TC4Ti80鈦合金材料在海洋工程領域的應用現狀和發展趨勢

海洋是人類的資源寶庫，蘊藏著豐富的生物、油氣、金屬礦產等資源。當前，許多發達國家都在加大海洋開發和管理力度，競相開發利用海洋資源。我國作為海洋大國，也應加快海洋經濟發展。開發海洋是中國經濟持續發展戰略的組成部分。我們知道，美國、日本、法國等發達國家之所以能夠成為世界海洋強國，與其在海洋工程裝備領域的領先地位有著密切的關系。

海洋工程用材料有很多特殊要求，除要求耐海水腐蝕外，還要求高性能、高功能、安全可靠性等。被譽為“海洋金屬”的鈦是一種物理性能優良、化學性能穩定、耐蝕性能優異的材料，可以很好地滿足人們在海洋工程領域應用的要求，是不可替代的海洋工程材料。

目前，鈦及鈦合金材料已用于海洋工程的各個領域，受到世界各國的普遍重視。實踐證明，鈦及鈦合金材料在海洋工程中是極有發展前景的材料。

一、海洋工程用鈦及其合金的研發

海洋工程作為鈦應用領域的一個重要市場，目前已受到各國的普遍重視，已研究了多種海洋工程用鈦及其合金(國內外研制的海洋工程用主要鈦及其合金牌號或名義成分略)。合金有的只是化學成分稍有調整和變化，如添加少量貴金屬或稀土元素，這主要是為了提高材料的耐縫隙腐蝕性能，從而進一步擴大合金在海洋工程領域的用途。

二、鈦在海洋工程領域應用的現狀

1、海洋資源勘探開發

海底蘊藏著豐富的石油、天然氣、礦物質等資源。地球埋藏的石油約30％位于海底的地殼中，儲量大約1300億t，因此，海洋資源勘探開發意義重大。在當今全球資源匱乏的情況下，開發海洋資源成為許多沿海國家的新選擇。隨著對海洋資源的勘探開發，海洋環境對材料的腐蝕問題受到越來越多的關注。海洋資源勘探開發成本高，一旦發生腐蝕，造成的損失必然很大。耐蝕性優異的鈦材已經成為海洋資源勘探開發的重要材料，應用范圍廣泛。

1.1 勘探開采平臺

一般情況下，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，取得了良好的效果。

北海石油平臺上熱交換器已采用了鈦管。由于鈦耐酸性(含硫)原油和海水的腐蝕，在油和氣的冷卻系統中也使用了鈦裝置。

在海洋平臺上用鈦管做閉式循環發動機的冷凝管和換熱管，開采平臺上的泵、閥、管件及配件等采用鈦制品后，大大減少了維修工作量，提高了開采效率。

此外，采油平臺支柱、繩索支架等裝置也可使用重量輕、耐蝕性好的鈦材制造。

1.2 提升裝置

在海洋和大陸油氣開采系統中，原油采油提升裝置的接頭設計較復雜，關鍵性的部位如采油提升管底部與采油井口之間的接頭、采油提升管的彎曲和撓曲部分、提升管等均宜采用鈦材制造。在深海鉆探中采用鈦制海底石油提升管以及采油預應力管接頭、夾具及配件等。

1.3 鉆井桿

與傳統的鋼桿比較，鈦合金桿的垂直深度可達9200米，而鋼桿的垂直深度6100米，使用鈦桿可以降低桿的提拉力30％，顯著降低扭矩30％～40％。美國RMI公司為Conoco NorwayInc．提供的鈦合金鉆井桿，巳成功應用于數十口油井，節省系統成本40％。

1.4 泵、閥及管道

海洋勘探開發工程中的泵(如深井泵和離心泵)、閥采用鈦材后大大提高了設備的使用壽命，效果良好。

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，從成本、壽命綜合考慮，使用鈦管系是經濟的。海底開采石油用的高壓油管已經采用了鈦材，目的在減輕重量、降低成本和避免破壞，取得了顯著的經濟效益。

1.5 其它

鈦在海上石油天然氣勘探和開采中的應用部位還包括滅火系統、錨定系統管道、海水管道系統、增壓管道、取樣室、泥漿鉆探助推器、水下安全閥門等。此外，鈦材還是大型浮式原油和天然氣貯存基地建設工程用首選材料。

2、海水淡化

淡水約占地球水資源的3％，目前有許多國家的飲水來自海水淡化，美國和日本在海水淡化裝置用鈦方面處于領先地位。美國哈維鋁公司在維爾京群島建設的一座海水淡化工廠，其熱導管全部采用壁厚0.7mm無縫鈦管，約24t，日處理海水能力為184萬m3。另一家美國公司在南太平洋海岸建造的大型海水淡化工廠的蒸發器和海水加熱器全部采用了鈦材，用鈦量約400t。

日本是開發鈦在海水淡化裝置應用較早的國家。日本松島碳礦株式會社建成了2650t／d海水淡化設備。該裝置的通風凝結器及噴射壓氣機的傳熱管和管板均用鈦材制造，使用后沒發生過因腐蝕導致的故障。

日本除了在本國建造海水淡化工廠外，還大力拓展海外市場，基本壟斷了中東國家海水淡化用鈦市場。所涉及的用鈦裝置主要有熱交換器、冷凝器和管路系統，所使用的材料主要為純鈦薄壁焊接鈦管。如日本一家公司為沙特阿拉伯建造日產淡水3萬t的蒸餾法海水淡化裝置10臺，用鈦管3200t。

我國天津大港電廠于1987年引進兩套日產淡水3000t的海水淡化裝置，其熱交換器中使用了016×0．6×1840mm的鈦焊接管。

山東黃島電廠也建成了一座日產淡水3000t的海水淡化裝置，10個熱交換器共用019×0．5×4220mm的鈦焊管2200支，重1.25t。3深潛器深潛器是一種可以潛入水下一定深度，完成某些特定工作的裝置，體現著一個國家的綜合技術實力，可用于軍事、科研、海洋開發、深海打撈以及救生等。目前，中國已成為世界上第五個掌握5000米以上載人深潛技術的國家。

深潛器的耐壓殼體一般均采用鈦合金制造。

美國在60年代建造而后經過改造可潛6100m的Seacliff深潛器，其耐壓殼使用了Ti一6Al一2Nb一1Ta-0.8Mo合金。法國建造的SM97耐壓殼使用了Ti一6Al一4V合金。我國制造的“蛟龍”號載人潛水器在2010年完成3759m海試后，于2011年在深度5180m的位置正式開始海底作業工作。“蛟龍”號設計深度為世界第一的7000m，工作范圍可覆蓋全球海洋區域的99．8％，其耐壓殼體也采用Ti-6Al-4V合金制造。

三、鈦在海洋工程領域應用的發展趨勢

2011年8月，中國發布了《海洋工程裝備產業創新發展戰略(20ll一2020)》，明確提出了“海洋工程裝備是開發利用海洋資源的物質和技術基礎，是中國當前加快培育和發展的戰略性新興產業”。鈦材作為海洋工程裝備重要材料，必然迎來極大的發展機遇。

1、油氣開采設備用鈦

海洋環境對海洋工程材料有很多特殊要求，高強、輕質、耐海水腐蝕的鈦材已成為未來海洋工程設備的重要材料。

我國計劃將鉆探水深由500m提升到3000m，自主開發油田水深由200多m增加到2000多m，鋪管水深由150m增加到2200m。要達到這樣的技術水平，油氣開采設備如超大型鈦

鉆桿、錐形接頭、輸油管等必然采用大量的鈦材制造。根據規劃，我國未來3～5年將建設70個左右的海上石油鉆井平臺，僅一個海上石油鉆井平臺用鈦量就可以達到1500～2000t。因此，油氣勘探與開采領域是未來鈦合金應用的一個十分巨大和有潛力的市場。

2、海水淡化裝置用鈦

海水淡化裝置使用大量鈦材。我國許多城市飲用水缺乏，需要通過海水淡化解決家庭用水問題，且工業生產及發電對海水淡化用水量也持續增長。按國家沿海城市規劃，未來海水淡化能力需求將達200～260萬t／d。因此，未來海水淡化及濱海電站市場將成為鈦應用的一個重要市場，發展空間巨大，前景廣闊。

3、海軍裝備用鈦

我國海軍裝備與發達國家相比還比較落后，為了加強我國的國防實力，國家加大了對海軍裝備的投資，許多新項目正在研制之中，如新型驅逐艦、潛艇、深海運載工具、探測器、深海空間站等，質輕、高強、耐蝕的鈦金屬被作為關鍵構件的首選材料，預計未來需求十分巨大。

4、海洋能源利用裝備用鈦

海洋能作為可再生新型能源已列入國家電力發展規劃，并在分步實施中。近海風力資源為陸地風力資源的3倍，利用近海風力發電有著很大發展空間，這必將推動鈦材在這一領域的應用。

展望

隨著世界人口的日益增長和陸地資源不斷的消耗，將來人類生存勢必越來越依賴于海洋，海洋工程產業將成為我國戰略性新興產業。我國海洋工程用裝備將朝著深水化、大型化、國產化、高端化的方向發展，這為推廣鈦及其合金在海洋工程領域的應用帶來極好的機遇。隨著我國海洋開發戰略的實施和海軍裝備建設的迅速發展，預計未來5～10年將迎來鈦合金在海洋裝備上擴大應用的重要時期。

(作者單位：寶鈦集團有限公司)

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