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TC4Ti80钛合金材料在海洋工程领域的应用现状和发展趋势

发布时间: 2021-08-19 16:29:02    浏览次数:

海洋是人类的资源宝库,蕴藏着丰富的生物、油气、金属矿产等资源。当前,许多发达国家都在加大海洋开发和管理力度,竞相开发利用海洋资源。我国作为海洋大国,也应加快海洋经济发展。开发海洋是中国经济持续发展战略的组成部分。我们知道,美国、日本、法国等发达国家之所以能够成为世界海洋强国,与其在海洋工程装备领域的领先地位有着密切的关系。

Ti80钛管

海洋工程用材料有很多特殊要求,除要求耐海水腐蚀外,还要求高性能、高功能、安全可靠性等。被誉为“海洋金属”的钛是一种物理性能优良、化学性能稳定、耐蚀性能优异的材料,可以很好地满足人们在海洋工程领域应用的要求,是不可替代的海洋工程材料。

目前,钛及钛合金材料已用于海洋工程的各个领域,受到世界各国的普遍重视。实践证明,钛及钛合金材料在海洋工程中是极有发展前景的材料。

一、海洋工程用钛及其合金的研发

海洋工程作为钛应用领域的一个重要市场,目前已受到各国的普遍重视,已研究了多种海洋工程用钛及其合金(国内外研制的海洋工程用主要钛及其合金牌号或名义成分略)。合金有的只是化学成分稍有调整和变化,如添加少量贵金属或稀土元素,这主要是为了提高材料的耐缝隙腐蚀性能,从而进一步扩大合金在海洋工程领域的用途。

二、钛在海洋工程领域应用的现状

1、海洋资源勘探开发

海底蕴藏着丰富的石油、天然气、矿物质等资源。地球埋藏的石油约30%位于海底的地壳中,储量大约1300亿t,因此,海洋资源勘探开发意义重大。在当今全球资源匮乏的情况下,开发海洋资源成为许多沿海国家的新选择。随着对海洋资源的勘探开发,海洋环境对材料的腐蚀问题受到越来越多的关注。海洋资源勘探开发成本高,一旦发生腐蚀,造成的损失必然很大。耐蚀性优异的钛材已经成为海洋资源勘探开发的重要材料,应用范围广泛。

1.1 勘探开采平台

一般情况下,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,取得了良好的效果。

北海石油平台上热交换器已采用了钛管。由于钛耐酸性(含硫)原油和海水的腐蚀,在油和气的冷却系统中也使用了钛装置。

在海洋平台上用钛管做闭式循环发动机的冷凝管和换热管,开采平台上的泵、阀、管件及配件等采用钛制品后,大大减少了维修工作量,提高了开采效率。

此外,采油平台支柱、绳索支架等装置也可使用重量轻、耐蚀性好的钛材制造。

1.2 提升装置

在海洋和大陆油气开采系统中,原油采油提升装置的接头设计较复杂,关键性的部位如采油提升管底部与采油井口之间的接头、采油提升管的弯曲和挠曲部分、提升管等均宜采用钛材制造。在深海钻探中采用钛制海底石油提升管以及采油预应力管接头、夹具及配件等。

1.3 钻井杆

与传统的钢杆比较,钛合金杆的垂直深度可达9200米,而钢杆的垂直深度6100米,使用钛杆可以降低杆的提拉力30%,显著降低扭矩30%~40%。美国RMI公司为Conoco NorwayInc.提供的钛合金钻井杆,巳成功应用于数十口油井,节省系统成本40%。

1.4 泵、阀及管道

海洋勘探开发工程中的泵(如深井泵和离心泵)、阀采用钛材后大大提高了设备的使用寿命,效果良好。

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,从成本、寿命综合考虑,使用钛管系是经济的。海底开采石油用的高压油管已经采用了钛材,目的在减轻重量、降低成本和避免破坏,取得了显著的经济效益。

1.5 其它

钛在海上石油天然气勘探和开采中的应用部位还包括灭火系统、锚定系统管道、海水管道系统、增压管道、取样室、泥浆钻探助推器、水下安全阀门等。此外,钛材还是大型浮式原油和天然气贮存基地建设工程用首选材料。

2、海水淡化

淡水约占地球水资源的3%,目前有许多国家的饮水来自海水淡化,美国和日本在海水淡化装置用钛方面处于领先地位。美国哈维铝公司在维尔京群岛建设的一座海水淡化工厂,其热导管全部采用壁厚0.7mm无缝钛管,约24t,日处理海水能力为184万m3。另一家美国公司在南太平洋海岸建造的大型海水淡化工厂的蒸发器和海水加热器全部采用了钛材,用钛量约400t。

日本是开发钛在海水淡化装置应用较早的国家。日本松岛碳矿株式会社建成了2650t/d海水淡化设备。该装置的通风凝结器及喷射压气机的传热管和管板均用钛材制造,使用后没发生过因腐蚀导致的故障。

日本除了在本国建造海水淡化工厂外,还大力拓展海外市场,基本垄断了中东国家海水淡化用钛市场。所涉及的用钛装置主要有热交换器、冷凝器和管路系统,所使用的材料主要为纯钛薄壁焊接钛管。如日本一家公司为沙特阿拉伯建造日产淡水3万t的蒸馏法海水淡化装置10台,用钛管3200t。

我国天津大港电厂于1987年引进两套日产淡水3000t的海水淡化装置,其热交换器中使用了016×0.6×1840mm的钛焊接管。

山东黄岛电厂也建成了一座日产淡水3000t的海水淡化装置,10个热交换器共用019×0.5×4220mm的钛焊管2200支,重1.25t。3深潜器深潜器是一种可以潜入水下一定深度,完成某些特定工作的装置,体现着一个国家的综合技术实力,可用于军事、科研、海洋开发、深海打捞以及救生等。目前,中国已成为世界上第五个掌握5000米以上载人深潜技术的国家。

深潜器的耐压壳体一般均采用钛合金制造。

美国在60年代建造而后经过改造可潜6100m的Seacliff深潜器,其耐压壳使用了Ti一6Al一2Nb一1Ta-0.8Mo合金。法国建造的SM97耐压壳使用了Ti一6Al一4V合金。我国制造的“蛟龙”号载人潜水器在2010年完成3759m海试后,于2011年在深度5180m的位置正式开始海底作业工作。“蛟龙”号设计深度为世界第一的7000m,工作范围可覆盖全球海洋区域的99.8%,其耐压壳体也采用Ti-6Al-4V合金制造。

Ti75钛锻件

三、钛在海洋工程领域应用的发展趋势

2011年8月,中国发布了《海洋工程装备产业创新发展战略(20ll一2020)》,明确提出了“海洋工程装备是开发利用海洋资源的物质和技术基础,是中国当前加快培育和发展的战略性新兴产业”。钛材作为海洋工程装备重要材料,必然迎来极大的发展机遇。

1、油气开采设备用钛

海洋环境对海洋工程材料有很多特殊要求,高强、轻质、耐海水腐蚀的钛材已成为未来海洋工程设备的重要材料。

我国计划将钻探水深由500m提升到3000m,自主开发油田水深由200多m增加到2000多m,铺管水深由150m增加到2200m。要达到这样的技术水平,油气开采设备如超大型钛

钻杆、锥形接头、输油管等必然采用大量的钛材制造。根据规划,我国未来3~5年将建设70个左右的海上石油钻井平台,仅一个海上石油钻井平台用钛量就可以达到1500~2000t。因此,油气勘探与开采领域是未来钛合金应用的一个十分巨大和有潜力的市场。

2、海水淡化装置用钛

海水淡化装置使用大量钛材。我国许多城市饮用水缺乏,需要通过海水淡化解决家庭用水问题,且工业生产及发电对海水淡化用水量也持续增长。按国家沿海城市规划,未来海水淡化能力需求将达200~260万t/d。因此,未来海水淡化及滨海电站市场将成为钛应用的一个重要市场,发展空间巨大,前景广阔。

3、海军装备用钛

我国海军装备与发达国家相比还比较落后,为了加强我国的国防实力,国家加大了对海军装备的投资,许多新项目正在研制之中,如新型驱逐舰、潜艇、深海运载工具、探测器、深海空间站等,质轻、高强、耐蚀的钛金属被作为关键构件的首选材料,预计未来需求十分巨大。

4、海洋能源利用装备用钛

海洋能作为可再生新型能源已列入国家电力发展规划,并在分步实施中。近海风力资源为陆地风力资源的3倍,利用近海风力发电有着很大发展空间,这必将推动钛材在这一领域的应用。

Ti31钛棒

展望

随着世界人口的日益增长和陆地资源不断的消耗,将来人类生存势必越来越依赖于海洋,海洋工程产业将成为我国战略性新兴产业。我国海洋工程用装备将朝着深水化、大型化、国产化、高端化的方向发展,这为推广钛及其合金在海洋工程领域的应用带来极好的机遇。随着我国海洋开发战略的实施和海军装备建设的迅速发展,预计未来5~10年将迎来钛合金在海洋装备上扩大应用的重要时期。

(作者单位:宝钛集团有限公司)

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