1、 前言

隨著人類對自然資源的需求愈來愈大，開發(fā)與應用海洋資源已成為 21 世紀的主題。由于在海水及海洋大氣中存在氯化物和硫化物等腐蝕介質，所以在海洋資源開發(fā)過程中，對作為開發(fā)手段所需要的各種裝備，其必須具備耐蝕性及鋼結構的可靠性，特別是在深海開發(fā)中應用構件的材料應具備比強度高、比韌性好、耐海水腐蝕的特性。鈦以其比強度高、耐蝕性優(yōu)異、彈性模量低、疲勞性能好、無磁性、無毒性、易于冷成形、容易焊接、合金種類多、費用穩(wěn)定等優(yōu)點，被譽為是一種天然的海洋裝備首選結構材料。鈦的特性，為研發(fā)可靠性更高、使用壽命更長的船舶產品、海洋工程機械和裝置等提供了重要的材料技術平臺。鈦材在艦船和海洋工程中的應用，充分展現(xiàn)了其優(yōu)異的綜合性能、應用領域逐步拓寬，市場需用量與日俱增。本文就多年來在海洋裝備應用的鈦材種類及鈦的特性與應用實例作一綜述。

2、 海洋裝備用鈦合金材料與應用現(xiàn)狀

一般而言，海洋裝備按照其擔負的使命可分為：民用船舶、軍用艦艇、海洋工程裝置、工程船舶、漁船、高性能船六大類，但基本上歸屬于“艦船”和“海洋工程裝置”兩大門類。下面將對用于該兩大門類鈦的特性與實例分別進行介紹。

2.1 艦船用鈦合金性能與應用狀況

鈦用于艦船領域始于上世紀60年代，相比鈦在航空工業(yè)的應用晚了約十年。俄羅斯、美國、日本、中國是最早研究將鈦用于艦船上的國家，隨著科學技術的發(fā)展，各個國家已形成了各自的艦船用鈦合金材料技術體系（見表1）。

中國船用鈦合金的研究在經(jīng)過了半個世紀的自行研發(fā)和研仿，其水平與應用有了很大提高，形成了較完整的船用鈦合金系列，表2列舉了我國研制的船用鈦合金及其性能參數(shù)。

為了滿足艦船用材料的不同強度級別要求，并適用于艦船不同部位的要求，我國船用鈦合金形成了屈服強度從320~1100MPa完整的體系，強度范圍很大?？紤]到屈服強度的大小及適應性，中國船用鈦合金體系擬按照屈服強度等級進行劃分，即屈服強度在490MPa以下屬低強鈦合金；490~790MPa為中強鈦合金；高于790MPa以上,屬高強鈦合金。在進行機械加工與成型工程化應用時，對于要求加工塑性好，特別是大厚截面的構件，在大的拘束下進行焊接時，宜采用中、低強度鈦合金；而對于屈服強度高于790MPa以上的鈦合金，其相應塑韌性較低，冷加工成形與焊接工藝性能較差，該類材料主要用于船舶動力工程中的耐熱、耐蝕部件和船舶特種機械等。

資料表明，在艦船市場中，俄羅斯用鈦量最多，在二十世紀九十年代，其年用量就已經(jīng)達到了占國內當年總消耗量的25%；日本艦船用鈦占1%；中國在近5年內，艦船的年用鈦量從占年總消耗量的1.2%上升到了3..3%，呈上升趨勢。

2.2 海洋工程裝置用鈦合金與應用現(xiàn)狀

鈦在海洋資源勘探、海洋油氣開采、海洋調查與救生、海水淡化、濱海電站等海洋工程中的應用已經(jīng)有 30 年的歷史，但主要進展開始于上世紀九十年代，這得益于海洋油氣的勘探和開采開始活躍。鈦的特性因為海洋油氣開采裝置的需要充分得到了發(fā)揮，目前，鈦在海洋開發(fā)工程中的用量占全球鈦消耗總量的 5%，行業(yè)總需求量較低，其原因主要是鈦的價格昂貴，受到了限制。據(jù)中國有色金屬工業(yè)協(xié)會鈦鋯鉿分會統(tǒng)計：在 2006 年，中國在海洋領域用鈦量為 87000kg，2009 年時上升到了 622000kg，占年消耗總量分別為 0.6%和 2.5%。用于海洋平臺及鉆探設備的建造業(yè)在海洋產業(yè)中居首位，占全球海洋產業(yè)的25％，隨著開發(fā)油氣活動不斷向深海發(fā)展，鈦在該領域中的應用進程更得到了加快。表3列舉了多年來用于海洋油氣工程裝置中鈦及鈦合金的種類和用途 [4] 。

2.3 鈦的特性在海洋裝備中應用實例

1）減重和強度對于海洋平臺的建造非常重要，鈦具有鋼的強度、重量僅為其鋼材的55％。鈦合金的彈性模量較低，能夠在彈性變形范圍內吸收來自結構以外的載荷，使其具有很好的柔韌性和抗結構變形能力，這種組合特性恰是海洋平臺上鋼立管及漸縮應力接頭非常需要的，因為它們在海水中必須根據(jù)海流的運動方向隨時調節(jié)位置 [3] 。

用Ti-6A1-4V合金制作的預應力采油管接頭不僅耐海水腐蝕，還組裝簡便快捷、重量輕，并保持彈性密封性。

在美國大陸石油公司的Heidrun TLP工程中，指定采用鈦鉆井立管，這種立管的直徑約為508mm，整個長度為12192mm．它由上、中、下三部分組成，中間部分是普通的管道，兩端采用鍛造成型后機械加工而成，其材質為Ti-6A1-4V ELI鈦合金 [4] 。

英格蘭的Bunting鈦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％，從而降低了支承構件的重量，也提高了耐蝕能力 [4] 。

位于美國得克薩斯州休斯頓市的Cooper-Cameron石油工具有限公司利用Ti-6Al-4V ELI合金擠壓生產一種立管，投入Green-Canyon工程，所用管材的直徑為295mm和346mm，長度為10668—11582mm．有報道說，這套裝置已經(jīng)在1995年5月份開始運行 [4] 。

2）鈦表面有一層致密的氧化薄膜，可以使鈦基體在130℃溫度下不受海水的侵蝕、在80℃以下抗海水縫隙腐蝕，此外鈦還對碳氫化合物及原油等有抗蝕作用。實驗表明，鈦在海水中的使用壽命可長達50年以上。對于海洋平臺的水上部分，材料使用壽命不像水下應用那么重要。如果一項工程只需3～5年，則碳鋼完全滿足需要，因為它便宜得多。但是對于長達20~-30年的工程，使用鈦制造的海洋裝備可以在其工程的工作周期中免于維護，并取消了非常耗時、費錢的修復作業(yè)，因此，鈦在海洋平臺中的應用，應重點考慮海下裝置 [3] 。

日本為了從過去的內海、內灣的淺海域向現(xiàn)在的外海、深海域發(fā)展，專門設立了超大型浮式技術研究小組,對數(shù)公里規(guī)模、耐用100年的超大型浮式海洋構筑物進行了理論研究和實地試驗。鈦材以其優(yōu)良的耐腐蝕性，在海水環(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,成為其海洋構筑物的首選材料。

海上油氣開采要長期承受海水腐蝕和應力腐蝕。國外廣泛采用Ti-6Al—4V作為石油平臺支柱、繩索支架、海水循環(huán)加壓系統(tǒng)的高壓泵、提升管及聯(lián)結器等。

油氣鉆采中，英國在深600m、262℃的含5％H2S和25％NaCl中，使用了鈦制鉆采設備。

前蘇聯(lián)采用了鈦泵、鈦閥和鈦制沖洗鹽水設備。我國在天然氣井口為解決600—700atm的高溫H2S、C02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。

3）挪威的公司是將鈦用于海洋油氣開采裝置的主要經(jīng)營者。例如：在位于歐洲北海的深海油田，鉆探深度達70米（北部區(qū)域）或1000米（南部區(qū)域），它們的鉆井平臺分別采用固定式和浮動式，僅一個固定式的海上平臺建造就需要了30~500噸的鈦 [3] 。

挪威的Alba公司在1999年為澳大利亞的Laminaria工程生產了用于海洋的最大鈦鑄件，這個用在海水中的閥門是由純鈦（Gr2）制成，其單重2750公斤、長2210毫米、高1499毫米 [3] 。

在歐洲最近的一項工程中，挪威的Kristin為Satoil石油公司提供了50～200噸的鈦管和配件，Satoil石油公司準備在6年間花費1．59億美元購買這些產品 [3] 。

4）Statoil石油供應公司把鈦管材試驗性地用于消防設備中，實驗表明：在通有海水的情況下，鈦可以耐受2h、1000℃以上的烈火烘烤，且不被腐蝕，證明鈦具有優(yōu)良的抗波流沖擊性。在Statoil公司于二十世紀八十年代初期建造的海上平臺上，其消防系統(tǒng)一般都用碳鋼和銅鎳合金材料，由于在消防系統(tǒng)中使用的是海水，就導致了這些材料不能長久防腐蝕。在九十年代中期，Statoil公司經(jīng)過3年時間的更換，才將在挪威建造的3個海上平臺(Stat0ord A、B、C)上的40個消防系統(tǒng)更換為鈦管，總價值達4000萬挪威克朗(530萬美元) 。Statoil公司認為，如果在開始建造時就應用鈦管，將會省去這些更換的麻煩 [3] 。

5）在深潛器的研究過程中，美國的Alvin科研深潛器，1973年改建時將耐壓殼體換成鈦合金(板厚49 mm)，代替1964年建造時采用的HYl00高強鋼(板厚33．8 mm)，下潛深度從2000 m增加到3600 m，它的輔助箱及高壓空氣容器也采用Ti一6A1—4VELI鈦合金建造。1981年和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6100 m。由此也可以看出，大深度深潛器的殼體材料發(fā)展趨勢也是用鈦合金，我國目前也在用鈦合金研制深潛器的耐壓艙和浮力球等部件 [1] 。

6）在海洋工程中鈦熱交換器應用最為廣泛。俄羅斯自1962年以來各種類型的熱交換器建造并成功運行六千多臺，已經(jīng)達到了完全商業(yè)化的水平。我國也成功的運用鈦合金生產了多臺船用熱交換器，并成功的運行在船上 [1] 。

在Norskc Shell的Troll工程中，使用了直徑為1016mm的氣/水換熱器管，這種由工業(yè)純鈦(Gr.2)制成的管子需要具有100年以上的工作壽命周期。據(jù)報道，位于挪威Permascand的一家公司采用冷成形—焊接方法生產了這種管材 [4] 。

7）鈦泵、閥及管子，廣泛應用于海洋工程中的各個領域。如造水系統(tǒng)的往復式鹽水泵，其介質為高度濃縮的鹽水。以前泵內的柱塞、閥、閥座等采用1Crl3不銹鋼制造，并在表面鍍鉻。使用時間不長，就銹蝕嚴重，須經(jīng)常更換。用鈦合金更換后不再存在維修問題。

海底開采石油用的高壓采油管已經(jīng)采用了鈦材，旨在減輕重量、降低成本和避免腐蝕?，F(xiàn)在，φ38mm的Ti-6Al-4V ELI合金無縫管材，在海底管道獲得了應用。

Heidrun工程平臺上探孔的內徑為900mm，它是冷成形后焊接而成的，與其相連的配件和管道也是用工業(yè)純鈦（Gr2）制造的。

在低壓水系統(tǒng)中，工業(yè)純鈦已取代6Mo奧氏體鋼，主要用在頂部，用鈦原因是安裝費用低可以經(jīng)受高達90℃的縫隙腐蝕。Mobil的Stariord‘A’工程中安裝了工業(yè)純鈦鎮(zhèn)流水系統(tǒng)管道構件．由直徑為457mm的工業(yè)純鈦焊接管取代了碳鋼管。此外，還可以利用工業(yè)純鈦制造頂部閥門 [4] 。

8）緊固件是機械基礎件的重要組成部分，俗稱“工業(yè)之米”，在各行各業(yè)廣泛應用，緊固件包括螺釘、螺栓、螺母、墊圈、銷、鍵、擋圈等產品。隨著鈦合金設備、結構、管系、法蘭，各型泵、閥等在海洋工程上的廣泛應用，鈦合金緊固件在海洋工程上的應用也有較大提高，特別是在艦船上的應用更為廣泛。如我國某艇通海管道用螺栓已采用Ti80合金和TC4合金，螺母采用TA5合金，墊片采用TA2，Ti-5111(Ti-5Al-1Sn-1Zr-1V-0.8Mo)合金也是比較常用的緊固件材料。我國近幾年引進的多條各型艦船，其上面的鈦設備用緊固件大都采用鈦合金，從實船考察發(fā)現(xiàn)鈦合金緊固件經(jīng)過幾十年的海水浸泡，其表面沒有產生腐蝕現(xiàn)象。所以采用鈦合金緊固件可以解決耐海水腐蝕、異種材料間的電化學腐蝕等問題，并可大大提高螺栓的使用壽命、并減輕設備重量 [1] 。

9）中國的西部鈦業(yè)有限責任公司，在2009年，為美國一家專業(yè)從事制造油氣開發(fā)生產裝置的企業(yè)提供了多規(guī)格、數(shù)百噸的Ti-6Al-4V合金棒材，該材料經(jīng)過鍛造、機械加工后用于油氣勘探裝置或海底電纜加緊裝置等。

10）另外一項涉及金屬本身的開發(fā)計劃是由碳化硅纖維和鈦合金組成的復合材料。這是一種很輕、強度好的耐高溫材料。Ti.MMC可以替代鋼部件，可耐600℃高溫，而且重量僅及鋼的一半。Ti.MMC可用于制造深?？箟喝萜?[3] 。

11）統(tǒng)計數(shù)字表明，迄今已有數(shù)千萬噸的鈦合金加工產品應用在濱海石油開采中，隨著用途的不斷擴大，這一數(shù)字將還會繼續(xù)提高。從重量、強度和抗腐蝕能力的角度出發(fā)，選用鈦合金是唯—明智的選擇 [3] 。

3、未來展望

我國是世界上海底油氣資源非常豐富的國家之一。中國的海洋工業(yè)正進入大規(guī)模開發(fā)階段，當前平臺的結構件和關鍵部件及設備均從國外進口，如：長寬為數(shù)公里的超大型浮體、深海超大型FPSO、半潛式平臺與SPAR、浮式養(yǎng)漁裝置等。國內材料很少應用，但可以預期，鈦將會在這里找到廣闊的市場。

2008年，中國海綿鈦產量已居世界第一位，鈦加工材產量僅落后于美國居世界第二位，從規(guī)模和產量上看中國已是世界鈦工業(yè)大國。而我國的船舶工業(yè)生產能力也躍居在世界前列，年造船總量已居世界第二位，成為世界船舶工業(yè)的一支重要力量。因此，具有強大工業(yè)基礎支撐的中國海洋裝備產業(yè)一定有能力走出適應國防和海洋開發(fā)市場需求的自主創(chuàng)新之路，使我國不僅成為世界造船大國、強國，必定又是世界海洋強國。

參考文獻：

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