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，海洋中蘊藏著豐富的資源，包括我們日常食用的海洋魚類，工業用油氣資源，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，這將是人類的財富。但是在海洋開發探索過程中，海水的高含鹽量、生物污染、腐蝕性等問題，給地球上的我們也造成了不小困擾，鈦及鈦合金材料的優勢特點在海洋領域的應用前景凸顯出來。

鈦是一種物理性能優良、化學性能穩定的材料。鈦及其合金強度高、比重小,耐海水腐蝕和海洋氣氛腐蝕,可以很好地滿足人們在海洋工程方面應用的要求。經過鈦業界人士和海洋工程應用研究人員多年的努力,鈦已經在海洋油氣開發、海港建筑、沿海發電站、海水淡化、船舶、海洋漁業及海洋熱能轉換等領域取得了廣泛的應用。現在,海洋工程用鈦已成為鈦民用應用的主要領域之一。

鈦及鈦合金在海洋領域的應用現狀

海洋油氣開發

石油是一個國家的經濟命脈。據估計,世界可開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。海底石油的開發,開始于20世紀初。它的發展經歷了從近海到遠海、從淺海到深海的過程。受技術條件和材料發展的限制,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80年代以來,在能源危機和技術進步的刺激下,近海石油勘探與開發飛速發展,海洋石油開發迅速向大陸架挺進,逐漸形成了嶄新的近海石油工業部門。海上鉆井平臺是實施海底油氣勘探和開采的工作基地,它標志著海底油氣開發技術的水平。海上石油開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、氯等介質接觸。由于鈦在這些介質中具有優異的耐蝕性,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,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,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個鈦熱交換器。位于英國蘇格蘭阿伯丁的亨廷油田服務公司訂購的鈦制部件據說是世界上**個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,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。美國的GrantPrideco公司、RTI能源系統公司及Torch鉆探服務公司在2000年**將鈦鉆探管用于工業應用。GrantPrideco公司和RTI能源系統公司共同生產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。

海水管道系統是海底石油開采不可缺少的部分,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公司合辦了一個鈦管技術公司,生產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,長度為350m,一根管子重達80～90t,計劃用于海底石油開采。美國另一家公司利用長度為15m、外徑為600mm、壁厚為25mm的無縫鈦合金管通過擠壓方法制成了近500m長的豎井管,已經用于一個近海鉆井平臺。據稱,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的疲勞壽命。

據資料報道,在美國北海油田開發項目中,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,美國一家公司在開采平臺上使用了鈦管制成的長套管,對平臺上的部位進行保護。

在過去幾年里,鈦合金部件在石油鉆探和海濱生產作業中的應用明顯增加。鈦合金部件使得石油鉆探可以進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)的生產環境。

對于這類應用,從綜合性能來考慮,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公司合辦了一個鈦管技術公司,生產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,長度為350m,一根管子重達80～90t,計劃用于海底石油開采。美國另一家公司利用長度為15m、外徑為600mm、壁厚為25mm的無縫鈦合金管通過擠壓方法制成了近500m長的豎井管,已經用于一個近海鉆井平臺。據稱,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的疲勞壽命。

實踐證明,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合金適用于比較關鍵的動態提升裝置。當使用溫度超過75～80℃時,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采平臺上已經廣泛使用。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10nm的氧化膜,它在腐蝕環境中非常穩定,對空氣、海水及海洋環境具有優異的耐蝕性,是目前能適應各種海洋環境的原材料。日本大力進行海洋開發,如本洲到四國的大橋、東京灣橫跨道路、關西機場、浮式儲油基地等。日本建設省和鋼鐵俱樂部在大井川洋面進行的暴露試驗以及運輸省和鋼管樁協會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。鈦除了具有優異的防腐性能外,還具有海水環境下溶出離子極少,無毒性,不必擔心污染環境等優點。日本還建造了一個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,每個橋墩的用鈦量為0.9t。已經使用或計劃中的大型浮式海洋建筑有機場、港灣物流基地、體育設施等。

沿海發電站

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、海生物和各種腐蝕性物質,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、地下水資源已遠遠滿足不了工業發展的需要,因此,將來海水淡化將是人類解決淡水資源的有效的方法。

從國內外海水淡化的發展來看,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,生產效率低,很快被耐海水腐蝕性能優異的鈦所代替。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,日產淡水約3200萬噸。日本公司為沙特建造日產淡水3萬噸的蒸餾法裝置10臺,用鈦管3200噸,平均日產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劃是到2007年日產淡水量達50萬噸,到2010年達到70萬噸。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

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、無磁、透聲、膨脹系數小,被認為是良好的船舶材料。近年來,鈦在船舶上的應用備受人們的關注。各國海軍和船舶工業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、動力驅動裝置中的推進器和推進器軸、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。一般的結構件用工業純鈦,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。這是三菱重工業神戶造船廠長時間努力的結果。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

據報道,日本漁業已經由撈魚向魚類養殖業轉變,獅魚、比目魚、鰻魚等已實現人工養殖。在人工養殖技術中,大量使用了鈦金屬網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現了人工養殖石斑魚,所用的鈦板式養殖筐對養殖石斑魚帶來了極好的效益。

海洋熱能轉換

海洋中蘊藏著巨大的能量,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,人們對海洋能源進行開發和利用的興趣會更大。已研究和開發了溫差發電和潮汐發電項目。溫差發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動渦輪機轉動發電,再用海洋深層的低溫海水將汽化的氨或者氟里昂冷卻,構成一個不斷循環的熱機系統。

溫差發電的主要設備是蒸發器、凝縮器及海水吸管、環路等,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、日本的溫差發電站上都使用了鈦管式蒸發器和凝縮器,取得了良好的效果。

科研海水采集

不僅民用、工業上鈦有著重要的應用前景，在海洋科考方面，鈦也同樣有著重要應用，對海洋不同地區和深度的海水成分等各種指標進行分析時，需要定點采集和儲存，采集的海水樣本儲存，以及各儲罐存儲環境中，所應用到的各種金屬類材料中，海水對金屬的腐蝕性較強，可能腐蝕后的物質對實驗數據有影響，這些金屬部件如果采用鈦材料，那么不僅不會對實驗數據產生影響，而且對實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,近年來發展很快。隨著世界能源危機的進一步加劇,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用會越來越廣泛。預計海洋工程用鈦有望成為鈦材的一個較大的應用市場。