1、引言 眾所周知，海水中含有大約3.5%的含鹽量，且含有各種海生物、懸浮物和腐蝕性物質。海洋工程用材料，除要求耐海洋腐蝕環境外，還要求高性能、高功能、安全可靠性、實用性等。被譽為“海洋金屬”的鈦是一種物理性能優良、化學性能穩定、耐蝕性優異的材料，鈦的比強度高，耐海水腐蝕和海洋氣氛腐蝕，又有良好的抗腐蝕疲勞性能，可以很好地滿足人們在海洋工程方面 應用的要求，是其他材料不可替代的海洋工程材料，目前，海洋工程用鈦已成為鈦民用應用的主要領域之一。 本文對鈦在海洋工程，包括海水淡化、艦船、海洋油氣開發、沿海發電站、海港建筑和設施等領域應用的現狀和最新進展進行了綜述，并對未來發展前景進行了展望。 2、應用現狀及最新進展 2.1 海水淡化裝置 隨著現代工業的發展，水資源缺乏成為困擾全世界的問題。世界上的陸地河流、地下水資源已遠遠滿足不了工業發展的需要，因此，海水化將是人類解決淡水資源的有效的方法，國外一些缺水國家和地區，已利用海水淡化技術解決了缺水的困難，我國是一個水資源不足的國家，興建海水淡化和海水利用項目勢在必行，從國內外海水淡化的發展來看，主要由兩種方法：蒸餾法和反滲透法。前者是將海水加熱使其汽化，然后將蒸汽冷凝而獲得淡水。后者是將海水加壓，使其中的淡水透過一種特殊的膜而將鹽分截留獲得淡水，鈦在海水淡化裝置中的主要應用包括加熱器導熱管、冷凝器、蒸餾器、換熱器、蒸發器，泵，閥和管線等。 早期的海水淡化裝置管使用鋁合金、銅鎳合金、碳素鋼等材料，因這些材料在海水中的耐蝕性差，生產效率低，很快被耐海水腐蝕性能優異且免于維護的鈦所代替。如國外一家公司海水淡化裝置的加熱器導熱管，最先采用銅合金制造，后因腐蝕故障，最后將全部導熱管換成了鈦管。雖然鈦管的單位質量價格比制合金貴，但從性價比上考慮，鈦管價格可與銅合金管抗衡。由于鈦的密度低，壁厚相同時，同等長度的鈦管質量只是鋼合金管的50%，當鈦管壁厚為銅合金管的50%時，相同傳熱面積的鈦管質量僅為銅合金管的1/4。 日本研究開發了連續生產熱軋和冷軋鈦帶卷的技術，建立了海水淡化和電結冷凝器鈦薄壁焊管用的帶卷的批量生產體系，相應開發了薄壁焊管的生產技術，三菱、川崎、日立以及神戶制鋼等公司生產的海水淡化裝置，使用了厚0.5mm-0.7mm的鈦焊管。 美國和日本在海水淡化裝置用鈦方面處于領先地位。日本國內海水淡化和電站用鈦占鈦材總用量的20%左右，日本公司為沙特建造日產淡水3萬噸的蒸餾法裝置10臺，用鈦管3200噸，平均日產1萬噸的裝置，需用鈦107噸。日產百的海水淡化裝置用鈦管達6萬根。據預測，未來30年，全世界對淡化海水的需求將以年均9%的速度增長。 我國的天津、山東等地均建有或在建海水淡化裝置。隨著鈦材成本的降低和生產工藝的進步，預計我國海水淡化用鈦量會逐步增加。 2.2 艦船 鈦合金用于艦船工業始于上世紀60年代，比鈦在航空工業的應用大約晚了十年。規船及其某些設備部件如船體、熱交換器、泵、閥、管線等長期漫抱在海水中，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露和海洋生物引起的規船故障等問題，它不但具有優異的耐海水腐蝕性能，而且可以減輕規船重量，減少維修費用，延長使用壽命，鈦及其合金在靚船工業的應用十分廣泛，如船體結構件、深海調查船及潛艇耐壓殼體、管道、閥、船舵、軸托架，配件、動力驅動裝置中的推進器和推進器軸、熱交換器、冷卻器、船殼聲吶導流罩等等。 船體結構用鈦不但可以減輕船體自身重量，增加有效載入重量，而且可以減少維護，延長船舶的使用壽命。鋁合金、軟鋼等船體結構材，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。 我國由TA5、TC4、TA7合金鑄件生產的艇用雷達機座、搖擺框架、托架、齒輪箱和緊固件等裝艦后使用情況良好，提高了設備的作戰和海上適應能力。由Ti-31合金生產的換熱器、閥門、泵、法蘭等在規船制造中已獲得大量應用。用鈦材制造規船的管路和配件，不但可以減少管道的直徑和壁厚，而且可以減輕重量。船舶的螺旋槳、軸、桅桿等部件不但受到海水的腐蝕，而且還受到沖刷、高載荷、腐蝕疲勞等，鈦優異的綜合性能特別適合這方面的應用。 我國艦船工業經長期應用研究，已形成船用鈦合金材料技術體系，近年來，我國對艦船領域的投資開始增加，一些新項目如新型驅逐艦、潛艇等用鈦量很大，這將為鈦在規船領域應用帶來了新的機遇和挑戰。 2.3 海洋油氣開發 從比重、強度和抗腐蝕能力等綜合考慮，選用鈦及其合金是海洋油氣開發唯一明智的選擇。海洋油氣開采設備主要包括采油平臺和附屬設備，附屬設備有原油冷卻器、升油管、泵、閥、接頭和夾具等，這些設備均與海水及原油中的硫化物、氨、氯等介質接觸，由于鈦在這些介質中具有優異的耐蝕性，所以美國在上世紀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，同時用鈦制造了列管式換熱器和板式換熱器。鈦列管式換熱器利用海水作為冷卻介質，把從油井里抽出的高溫汽/油混合物冷卻。鈦板式換熱器也是利用海水作為冷卻介質，把碳鋼換熱器內冷卻原油的淡水冷卻，美國在北海油田鉆井平臺上大約使用了100個鈦熱交換器。 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，鈦管系的成本與Cu-Ni系統相比是合算的，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。 美國大陸石油公司的Heidrun TLP工程中， 采用了鈦鉆井立管， 這種立管的直徑約為508mm， 整個長度為12192mm， 其材質是Ti-6Al-4VELI鈦合金。 英格蘭的Bunt ng鈦公司加工了鈦輸送管道， 用鈦輸送管道取代帶有檢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，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合金作為石油平臺支柱、繩索支架、海水循環加壓系統的高壓泵、提升管及聯結器等。因為T-6A1-4V合金不僅耐海水腐 蝕，而且具有高韌性、高屈服強度和高疲勞極限，隨著海洋油氣開采工業的不斷發展，油氣開采逐步從近海、淺海發展到遠海、深海，鈦合金部件可以在高、高壓和腐蝕嚴重(即鹽和硫化氫等腐蝕介質)的環境下使用，因而，鈦及其合金在海洋油氣開發中的應用明顯增加。 2.4 沿海發電站 海水的綜合利用是海洋工程中的重要項目之一。沿海發電站一般采用海水作為冷卻水，海水中的氯離子濃度比較高，且海水中存在大量的海洋生物、懸浮物質、泥砂和各種腐蝕性物質，在海水與河水交替變化的嵌鹽水中的情況更為嚴重。國外曾出現過由干腐蝕泄露而引起的爆炸事故，傳統的凝汽器是用鋼合金管，這種鋼合金管在海水中因各種腐蝕，經常遭到嚴重破壞，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。沿海發電站疑汽器是利用海水量較大的設備，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，由于發電站對于安全運行可靠性要求特別高，所以尤其重鈦凝汽器的使用，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、浙江鎮海電廠等發電廠使用了全鈦斑汽器，使用效果十分理想，取得了顯著的經濟效益。 站冷凝器，使用了厚0.5mm的鈦焊管，實踐證明，鈦在沿海發電站凝汽器中的使用壽命和可靠性是其美國、英國、法國、日本的沿海發電站大部分使用了鈦凝汽器。日本三菱和東芝公司生產的電它材料無法相比的，尤其是在含鹽份高及含有硫化物的污染海水中。迄今為止，還沒有出現故障的報道。可以實現設備安全運行，不需要檢修，大大減輕了勞動強度。 中國最大鈦材生產企業寶雞鈦業股份有限公司生產的冷軋無縫薄壁管制作的海濱電站用冷凝器，比銅合金冷凝器的壽命提高了4~6倍，取得了顯著的經濟效益，至今已有超過30多個電廠的大約百臺機組采用了全鈦冷凝器和鈦管冷凝器。 2.5 海港建筑和海洋設施 海港是海洋的大門。海港建筑和海洋設施是海洋工程的重要部分，鈦材表面有一層致密的氧化膜，它在腐蝕環境中非常穩定，對空氣、海水及海洋環境具有優異的耐蝕性，是目前最能適應各種海洋環境的材料，為了降低海港建筑和海洋設施的成本，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。 日本是一個太平洋島國，其建筑多在海洋大氣環境中。日本大力進行海洋開發，如本洲到四國的大橋、東京灣橫跨道路、關西機場、浮式儲油基地等。日本建設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在波崎漂沙棧橋上的各種防腐暴露試驗等的調查報告也都顯示了鈦是最合適的材料，鈦除了具有優異的防腐性能外，還具有海水環境下溶出離子極少，無毒性，不必擔心污柒環境等優點。 日本東京有明國際展覽館和日本島櫻縣美術館均使用了大量鈦材，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中使用了鈦材做橋墩的防美軀干，每個橋墩的用鈦量為0.9t，從長期來看，海港建筑和海洋設施用基本不需要維修保養，節省了大量的人力、物力費用，此外，鈦還具有漂亮的金屬質感，給人以美的享受。 3、前景展望 展望未來，海洋工程作為新興的鈦的民用市場，最近幾年發展很快，在世界資源緊缺的情況下，世界許多國家都在開發海洋，利用海洋。鈦優異的性能可以很好地滿足人們在海洋工程方面應用的要求，因而應用領域十分廣泛。預計海洋工程用鈦有望成為鈦材的一個較大的應用市場。 參考文獻 [1]顏學柏.鈦的民用開發與前景展望.鈦科學與工程，第十一屆全國鈦及鈦合金學術交流會文集：20 [2] 姚文靜.UNIT I公司將為世界最大的海水淡化工程提供鈦材.中國鈦業， 2011， 第一期：19 [3] T.Iwata， K.Matsuoka.Fatigue Strength of CP Grade 2 Titanium Fillet Welded Joint for Ship Structure.Ti-2003Scienee and Technology Proceeding of the 10th World Conference on Titanium， Volume V： 2959 [4] 楊英麗， 蘇航標等.我國規船鈦合金的研究進展.中國有色金屬學報， Volume 20 Special 1， 2010，10：p1003~1005 [5]寶雞鈦業股份有限公司，船用鈦材推廣暨技術交流會，內部資料，2003，4 [6]汪漢臣.鈦-新型建筑材料.鈦科學與工程，第十一屆全國鈦及鈦合金學術交流會文集：45~46 [7]http：//www.titanium.org [8]http：/www.titan-china.com 相關鏈接 2021-11-30 TC11鈦合金材料氬弧焊補焊工藝研究 2021-11-30 大型航空用鈦合金鍛件材料及成形技術應用現狀 2021-11-16 2020年波音空客公司航空用鈦鍛件鈦合金棒消費量 2021-11-14 艦船用鈦合金材料的特點及影響其發展的因素 2021-11-09 寶雞利泰金屬談鈦合金材料在海洋裝備中的應用實例 2021-10-24 鈦合金葉輪鈦鍛件等鈦合金材料的機械加工工藝 2021-10-15 Ti80/TA5/TiB19鈦合金材料在船舶建造耐壓殼體中的應用特點 2021-09-20 軍工用高溫鈦合金發展迅速 2021-06-03 鈦棒鈦板等鈦合金材料的機械加工現狀與工藝 2020-12-23 鈦合金材料的應用現狀機械加工原則與機械加工技術分析