yè)純鈦,壓力容器用Ti-6Al-4V合金。據資料報道,船體結構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、延長(cháng)船舶的使用壽命。鋁合金、軟鋼等船體結構材,一般10年就要維護,而鈦材幾乎不需要維護修理,壽命也可從一般的20年左右延長(cháng)到30~40年。


                  日本在深海調查船用鈦合金方面的研究卓有成效,在“深海6500”可容納3名操作員的耐壓倉中幾乎全部都使用了鈦合金材料。這是三菱重工業(yè)神戶(hù)造船廠(chǎng)長(cháng)時(shí)間努力的結果。潛艇用鈦量較大,如一艘下潛深度900m的核潛艇的用鈦量高達3500t。


                  海洋漁業(yè)

                  據報道,日本漁業(yè)已經(jīng)由撈魚(yú)向魚(yú)類(lèi)養殖業(yè)轉變,獅魚(yú)、比目魚(yú)、鰻魚(yú)等已實(shí)現人工養殖。在人工養殖技術(shù)中,大量使用了鈦金屬網(wǎng)和維持一定海水溫度的鈦管式熱交換器。我國福建沿海一帶地區實(shí)現了人工養殖石斑魚(yú),所用的鈦板式養殖筐對養殖石斑魚(yú)帶來(lái)了極好的效益。


                  海洋熱能轉換

                  海洋中蘊藏著(zhù)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(zhù)世界能源的日益緊缺,人們對海洋能源進(jìn)行開(kāi)發(fā)和利用的興趣會(huì )更大。已研究和開(kāi)發(fā)了溫差發(fā)電和潮汐發(fā)電項目。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(lái)驅動(dòng)渦輪機轉動(dòng)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,構成一個(gè)不斷循環(huán)的熱機系統。


                  溫差發(fā)電的主要設備是蒸發(fā)器、凝縮器及海水吸管、環(huán)路等,要求設備不僅要耐腐蝕,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,所以鈦是理想的材料。


                  美國、日本的溫差發(fā)電站上都使用了鈦管式蒸發(fā)器和凝縮器,取得了良好的效果。


                  科研海水采集

                  不僅民用、工業(yè)上鈦有著(zhù)重要的應用前景,在海洋科考方面,鈦也同樣有著(zhù)重要應用,對海洋不同地區和深度的海水成分等各種指標進(jìn)行分析時(shí),需要定點(diǎn)采集和儲存,采集的海水樣本儲存,以及各儲罐存儲環(huán)境中,所應用到的各種金屬類(lèi)材料中,海水對金屬的腐蝕性較強,可能腐蝕后的物質(zhì)對實(shí)驗數據有影響,這些金屬部件如果采用鈦材料,那么不僅不會(huì )對實(shí)驗數據產(chǎn)生影響,而且對實(shí)驗設備的使用壽命也有好處。


                  前景展望

                  海洋工程作為新興的鈦的民用市場(chǎng),近年來(lái)發(fā)展很快。隨著(zhù)世界能源危機的進(jìn)一步加劇,世界各國將投入大量的人力和物力開(kāi)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(gè)沿海國家都將利用海水來(lái)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(kāi)鈦及鈦合金材料。因此,鈦及其合金在海洋工程上的應用會(huì )越來(lái)越廣泛。預計海洋工程用鈦有望成為鈦材的一個(gè)較大的應用市場(chǎng)。

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