發(fā)布日期：2014-5-10 18:19:38
隨著世界人口的日益增長和陸地資源不斷的消耗，開發(fā)與應(yīng)用海洋資源已成為21世紀的主題。由于海水鹽分和微生物的腐蝕及海洋中復雜的工作條件，就要求在海洋資源開發(fā)過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。鈦以其比強度高、耐蝕性優(yōu)異、疲勞性能好、無毒性、容易焊接等優(yōu)點，被譽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。
海上油氣開采設(shè)備主要包括采油平臺和附屬設(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，所以美國上世紀70年代初就在其油氣開采中使用了鈦制造的近海石油平臺支柱。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，長期使用效果甚好。隨著海洋油氣開采工業(yè)的不斷發(fā)展，油氣開采逐步從近海、淺海發(fā)展到遠海、深海，鈦合金部件可以在高溫、高壓和腐蝕嚴重(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系防腐蝕材料制成復合包覆材料或用鈦鋼復合板包覆焊接到建筑物上。日本大力進行海洋開發(fā)，如本洲到四國的大橋、東京灣橫跨道路、關(guān)西機場、浮式儲油基地等。日本建設(shè)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(xié)會在波崎漂沙棧橋上的各種防腐暴露試驗等的調(diào)查報告，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、無毒性、不必擔心污染環(huán)境等優(yōu)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(shè)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(jīng)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(shè)施等等。從長期來看，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)常遭到嚴重破壞，國外曾出現(xiàn)過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，耐海水的高速沖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，換熱效率提高，安全性提高。英國早在上世紀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)電站對于安全運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縫鈦管。我國先后在浙江臺州電廠、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，減少維修費用，延長使用壽命，鋁合金、軟鋼等船體結(jié)構(gòu)材，一般10年就要維護，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。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、動力驅(qū)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。鈦在船舶上使用的典型例子是俄羅斯臺風級核潛艇，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，使其具有了無磁性、下潛深、航速快、噪音小、維修次數(shù)少等優(yōu)點。艇長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50km，最大下潛深度500m，持續(xù)潛航時間達到120天。20世紀90年代中期，美海軍決定在LPD17兩棲船塢運輸艦的2個主海水配管系統(tǒng)上使用了鈦，全壽命期節(jié)省成本可達1700萬美元。配管系統(tǒng)的建造是在船廠現(xiàn)場進行的。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多個管件采用不同直徑的2級純鈦管，總長度達3350m以上。在深潛器耐壓殼體的應(yīng)用方面美國開展得比較早，如Alvin科研深潛器，1973年改建時將耐壓殼體換成鈦合金(板厚49mm)，代替1964年建造時采用的HYl00高強鋼(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”號深潛器裝備了鈦的觀察艙和操縱艙，下潛深度可達6100m。
據(jù)報道，日本漁業(yè)已經(jīng)由撈魚向魚類養(yǎng)殖業(yè)轉(zhuǎn)變，獅魚、比目魚、鰻魚等已實現(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。我國福建沿海一帶地區(qū)實現(xiàn)了人工養(yǎng)殖石斑魚，所用的鈦板式養(yǎng)殖筐對養(yǎng)殖石斑魚帶來了極好的效益。
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驅(qū)動渦輪機轉(zhuǎn)動發(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)成一個不斷循環(huán)的熱機系統(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、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，近年來發(fā)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；在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(yīng)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(yīng)用市場。