Статус і перспективи застосування титанових сплавів в океанотехніці

(1) Вступ

Океан, на який припадає близько 71% земної поверхні, містить багаті ресурси. Одним із напрямків зусиль людей протягом багатьох років стало освоєння та використання океану, щоб зробити океан джерелом нашого величезного багатства. Однак морська вода викликає корозію через вміст солі приблизно 3,5%. Крім того, деякі біологічні забруднення в океані також прискорюють корозію морської води. Титан є матеріалом з чудовими фізичними властивостями та стабільними хімічними властивостями. Титан і його сплави мають високу міцність, малу питому вагу та стійкі до корозії морської води та морської атмосфери, що цілком може відповідати вимогам застосування людей у ​​морській техніці. Після багатьох років наполегливої ​​роботи людей у ​​титановій промисловості та дослідників океанічної інженерії титан широко використовується в галузях морської розробки нафти та газу, будівництва морських портів, прибережних електростанцій, опріснення морської води, суден, морського рибальства та морської теплової енергії. перетворення. Зараз титан для морської техніки став однією з основних сфер цивільного застосування титану.

(2) Статус заявки

2.1 Розробка морських нафтових і газових родовищ Нафта є економічною основою життя країни. За оцінками, світові запаси нафти, що видобуваються, становлять 300 млрд. тонн, з яких запаси нафти на морському дні складають близько 130 млрд. тонн. Розробка підводної нафти почалася на початку 20 століття. Його розвиток пройшов процес від берега до далекого моря, від мілкого моря до глибокого моря. Обмежуючись технічними умовами та розробкою матеріалів, спочатку можна було розробляти лише родовища нафти та природного газу, що простягалися безпосередньо від узбережжя до мілкого моря. Починаючи з 1980-х років, під впливом енергетичної кризи та технічного прогресу, розвідка та розробка нафти на шельфі швидко розвивалися, а розробка нафти на шельфі швидко просунулася до континентального шельфу, поступово формуючи новий сектор морської нафтової промисловості. Морська бурова платформа є робочою основою для розвідки та експлуатації підводних нафти та газу, і вона позначає рівень підводних технологій розробки нафти та газу. Офшорне нафтовидобувне обладнання в основному включає нафтовидобувні платформи та допоміжне обладнання, таке як охолоджувачі сирої нафти, нафтові стояки, насоси, клапани, з’єднання та пристосування. Ці пристрої контактують із сульфідом, аміаком, хлором та іншими середовищами в морській воді та сирій нафті. Завдяки чудовій корозійній стійкості титану в цих середовищах на початку 1970-х Сполучені Штати використовували опори морських нафтових платформ, виготовлені з титану, на своїх нафтових родовищах, а також використовували титан для виготовлення трубчастих і пластинчастих теплообмінників. обігрівач. Титановий кожухотрубний теплообмінник використовує морську воду як охолоджуюче середовище для охолодження високотемпературної суміші пари та нафти, що викачується з нафтової свердловини. Титановий пластинчастий теплообмінник також використовує морську воду як охолоджувач для охолодження прісної води, яка охолоджує сиру нафту в теплообміннику з вуглецевої сталі. Сполучені Штати використовують близько 100 титанових теплообмінників на нафтових платформах у Північному морі. Титановий компонент, замовлений Hunting Oilfield Services в Абердині, Шотландія, Великобританія, вважається першим у світі титановим стояком високого тиску для проекту Conoco Heidrum у Норвегії. Титанові бурильні труби з нафтового титанового сплаву мають тривалий термін служби, їх вага лише вдвічі менша, ніж у нержавіючої сталі, але її гнучкість у використанні вдвічі більша, ніж у нержавіючої сталі, а термін служби в 10 разів більший, ніж у сталі. Ці чудові властивості роблять титан чудовим матеріалом для буріння складних майже круглих глибоких свердловин. Комбіновані бурові інструменти, включаючи титанові бурильні труби, можуть значно скоротити час буріння та знизити загальні витрати на буріння. У 2000 році GrantPrideco, RTI Energy Systems і Torch Drilling Services у Сполучених Штатах вперше використали титанові бурильні труби для промислового застосування. Титанові бурильні труби, вироблені та поставлені GrantPrideco та RTI Energy Systems, також мають сталеві з’єднання інструментів від GrantPrideco Anti-Fatigue. З’єднання невеликі за вагою, гнучкі у використанні та роблять титанові бурильні труби міцними та міцними. Система трубопроводів морської води є невід’ємною частиною підводної експлуатації нафти. Оскільки титан має високу корозійну стійкість до морської води, термін його служби в 10 разів перевищує термін служби сталевої системи. Таким чином, вартість титанової трубопровідної системи є рентабельною порівняно з системою Cu-Ni. з. Active Metals of America і Precision Tube Technology спільно заснували компанію Titanium Tube Technology для виробництва труб великого діаметру з титанового сплаву. У цій трубі використовується сплав Ti-3Al-2.5V, діаметр — 650 мм, товщина стінки — 22-25 мм, а довжина — 350 м. Інша компанія в Сполучених Штатах використовувала безшовні труби з титанового сплаву довжиною 15 м, зовнішнім діаметром 600 мм і товщиною стінки 25 мм, щоб виготовити вертикальну трубу довжиною майже 500 метрів шляхом екструзії, яка використовувалася на морській буровій платформі. Кажуть, що вага труби стояка може бути зменшена вдвічі, що може значно знизити вартість баласту, крім того, вона також має високу в'язкість до руйнування та тривалий термін служби втоми. Згідно з повідомленнями, у проекті розробки нафтового родовища в Північному морі в Сполучених Штатах кількість титану, що використовується в плавучому корпусі та нерухомому пристрої на морському дні, зросла порівняно з попереднім. Попит на титанові матеріали для 24 плавучих кузовів і 64 підводних стаціонарних пристроїв становить: 50-100 т для пристроїв безпеки, 50-100 т для сполучних пристроїв, 400-1000 т для загального підйомного обладнання та 1400-4200т для бурильних труб. Корозія структурних частин, викликана біологічним забрудненням морських нафторозвідувальних платформ, є досить серйозною. Компанія зі Сполучених Штатів використовує довгі корпуси з титанових труб на платформах для видобутку для захисту частин платформи. За останні кілька років спостерігалося помітне збільшення використання компонентів із титанового сплаву при бурінні нафтових свердловин і морських видобувних операціях. Компоненти з титанового сплаву дозволяють при бурінні нафти отримувати доступ до глибших вод і глибших свердловин, включаючи високі температури та висококорозійне (тобто солоне) середовище виробництва. Для цього типу застосування сплав на основі титанового стержня TC4 (Ti-6Al-4V) є найбільш придатним і має найнижчу вартість з точки зору загальної продуктивності. Система трубопроводів морської води є невід’ємною частиною підводної експлуатації нафти. Оскільки титан має високу корозійну стійкість до морської води, термін його служби в 10 разів перевищує термін служби сталевої системи. Таким чином, вартість титанової трубопровідної системи є більш економічно ефективною, ніж система Cu-Ni. з. Active Metals of America і Precision Tube Technology спільно заснували компанію Titanium Tube Technology для виробництва труб великого діаметру з титанового сплаву. Для цієї труби використовується сплав TA18 (Ti-3Al-2.5V) з діаметром 650 мм, товщиною стінки 22-25 мм, довжиною 350 м і труба вагою 80-90т, яку планується використовувати для підводної розвідки нафти. Інша компанія в Сполучених Штатах використовувала безшовні труби з титанового сплаву довжиною 15 м, зовнішнім діаметром 600 мм і товщиною стінки 25 мм, щоб виготовити вертикальну трубу довжиною майже 500 метрів шляхом екструзії, яка використовувалася на морській буровій платформі. Кажуть, що вага труби стояка може бути зменшена вдвічі, що може значно знизити вартість баласту, крім того, вона також має високу в'язкість до руйнування та тривалий термін служби втоми. Практика показала, що найкращим матеріалом для бурильних труб є сплав Ti-6Al-4V (Gr.5_TC4). Для свердління найбільш важливими є межа текучості та втомна міцність. Таким чином, два сплави Gr.5 з особливо низьким вмістом проміжних елементів підходять для більш критичних динамічних підйомних пристроїв. Коли робоча температура перевищує 75 ~ 80 градусів, щоб запобігти щілинній корозії або корозії під напругою, використовується сплав Gr29, що містить рутеній. Найбільш часто використовувані компоненти включають морські бурові підйомники, бурильні труби, конічні напружені з’єднання (TSJ) і гібридні підйомники з титану та сталі. Невеликі титанові компоненти, такі як титанові насоси, клапани, з’єднання, кріплення, хомути та запасні частини, вже широко використовуються на нафтових бурових платформах. Титанові сплави також широко використовуються на корпусах каротажних приладів морської розвідки нафти за кордоном.

2.2 На поверхні титанового матеріалу для будівель морських портів є оксидна плівка товщиною не більше 10нм. Він дуже стійкий в корозійних середовищах і має відмінну корозійну стійкість до повітря, морської води та морського середовища. В даний час це найбільш підходяща сировина для різних морських середовищ. Японія енергійно здійснила морський розвиток, наприклад, міст від Хонсу до Сікоку, міст через Токійську затоку, аеропорт Кансай і плавуча база зберігання нафти. Випробування на вплив, проведене Міністерством будівництва та Клубом металургії Японії на поверхні океану річки Ойгава, і звіти про дослідження різноманітних випробувань впливу на корозію, проведені Міністерством транспорту та Асоціацією сталевих труб на плавучій станції Босакі Піщана естакада також показала, що титан є найбільш підходящим матеріалом. Окрім чудових антикорозійних властивостей, титан також має такі переваги, як низька кількість розчинених іонів у середовищі морської води, відсутність токсичності та відсутність необхідності турбуватися про забруднення навколишнього середовища. Японія також побудувала надвелику плавучу морську споруду, використовуючи композитні матеріали титан-сталь для розмиву морської води; при будівництві шосе, що проходить через Токійську затоку, титанові матеріали були використані як бризозахищений торс опор мосту, а композиційні матеріали титан-сталь для кожної опори мосту становлять 0,9 т. Великі плавучі морські споруди, які вже використовуються або плануються, включають аеропорти, портові логістичні бази, спортивні споруди тощо.

2.3 Комплексне використання морської води на берегових електростанціях є одним із важливих проектів морської техніки. Конденсатори на берегових електростанціях є обладнанням, яке використовує велику кількість морської води. Титан, який використовується в берегових електростанціях, в основному використовується в конденсаторах. Оскільки конденсатор використовує морську воду як охолоджуючу воду, а морська вода містить велику кількість грязьового піску, зважених речовин, морських організмів і різних корозійних речовин, ситуація більш серйозна в прісному розсолі, де морська вода і річкова вода чергуються. У традиційних конденсаторах використовуються труби з мідного сплаву, які часто сильно пошкоджуються через різноманітну корозію в морській воді. Титан має хорошу корозійну стійкість у морській воді, особливо в забрудненій морській воді, і його стійкість до високошвидкісної ерозії є особливо видатною.

2.4 Опріснювальна установка «Вода – джерело життя». В даний час дефіцит води став проблемою всього світу. Близько 25% населення планети не мають належних джерел питної води. Світові наземні річки та підземні водні ресурси далекі від задоволення потреб промислового розвитку. Таким чином, опріснення морської води буде ефективним методом для людей для використання ресурсів прісної води в майбутньому. З точки зору розвитку опріснення морської води в країні та за кордоном, існує в основному два методи: дистиляція та зворотний осмос. Перший полягає в нагріванні морської води для її випаровування, а потім у конденсації пари для отримання прісної води. Останній полягає в створенні тиску на морську воду, щоб прісна вода в ній проходила через спеціальну мембрану і утримувала сіль для отримання прісної води. Перші пристрої для опріснення морської води використовували мідні сплави, вуглецеву сталь та інші матеріали. Оскільки ці матеріали нестійкі до корозії у морській воді та мають низьку ефективність виробництва, їх швидко замінили титаном із чудовою стійкістю до корозії у морській воді. При опрісненні морської води основним застосуванням титану є теплообмінна трубка нагрівача опріснювальної установки. Основними виробниками опріснювальних установок є США і Японія. До 2004 року у світі було побудовано або будується понад 15000 опріснювальних установок із щоденною продуктивністю близько 32 мільйонів тонн прісної води. Японська компанія побудувала 10 дистиляційних установок для Саудівської Аравії з добовою продуктивністю 30000 тонн прісної води, використовуючи 3200 тонн титанових труб, із середньодобовою продуктивністю 10000 тонн, що вимагає 107 тонн титану. Тяньцзінь, Шаньдун та інші країни моєї країни побудували або будують заводи з опріснення морської води. Наприклад, попередній план опріснення морської води в Тяньцзіні передбачає виробництво 500000 тонн прісної води на день до 2007 року та 700000 тонн до 2010 року. За оцінками, близько 250 тонн титану буде використовуватися в проектах опріснення морської води в Тяньцзіні та Шаньдуні.

2.5 Корабельний титан і його сплави стійкі до корозії в морській воді та морській атмосфері та вважаються хорошими судновими матеріалами через їх невелику питому вагу, високу міцність, ударостійкість, немагнітність, звукопередачу та малий коефіцієнт розширення. В останні роки застосування титану в судах привернуло велику увагу. Військово-морські сили та суднобудівна промисловість різних країн також надають великого значення застосуванню титану на кораблях і розробили багато марок морських титанових сплавів. Титан і його сплави широко використовуються в конструкціях кораблів, таких як конструкції корпусів, глибоководні оглядові судна та корпуси підводних човнів, труби, клапани, рулі, кронштейни валів, аксесуари, гвинти та підрулюючі пристрої в силових приводах Вали, теплообмінники, охолоджувачі, корпус кожухи сонара тощо. Перше застосування титану на корпусі корабля було підводним човном класу «Альфа» колишнього Радянського Союзу. Згодом титан використовувався в штучних або безпілотних глибоководних дослідницьких і глибоководних підводних човнах. Промисловий чистий титан використовується для загальних структурних частин, а сплав Ti-6Al-4V використовується для посудин під тиском. Згідно з повідомленнями, використання титану в конструкції корпусу може не тільки зменшити вагу самого корпусу, збільшити ефективну вагу навантаження, але також зменшити технічне обслуговування та продовжити термін служби корабля. Алюмінієвий сплав, м’яка сталь та інші конструкційні матеріали корпусу зазвичай вимагають технічного обслуговування протягом 10 років, тоді як титанові матеріали майже не потребують технічного обслуговування та ремонту, а їх термін служби можна подовжити від звичайних 20 років до 30-40 років. Дослідження Японії титанових сплавів для глибоководних кораблів були плідними. Майже всі барокамери «Deep-Sea 6500», які вміщують 3 оператори, виготовлені з титанових сплавів. Це результат тривалих зусиль Mitsubishi Heavy Industries Kobe Shipyard. На підводних човнах використовується велика кількість титану. Наприклад, атомний підводний човен з глибиною занурення 900 м використовує до 3500 т титану.

2.6 Морське рибальство Повідомляється, що рибальство в Японії змінилося з рибальства на рибництво, і крилатки, камбала, вугор тощо були штучно культивовані. У технології штучного розведення широко використовуються металева титанова сітка і титановий трубчастий теплообмінник для підтримки певної температури морської води. Штучне вирощування морського окуня було реалізовано в прибережних районах провінції Фуцзянь у моїй країні, і використовуваний кошик для культури з титановою пластиною приніс чудову користь вирощуванню окуня.

2.7 Перетворення теплової енергії океану В океані є величезна кількість енергії, наприклад, енергія припливів, енергія хвиль, енергія різниці температур, енергія океанської течії та енергія різниці солей тощо. Зі збільшенням дефіциту енергії в світі люди будуть більше зацікавлені в розвитку та використанні енергії океану. Досліджено та розроблено проекти термоелектричної та приливної електроенергії. Принцип виробництва термоелектричної енергії полягає у використанні морської води з високою температурою на поверхні океану для випаровування аміаку або фреону, щоб обертати турбіну та виробляти електроенергію, а потім використовувати низькотемпературну морську воду в глибокому океані для охолодження випарованого аміаку. або фреон для формування системи теплового двигуна безперервного циклу. Основним обладнанням для виробництва термоелектричної енергії є випарники, конденсатори, всмоктувальні труби морської води, петлі тощо, які вимагають не тільки стійкості до корозії, але й стійкості до корозії аміаку та фтору. Титан і його сплави не тільки мають добру стійкість до корозії в морській воді, але також стійкі до корозії аміаком і фтором, тому титан є найбільш ідеальним матеріалом. Титанові трубчасті випарники і конденсатори використовувалися на теплоелектростанціях США і Японії, і були досягнуті хороші результати.

(3) Перспективи

Будучи цивільним ринком титану, який розвивається, суднобудування стрімко розвивалося в останні роки. З подальшим загостренням світової енергетичної кризи всі країни світу будуть вкладати багато людських і матеріальних ресурсів у розробку нафтових ресурсів морського дна та інших мінеральних ресурсів; в умовах глобальної нестачі прісної води всі прибережні країни будуть використовувати морську воду для виробництва прісної води; Все більш жорстка конкуренція військово-морської техніки різних військових сил невіддільна від титану та матеріалів з титанових сплавів. Тому застосування титану та його сплавів у морській техніці буде ставати все більш широким. Очікується, що титан для морської техніки стане більшим ринком застосування титанових матеріалів.