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海洋用大口径钛管、钛合金管材应用和发展

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海洋用大口径钛管、钛合金管材应用和发展

近年来,我国实施了大量海洋舰艇、海洋石油钻井平台、海水淡化、人工岛礁建设等重大工程,对上述领域中大型装备使用的各类高强耐蚀金属管材的需求呈大幅增长趋势。由于金属管材需要在复杂恶劣海洋环境(强腐蚀、台风、强对流、高温、高压、生物附着)中应用,对其耐蚀性能有极高要求,钛及钛合金具有髙强韧性、无磁、低密度及优异的耐蚀性能等独特优势,成为上述领域大型装备中最为理想的材料。钛具有高强、高韧性、比强度高、质轻、无磁、耐海水腐蚀和海洋大气腐蚀等特点,钛及钛合金管道的腐蚀寿命大于12万小时,服役期限60年以上,在恶劣的海洋工况条件下,钛合金材料的全寿命是其他金属材料无法比拟的,在装备寿命结束之后可百分之百无害化回收。因此,是海洋装备的最佳选材。

1、海洋装备的特点

①海洋装备属大型金属建筑物,体形吨位大,投资费用高,破坏损失大。

②系统结构复杂、功能齐全,工况条件复杂恶劣,对可靠性要求高,建造技术难度大。

③材料延寿对保障海洋装备和结构物完整性、可靠性和安全性,促进资源保护和可持续发展具有重要的意义。

④提高海洋装备性能主要涉及提高耐腐蚀性、轻量化、高强高韧材料应用、可靠性和全寿命周期产品经济性。

2、钛合金管材的优势

  钛合金具有熔点高、密度小、强度大、耐腐蚀、超导、形状记忆和储氢等一系列重要特性,广泛应用于航空、航天、舰船、核电、医疗、化工、冶金、电子、体育休闲、建筑等领域,被人们誉为“第三金属”、“空中金属”和“海洋金属”。管材用于气态、液态介质的传输通道,是国民经济各领域的基础性产品,钛合金管材由于其本身的质轻、耐腐蚀性能好的优异特点,在航空发动机、航天飞行器、石油输送管路、化工设备、海洋环境施工及海上各种作业平台等有着广泛的应用,诸如沿海电站、海上油气开采输送、海水淡化、海洋化工生产、制碱制盐、石油精炼设备等,前景十分广阔。

  推广应用钛材料是船舶与海洋工程装备最重要的技术发展方向之一。钛合金管材已被发达国家广泛应用于船舶与海洋工程装备中,大量采用钛材,使其装备的安全可靠性能得以提高,设备体积减小,质量减轻,设备破损事故和维修保养次数明显减少,极大延长了使用寿命。

3、钛合金管材加工性能特点

  钛合金室温塑性较低,变形抗力大,但其在α+β两相区和β相区具有良好的塑性和较低的变形抗力,因此,钛合金材料的成型制造或各种型材制备(板、棒、管等)均需加热至相变点附近进行。

  由于钛合金在高温下易于与氧、氮、碳等发生化学反应且易于吸氢,导致钛合金变形性能急剧下降并影响材料的服役性能,加之钛合金导热系数低,大型坯料加热时,往往会导致截面温差大,极易导致变形过程开裂;此外,钛合金变形区温度范围较窄,且对应变速率较为敏感,一般须在较低速率下变形;同时,由于变形后冷却速度直接影响其室温平衡态组织和构件的服役性能,因此,变形过程中应保持变形温度的恒定或采取措施降低其温降的速率以使其具有足够的塑性。

  目前,国内舰船装备用钛主要包括: 潜艇的主冷凝器、钛合金鱼雷发射水缸、核动力压水堆一回路系统危急冷却器、声纳导流罩、钛合金螺旋桨、柴油机排烟管道及通海管路系统、相关管路及泵阀系统、深潜器耐压壳体及辅助系统。其中海水管路典型规格:φ308x4mm,φ285x5mm;舰船主海水配管系统:φ12.7~304.8mm。

  由于钛及钛合金的密度低、耐腐蚀、强度高,可以大大降低设备的重量,所以尽管从单价上讲,钛及钛合金会贵一些,但设备的总体重量降低后,钛及钛合金一次性投入反而不会过高于其它材料,甚至于会低于其它材料。钛及钛合金管应用前景巨大,随着高效、短流程、低成本生产技术的成熟和推广,许多铜及铜合金管应用的领域都能被钛及钛合金管替代。

随着我国海洋强国战略的逐步深化,在海工装备、海洋油气田勘探开发、舰船等领域,大口径高强高耐蚀的管材需求不断增加。大口径钛合金管的规模化生产和高效、短流程、低成本制备技术的产业化推广应用将进一步满足市场对钛及钛合金产品的低成本化需求。同时,目前钛产业集中度不高,各生产厂商应积极与国家标准的制定和设计单位、高等院校,下游用户及其他相关配套装备生产企业精诚合作建立国家级钛技术经济网络服务平台,形成合力,共同推动钛合金的市场开发。