發(fā)布日期：2014-5-10 18:19:38
隨著世界人口的日益增長(zhǎng)和陸地資源不斷的消耗，開(kāi)發(fā)與應(yīng)用海洋資源已成為21世紀(jì)的主題。由于海水鹽分和微生物的腐蝕及海洋中復(fù)雜的工作條件，就要求在海洋資源開(kāi)發(fā)過(guò)程中所需要的各種裝備，必須具備耐蝕性及結(jié)構(gòu)的可靠性。鈦以其比強(qiáng)度高、耐蝕性優(yōu)異、疲勞性能好、無(wú)毒性、容易焊接等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為是天然的海洋裝備首選結(jié)構(gòu)材料。目前，鈦已經(jīng)在海洋油氣開(kāi)發(fā)、海港建筑、沿海發(fā)電站、海水淡化、船舶、海洋漁業(yè)及海洋熱能轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用。
海上油氣開(kāi)采設(shè)備主要包括采油平臺(tái)和附屬設(shè)備，附屬設(shè)備有原油冷卻器、升油管、泵、閥、接頭和夾具等。這些設(shè)備均與海水及原油中的硫化物、氨、氯等介質(zhì)接觸，由于鈦在這些介質(zhì)中具有優(yōu)異的耐蝕性，所以美國(guó)上世紀(jì)70年代初就在其油氣開(kāi)采中使用了鈦制造的近海石油平臺(tái)支柱。英格蘭的Bunting公司加工了鈦輸送管道，用鈦輸送管道取代帶有橡皮襯里的碳鋼輸送管道，其重量減輕80%，從而降低了支承構(gòu)件的重量，也提高了耐蝕能力。我國(guó)在天然氣井口為解決600~700atm的高溫H2S、CO2和水蒸汽的腐蝕，使用了Ti-6Al-4V的閥板、閥座和閥桿，長(zhǎng)期使用效果甚好。隨著海洋油氣開(kāi)采工業(yè)的不斷發(fā)展，油氣開(kāi)采逐步從近海、淺海發(fā)展到遠(yuǎn)海、深海，鈦合金部件可以在高溫、高壓和腐蝕嚴(yán)重(即鹽和硫化氫等腐蝕介質(zhì))的環(huán)境下使用，因而鈦及其合金在海洋油氣開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用明顯增加。
海港是海洋的大門，海港建筑和海洋設(shè)施是海洋工程的重要部分。鈦材表面有一層致密的氧化膜，它在腐蝕環(huán)境中非常穩(wěn)定，對(duì)空氣、海水及海洋環(huán)境具有優(yōu)異的耐蝕性，是目前最能適應(yīng)各種海洋環(huán)境的材料。為了降低海港建筑和海洋設(shè)施的成本，一般情況下采用鈦薄板和有機(jī)系防腐蝕材料制成復(fù)合包覆材料或用鈦鋼復(fù)合板包覆焊接到建筑物上。日本大力進(jìn)行海洋開(kāi)發(fā)，如本洲到四國(guó)的大橋、東京灣橫跨道路、關(guān)西機(jī)場(chǎng)、浮式儲(chǔ)油基地等。日本建設(shè)省和鋼鐵俱樂(lè)部在大井川洋面進(jìn)行的暴露試驗(yàn)以及運(yùn)輸省和鋼管樁協(xié)會(huì)在波崎漂沙棧橋上的各種防腐暴露試驗(yàn)等的調(diào)查報(bào)告，也都顯示了鈦是最合適的材料。鈦除了具有優(yōu)異的防腐性能外，還具有海水環(huán)境下溶出離子極少、無(wú)毒性、不必?fù)?dān)心污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。日本還建造了一個(gè)超大型浮式海洋建筑物，在海水沖刷處使用了鈦鋼復(fù)合材；在東京灣橫跨公路的建設(shè)中使用了鈦材做橋墩的防濺軀干，每個(gè)橋墩的用鈦量為0.9t。已經(jīng)使用或計(jì)劃中的大型浮式海洋建筑有機(jī)場(chǎng)、港灣物流基地、體育設(shè)施等等。從長(zhǎng)期來(lái)看，海港建筑和海洋設(shè)施用鈦基本不需要維修保養(yǎng)，節(jié)省了大量的人力、物力。
沿海發(fā)電站一般采用海水作為冷卻水，傳統(tǒng)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(jīng)常遭到嚴(yán)重破壞，國(guó)外曾出現(xiàn)過(guò)由于腐蝕泄漏而引起的爆炸事故。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?zèng)_刷腐蝕性能尤為突出。沿海發(fā)電站凝汽器是利用海水量較大的設(shè)備，用鈦材后凝汽器的使用壽命延長(zhǎng)，換熱效率提高，安全性提高。英國(guó)早在上世紀(jì)60年代就已使用了全鈦凝汽器，隨后日本也制造了薄壁(0.3~0.5mm)焊接鈦管的凝汽器，使得成本大幅降低。由于發(fā)電站對(duì)于安全運(yùn)行可靠性要求特別高，所以尤其重視鈦凝汽器的使用，大部分采用薄壁焊接鈦管和無(wú)縫鈦管。我國(guó)先后在浙江臺(tái)州電廠、上海金山熱電廠、浙江鎮(zhèn)海電廠等發(fā)電廠使用了全鈦凝汽器，使用效果十分理想，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
艦船及其某些設(shè)備部件如船體、熱交換器、泵、閥、管線等長(zhǎng)期浸泡在海水中，極易受到海水腐蝕。鈦材可以解決由于腐蝕/沖蝕引起的海底管道泄漏和海洋生物引起的艦船故障等問(wèn)題，它不但具有優(yōu)異的耐海水腐蝕性能，而且可以減輕艦船重量，減少維修費(fèi)用，延長(zhǎng)使用壽命，鋁合金、軟鋼等船體結(jié)構(gòu)材，一般10年就要維護(hù)，而鈦材幾乎不需要維護(hù)修理，壽命也可從一般的20年左右延長(zhǎng)到30～40年。鈦及其合金在艦船工業(yè)的應(yīng)用十分廣泛，如船體結(jié)構(gòu)件、深海調(diào)查船及潛艇耐壓殼體、管道、閥、船舵、軸托架、配件、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置中的推進(jìn)器和推進(jìn)器軸、熱交換器、冷卻器、船殼聲吶導(dǎo)流罩等。鈦在船舶上使用的典型例子是俄羅斯臺(tái)風(fēng)級(jí)核潛艇，它擁有鈦金屬制造的外殼，因軍事需要，采用雙殼結(jié)構(gòu)，其雙層外殼共用鈦9000t，使其具有了無(wú)磁性、下潛深、航速快、噪音小、維修次數(shù)少等優(yōu)點(diǎn)。艇長(zhǎng)172.8m，最大寬度23.3m，高度42.7m，水上排水量23200t，下潛排水量33800t，潛行速度為每小時(shí)50km，最大下潛深度500m，持續(xù)潛航時(shí)間達(dá)到120天。20世紀(jì)90年代中期，美海軍決定在LPD17兩棲船塢運(yùn)輸艦的2個(gè)主海水配管系統(tǒng)上使用了鈦，全壽命期節(jié)省成本可達(dá)1700萬(wàn)美元。配管系統(tǒng)的建造是在船廠現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的。該艦的關(guān)鍵部位上層建筑區(qū)也大量使用了鈦，使其質(zhì)量減輕約50%，大大提高了該艦的穩(wěn)定性。此外，LPD17艦上約1000多個(gè)管件采用不同直徑的2級(jí)純鈦管，總長(zhǎng)度達(dá)3350m以上。在深潛器耐壓殼體的應(yīng)用方面美國(guó)開(kāi)展得比較早，如Alvin科研深潛器，1973年改建時(shí)將耐壓殼體換成鈦合金(板厚49mm)，代替1964年建造時(shí)采用的HYl00高強(qiáng)鋼(板厚33．8mm)，下潛深度從2000m增加到3600m。它的輔助箱及高壓空氣容器也采用Ti-6AI-4VELI。198l和1982年建造的“海崖”號(hào)深潛器裝備了鈦的觀察艙和操縱艙，下潛深度可達(dá)6100m。
據(jù)報(bào)道，日本漁業(yè)已經(jīng)由撈魚(yú)向魚(yú)類養(yǎng)殖業(yè)轉(zhuǎn)變，獅魚(yú)、比目魚(yú)、鰻魚(yú)等已實(shí)現(xiàn)人工養(yǎng)殖。在人工養(yǎng)殖技術(shù)中，大量使用了鈦金屬網(wǎng)和維持一定海水溫度的鈦管式熱交換器。我國(guó)福建沿海一帶地區(qū)實(shí)現(xiàn)了人工養(yǎng)殖石斑魚(yú)，所用的鈦板式養(yǎng)殖筐對(duì)養(yǎng)殖石斑魚(yú)帶來(lái)了極好的效益。
溫差發(fā)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(lái)驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)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(gòu)成一個(gè)不斷循環(huán)的熱機(jī)系統(tǒng)。溫差發(fā)電的主要設(shè)備是蒸發(fā)器、凝縮器及海水吸管、環(huán)路等，要求設(shè)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，所以鈦是最理想的材料。美國(guó)、日本的溫差發(fā)電站上都使用了鈦管式蒸發(fā)器和凝縮器，取得了良好的效果。
海洋工程作為新興的鈦的民用市場(chǎng)，近年來(lái)發(fā)展很快。隨著世界能源危機(jī)的進(jìn)一步加劇，世界各國(guó)將投入大量的人力和物力開(kāi)采海底石油資源和其它礦物資源；在全球性淡水日益缺乏的趨勢(shì)中，各個(gè)沿海國(guó)家都將利用海水來(lái)制取淡水；況且，各軍事大國(guó)的海軍裝備競(jìng)爭(zhēng)日益激烈等等，這些都離不開(kāi)鈦及鈦合金材料。因此，鈦及其合金在海洋工程上的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。預(yù)計(jì)海洋工程用鈦有望成為鈦材的一個(gè)較大的應(yīng)用市場(chǎng)。