钛合金材料在舰船油气开发海港建筑等领域的应用前景与展望

1、引言

众所周知，海水中含有大约3.5%的含盐量，且含有各种海生物、悬浮物和腐蚀性物质。海洋工程用材料，除要求耐海洋腐蚀环境外，还要求高性能、高功能、安全可靠性、实用性等。被誉为“海洋金属”的钛是一种物理性能优良、化学性能稳定、耐蚀性优异的材料，钛的比强度高，耐海水腐蚀和海洋气氛腐蚀，又有良好的抗腐蚀疲劳性能，可以很好地满足人们在海洋工程方面

应用的要求，是其他材料不可替代的海洋工程材料，目前，海洋工程用钛已成为钛民用应用的主要领域之一。

本文对钛在海洋工程，包括海水淡化、舰船、海洋油气开发、沿海发电站、海港建筑和设施等领域应用的现状和最新进展进行了综述，并对未来发展前景进行了展望。

2、应用现状及最新进展

2.1 海水淡化装置

随着现代工业的发展，水资源缺乏成为困扰全世界的问题。世界上的陆地河流、地下水资源已远远满足不了工业发展的需要，因此，海水化将是人类解决淡水资源的有效的方法，国外一些缺水国家和地区，已利用海水淡化技术解决了缺水的困难，我国是一个水资源不足的国家，兴建海水淡化和海水利用项目势在必行，从国内外海水淡化的发展来看，主要由两种方法：蒸馏法和反渗透法。前者是将海水加热使其汽化，然后将蒸汽冷凝而获得淡水。后者是将海水加压，使其中的淡水透过一种特殊的膜而将盐分截留获得淡水，钛在海水淡化装置中的主要应用包括加热器导热管、冷凝器、蒸馏器、换热器、蒸发器，泵，阀和管线等。

早期的海水淡化装置管使用铝合金、铜镍合金、碳素钢等材料，因这些材料在海水中的耐蚀性差，生产效率低，很快被耐海水腐蚀性能优异且免于维护的钛所代替。如国外一家公司海水淡化装置的加热器导热管，最先采用铜合金制造，后因腐蚀故障，最后将全部导热管换成了钛管。虽然钛管的单位质量价格比制合金贵，但从性价比上考虑，钛管价格可与铜合金管抗衡。由于钛的密度低，壁厚相同时，同等长度的钛管质量只是钢合金管的50%，当钛管壁厚为铜合金管的50%时，相同传热面积的钛管质量仅为铜合金管的1/4。

日本研究开发了连续生产热轧和冷轧钛带卷的技术，建立了海水淡化和电结冷凝器钛薄壁焊管用的带卷的批量生产体系，相应开发了薄壁焊管的生产技术，三菱、川崎、日立以及神户制钢等公司生产的海水淡化装置，使用了厚0.5mm-0.7mm的钛焊管。

美国和日本在海水淡化装置用钛方面处于领先地位。日本国内海水淡化和电站用钛占钛材总用量的20%左右，日本公司为沙特建造日产淡水3万吨的蒸馏法装置10台，用钛管3200吨，平均日产1万吨的装置，需用钛107吨。日产百的海水淡化装置用钛管达6万根。据预测，未来30年，全世界对淡化海水的需求将以年均9%的速度增长。

我国的天津、山东等地均建有或在建海水淡化装置。随着钛材成本的降低和生产工艺的进步，预计我国海水淡化用钛量会逐步增加。

2.2 舰船

钛合金用于舰船工业始于上世纪60年代，比钛在航空工业的应用大约晚了十年。规船及其某些设备部件如船体、热交换器、泵、阀、管线等长期漫抱在海水中，极易受到海水腐蚀.钛材可以解决由于腐蚀/冲蚀引起的海底管道泄露和海洋生物引起的规船故障等问题，它不但具有优异的耐海水腐蚀性能，而且可以减轻规船重量，减少维修费用，延长使用寿命，钛及其合金在靓船工业的应用十分广泛，如船体结构件、深海调查船及潜艇耐压壳体、管道、阀、船舵、轴托架，配件、动力驱动装置中的推进器和推进器轴、热交换器、冷却器、船壳声呐导流罩等等。

船体结构用钛不但可以减轻船体自身重量，增加有效载入重量，而且可以减少维护，延长船舶的使用寿命。铝合金、软钢等船体结构材，一般10年就要维护，而钛材几乎不需要维护修理，寿命也可从一般的20年左右延长到30~40年。

我国由TA5、TC4、TA7合金铸件生产的艇用雷达机座、摇摆框架、托架、齿轮箱和紧固件等装舰后使用情况良好，提高了设备的作战和海上适应能力。由Ti-31合金生产的换热器、阀门、泵、法兰等在规船制造中已获得大量应用。用钛材制造规船的管路和配件，不但可以减少管道的直径和壁厚，而且可以减轻重量。船舶的螺旋桨、轴、桅杆等部件不但受到海水的腐蚀，而且还受到冲刷、高载荷、腐蚀疲劳等，钛优异的综合性能特别适合这方面的应用。

我国舰船工业经长期应用研究，已形成船用钛合金材料技术体系，近年来，我国对舰船领域的投资开始增加，一些新项目如新型驱逐舰、潜艇等用钛量很大，这将为钛在规船领域应用带来了新的机遇和挑战。

2.3 海洋油气开发

从比重、强度和抗腐蚀能力等综合考虑，选用钛及其合金是海洋油气开发唯一明智的选择。海洋油气开采设备主要包括采油平台和附属设备，附属设备有原油冷却器、升油管、泵、阀、接头和夹具等，这些设备均与海水及原油中的硫化物、氨、氯等介质接触，由于钛在这些介质中具有优异的耐蚀性，所以美国在上世纪70年代初就在其油气开采中使用了钛制造的近海石油平台支柱，同时用钛制造了列管式换热器和板式换热器。钛列管式换热器利用海水作为冷却介质，把从油井里抽出的高温汽/油混合物冷却。钛板式换热器也是利用海水作为冷却介质，把碳钢换热器内冷却原油的淡水冷却，美国在北海油田钻井平台上大约使用了100个钛热交换器。

海水管道系统是海底石油开采不可缺少的部分，由于钛对海水具有很高的耐蚀性，其使用寿命为钢系的10倍，因此，钛管系的成本与Cu-Ni系统相比是合算的，海上石油开采平台生物污染引起的结构件腐蚀是相当严重的，美国一家公司在开采平台上使用了钛管制成的长套管，对平台上的部位进行保护。

美国大陆石油公司的Heidrun TLP工程中， 采用了钛钻井立管， 这种立管的直径约为508mm， 整个长度为12192mm， 其材质是Ti-6Al-4VELI钛合金。

英格兰的Bunt ng钛公司加工了钛输送管道， 用钛输送管道取代带有檢皮衬里的碳钢输送管道，其重量减轻80%，从而降低了支承构件的重量，也提高了耐蚀能力，海上油气开采要长期承受海水腐蚀和应力腐蚀。国外广泛采用Ti-6Al-4V合金作为石油平台支柱、绳索支架、海水循环加压系统的高压泵、提升管及联结器等。因为T-6A1-4V合金不仅耐海水腐

蚀，而且具有高韧性、高屈服强度和高疲劳极限，随着海洋油气开采工业的不断发展，油气开采逐步从近海、浅海发展到远海、深海，钛合金部件可以在高、高压和腐蚀严重(即盐和硫化氢等腐蚀介质)的环境下使用，因而，钛及其合金在海洋油气开发中的应用明显增加。

2.4 沿海发电站

海水的综合利用是海洋工程中的重要项目之一。沿海发电站一般采用海水作为冷却水，海水中的氯离子浓度比较高，且海水中存在大量的海洋生物、悬浮物质、泥砂和各种腐蚀性物质，在海水与河水交替变化的嵌盐水中的情况更为严重。国外曾出现过由干腐蚀泄露而引起的爆炸事故，传统的凝汽器是用钢合金管，这种钢合金管在海水中因各种腐蚀，经常遭到严重破坏，钛在海水，特别是污染海水中具有良好的耐蚀性，耐海水的高速冲刷腐蚀性能尤为突出。沿海发电站疑汽器是利用海水量较大的设备，用钛材后凝汽器的使用寿命延长，换热效率提高，安全性提高。

英国早在上世纪60年代就已使用了全钛凝汽器，随后日本也制造了薄壁(0.3~0.5mm)焊接钛管的凝汽器，使得成本大幅降低，由于发电站对于安全运行可靠性要求特别高，所以尤其重钛凝汽器的使用，大部分采用薄壁焊接钛管和无缝钛管，我国先后在浙江台州电厂、上海金山热电厂、浙江镇海电厂等发电厂使用了全钛斑汽器，使用效果十分理想，取得了显著的经济效益。

站冷凝器，使用了厚0.5mm的钛焊管，实践证明，钛在沿海发电站凝汽器中的使用寿命和可靠性是其美国、英国、法国、日本的沿海发电站大部分使用了钛凝汽器。日本三菱和东芝公司生产的电它材料无法相比的，尤其是在含盐份高及含有硫化物的污染海水中。迄今为止，还没有出现故障的报道。可以实现设备安全运行，不需要检修，大大减轻了劳动强度。

中国最大钛材生产企业宝鸡钛业股份有限公司生产的冷轧无缝薄壁管制作的海滨电站用冷凝器，比铜合金冷凝器的寿命提高了4~6倍，取得了显著的经济效益，至今已有超过30多个电厂的大约百台机组采用了全钛冷凝器和钛管冷凝器。

2.5 海港建筑和海洋设施

海港是海洋的大门。海港建筑和海洋设施是海洋工程的重要部分，钛材表面有一层致密的氧化膜，它在腐蚀环境中非常稳定，对空气、海水及海洋环境具有优异的耐蚀性，是目前最能适应各种海洋环境的材料，为了降低海港建筑和海洋设施的成本，一般情况下采用钛薄板和有机系防腐蚀材料制成复合包覆材料或用钛钢复合板包覆焊接到建筑物上。

日本是一个太平洋岛国，其建筑多在海洋大气环境中。日本大力进行海洋开发，如本洲到四国的大桥、东京湾横跨道路、关西机场、浮式储油基地等。日本建设省和钢铁俱乐部在大井川洋面进行的暴露试验以及运输省在波崎漂沙栈桥上的各种防腐暴露试验等的调查报告也都显示了钛是最合适的材料，钛除了具有优异的防腐性能外，还具有海水环境下溶出离子极少，无毒性，不必担心污柒环境等优点。

日本东京有明国际展览馆和日本岛樱县美术馆均使用了大量钛材，日本还建造了一个超大型浮式海洋建筑物，在海水冲刷处使用了钛钢复合材：在东京湾横跨公路的建设中使用了钛材做桥墩的防美躯干，每个桥墩的用钛量为0.9t，从长期来看，海港建筑和海洋设施用基本不需要维修保养，节省了大量的人力、物力费用，此外，钛还具有漂亮的金属质感，给人以美的享受。

3、前景展望

展望未来，海洋工程作为新兴的钛的民用市场，最近几年发展很快，在世界资源紧缺的情况下，世界许多国家都在开发海洋，利用海洋。钛优异的性能可以很好地满足人们在海洋工程方面应用的要求，因而应用领域十分广泛。预计海洋工程用钛有望成为钛材的一个较大的应用市场。

参考文献

[1]颜学柏.钛的民用开发与前景展望.钛科学与工程，第十一届全国钛及钛合金学术交流会文集：20

[2] 姚文静.UNIT I公司将为世界最大的海水淡化工程提供钛材.中国钛业， 2011， 第一期：19

[3] T.Iwata， K.Matsuoka.Fatigue Strength of CP Grade 2 Titanium Fillet Welded Joint for Ship Structure.Ti-2003Scienee and Technology Proceeding of the 10th World Conference on Titanium， Volume V： 2959

[4] 杨英丽， 苏航标等.我国规船钛合金的研究进展.中国有色金属学报， Volume 20 Special 1， 2010，10：p1003~1005

[5]宝鸡钛业股份有限公司，船用钛材推广暨技术交流会，内部资料，2003，4

[6]汪汉臣.钛-新型建筑材料.钛科学与工程，第十一届全国钛及钛合金学术交流会文集：45~46

[7]http：//www.titanium.org

[8]http：/www.titan-china.com