一、鈦合金在海洋工程上的應用現(xiàn)狀及前景展望
㈠、引言
占地球表面積約71%的海洋中蘊藏著豐富的資源,開發(fā)海洋、利用海洋,讓海洋成為我們巨大財富的源泉,這已成為人們多年來努力的方向之一。但是,由于海水中含有大約3.5%的含鹽量,因此,海水具有腐蝕性。此外,海洋中的某些生物污染也加速了海水的腐蝕。
鈦是一種物理性能優(yōu)良、化學性能穩(wěn)定的材料。鈦及其合金強度高、比重小,耐海水腐蝕和海洋氣氛腐蝕,可以很好地滿足人們在海洋工程方面應用的要求。經(jīng)過鈦業(yè)界人士和海洋工程應用研究人員多年的努力,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)域取得了廣泛的應用。現(xiàn)在,海洋工程用鈦已成為鈦民用應用的主要領(lǐng)域之一。
㈡、應用現(xiàn)狀
2.1海洋油氣開發(fā)
石油是一個國家的經(jīng)濟命脈。據(jù)估計,世界可開采的石油資源儲量為3000億噸,其中海底石油儲量約為1300億噸。海底石油的開發(fā),開始于20世紀初。它的發(fā)展經(jīng)歷了從近海到遠海、從淺海到深海的過程。受技術(shù)條件和材料發(fā)展的限制,最初只能開采從海岸直接向淺海延伸的石油、天然氣礦藏。20世紀80年代以來,在能源危機和技術(shù)進步的刺激下,近海石油勘探與開發(fā)飛速發(fā)展,海洋石油開發(fā)迅速向大陸架挺進,逐漸形成了嶄新的近海石油工業(yè)部門。海上鉆井平臺是實施海底油氣勘探和開采的工作基地,它標志著海底油氣開發(fā)技術(shù)的水平。海上石油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(zhì)接觸。由于鈦在這些介質(zhì)中具有優(yōu)異的耐蝕性,所以美國在上世紀70年代初就在其油田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(zhì),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(zhì),把碳鋼換熱器內(nèi)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。位于英國蘇格蘭阿伯丁的亨廷油田服務公司訂購的鈦制部件據(jù)說是世界上第一個鈦制高壓立管式豎井,用于美國大陸石油公司(Conoco)挪威的Heidrum工程項目中。
石油鈦合金鈦鉆探管的使用壽命較長,其重量僅為不銹鋼的一半,而使用靈活性卻是不銹鋼的二倍,使用壽命為鋼的10倍。這些優(yōu)異的性能使得鈦成為一種用于鉆探難度較大的近圓形、且深度深的油井的極佳材料。包含有鈦鉆探管的組合鉆具可以極大地減少鉆探時間、降低鉆探總成本。美國的GrantPrideco公司、RTI能源系統(tǒng)公司及Torch鉆探服務公司在2000年首次將鈦鉆探管用于工業(yè)應用。GrantPrideco公司和RTI能源系統(tǒng)公司共同生產(chǎn)和供應的鈦鉆探管還配有GrantPrideco抗疲勞公司提供的鋼工具接頭。這種接頭的重量輕、使用靈活性好,且可以使鈦鉆探管堅固結(jié)實。
海水管道系統(tǒng)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(tǒng)相比是合算的。美國活性金屬公司與精密管技術(shù)公司合辦了一個鈦管技術(shù)公司,生產(chǎn)一種大口徑鈦合金管。這種管子所使用的合金是Ti-3Al-2.5V合金,口徑為650mm,壁厚為22～25mm,長度為350m,一根管子重達80～90t,計劃用于海底石油開采。美國另一家公司利用長度為15m、外徑為600mm、壁厚為25mm的無縫鈦合金管通過擠壓方法制成了近500m長的豎井管,已經(jīng)用于一個近海鉆井平臺。據(jù)稱,這種豎井管的重量可以減輕一半,從而大大降低壓載成本,另外,還具有很高的斷裂韌性和較長的疲勞壽命。
據(jù)資料報道,在美國北海油田開發(fā)項目中,船上浮體裝置和海底固定裝置的用鈦量比以前有所增加。24臺船上浮體裝置和64臺海底固定裝置對鈦材的需求量為:安全保護裝置50～100t,連接裝置50～100t,通用升降設備400～1000t,鉆桿1400～4200t。海上石油開采平臺生物污染引起的結(jié)構(gòu)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。
在過去幾年里,鈦合金部件在石油鉆探和海濱生產(chǎn)作業(yè)中的應用明顯增加。鈦合金部件使得石油鉆探可以進入更深的水域和更深的油井,包括更高的溫度和腐蝕嚴重(即多鹽)的生產(chǎn)環(huán)境。
對于這類應用,從綜合性能來考慮,TC4鈦棒（Ti-6Al-4V）基合金是最適用的,且成本最低。海水管道系統(tǒng)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(tǒng)相比是合算的。美國活性金屬公司與精密管技術(shù)公司合辦了一個鈦管技術(shù)公司,生產(chǎn)一種大口徑鈦合金管。這種管子所使用的合金是TA18（Ti-3Al-2.5V）合金,口徑為650mm,壁厚為22～25mm,長度為350m,一根管子重達80～90t,計劃用于海底石油開采。美國另一家公司利用長度為15m、外徑為600mm、壁厚為25mm的無縫鈦合金管通過擠壓方法制成了近500m長的豎井管,已經(jīng)用于一個近海鉆井平臺。據(jù)稱,這種豎井管的重量可以減輕一半,從而大大降低壓載成本,另外,還具有很高的斷裂韌性和較長的疲勞壽命。
實踐證明,Ti-6Al-4V(Gr.5_TC4)合金是鉆井管的最佳材料,作為鉆井應用,屈服強度和疲勞強度是最重要的,因此,兩種特別低間隙元素的Gr.5合金適用于比較關(guān)鍵的動態(tài)提升裝置。當使用溫度超過75～80℃時,為了防止縫隙腐蝕或應力腐蝕,使用含釕的Gr29合金。最常用的部件包括海濱鉆井提升裝置、鉆探管、錐形應力接頭(TSJ)和鈦/鋼混合提升裝置。
鈦泵、閥、接頭、緊固件、夾具和零配件等小型鈦部件在石油開采平臺上已經(jīng)廣泛使用。國外海上石油勘探測井儀器外殼上也大量使用了鈦合金。
2.2海港建筑
鈦材表面有一層厚度不超過10nm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,是目前最能適應各種海洋環(huán)境的原材料。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、體育設施等等。
2.3沿海發(fā)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(fā)電站凝汽器是利用海水量較大的設備。沿海電站用鈦主要是凝汽器用鈦。由于冷凝器是用海水做冷卻水的,而海水中含有大量的泥砂、懸浮物質(zhì)、海生物和各種腐蝕性物質(zhì),在海水與河水交替變化的淡鹽水中的情況更為嚴重。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。 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。
2.4海水淡化裝置
“水是生命之源”。目前,水資源缺乏成為困擾全世界的問題。世界上約25%的人口沒有充足的飲用水資源。世界上的陸地河流、地下水資源已遠遠滿足不了工業(yè)發(fā)展的需要,因此,將來海水淡化將是人類解決淡水資源的有效的方法。
從國內(nèi)外海水淡化的發(fā)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。早期的海水淡化裝置使用銅合金、碳素鋼等材料,因這些材料不耐海水腐蝕,生產(chǎn)效率低,很快被耐海水腐蝕性能優(yōu)異的鈦所代替。在海水淡化中,鈦的主要應用是淡化裝置的加熱器傳熱管。海水淡化裝置的主要生產(chǎn)國是美國和日本。到 2004年,全世界已建和在建海水淡化裝置已有15000多臺,日產(chǎn)淡水約3200萬噸。日本公司為沙特建造日產(chǎn)淡水3萬噸的蒸餾法裝置10臺,用鈦管3200噸,平均日產(chǎn)1萬噸的裝置,需用鈦107噸。
我國的天津、山東等地均建有或在建海水淡化裝置。如天津市海水淡化的初步規(guī)劃是到2007年日產(chǎn)淡水量達50萬噸,到2010年達到70萬噸。預計天津和山東的海水淡化工程用鈦量大約是250噸。
2.5船舶
鈦及其合金在海水及海洋氣氛中耐腐蝕,且比重輕、強度高、抗沖擊、無磁、透聲、膨脹系數(shù)小,被認為是良好的船舶材料。近年來,鈦在船舶上的應用備受人們的關(guān)注。各國海軍和船舶工業(yè)對鈦在船舶上的應用研究也十分重視,研制出了許多牌號的船用鈦合金。鈦及其合金在船舶中的應用十分廣泛,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、船殼聲吶導流罩等等。
鈦在艦船殼體上首次應用是前蘇聯(lián)的α級潛水艇。隨后,鈦被用于人工或者無人駕駛的深海研究及深海援助潛水艇。一般的結(jié)構(gòu)件用工業(yè)純鈦,壓力容器用Ti-6Al-4V合金。據(jù)資料報道,船體結(jié)構(gòu)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(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。
日本在深海調(diào)查船用鈦合金方面的研究卓有成效,在“深海6500”可容納3名操作員的耐壓倉中幾乎全部都使用了鈦合金材料。這是三菱重工業(yè)神戶造船廠長時間努力的結(jié)果。潛艇用鈦量較大,如一艘下潛深度900m的核潛艇的用鈦量高達3500t。
2.6海洋漁業(yè)
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。
2.7海洋熱能轉(zhuǎn)換
海洋中蘊藏著巨大的能量,如潮汐能、波浪能、溫差能、海流能和鹽差能等等。隨著世界能源的日益緊缺,人們對海洋能源進行開發(fā)和利用的興趣會更大。已研究和開發(fā)了溫差發(fā)電和潮汐發(fā)電項目。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)電的主要設備是蒸發(fā)器、凝縮器及海水吸管、環(huán)路等,要求設備不僅要耐腐蝕,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。
㈢、前景展望
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;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用市場。
二、鈦合金民用健康產(chǎn)品市場情況
二、鈦合金民用健康產(chǎn)品市場情況
1、目前市場情況
目前，國內(nèi)外餐具、炊具材料廣泛使用的是鐵、鋁、不銹鋼這些材料，在使用中對人體都或多或少會產(chǎn)生一些不利于健康的因素：
① 鐵鍋：到了菜里的鐵，是三價鐵，人體是不能吸收，人體只能吸收二價鐵。
② 鋁鍋：在高溫酸、堿條件下會有鋁溶出，引發(fā)鋁中毒，是不安全的。國際衛(wèi)生組織明文禁止鋁鍋接觸含有鹽類的食品使用。
③ 不粘鍋：大部分是采用“特富龍”涂料，美國政府指控它是致癌物質(zhì)。特富龍在高溫下，會釋放出十幾種有害氣體，導致一些呼吸道敏感的動物死亡。但這些氣體對人體的毒害作用還沒有確定。
④ 搪瓷餐具：涂在搪瓷制品外層的實際上是一層琺瑯質(zhì)，含有硅酸鋁一類物質(zhì)。因為翻炒的碰撞摩擦，極易造成破損，使硅酸鋁一類物質(zhì)便會轉(zhuǎn)移到食物中去。
⑤ 陶鍋、砂鍋：潛在危害主要有兩方面：一是土砂鍋的釉質(zhì)，二是“偽紫砂”。“偽紫砂”添加鐵紅粉、二氧化錳等化學顏料配制加工而成，用化工制劑進行增色制造而成，而非真正紫砂。
2、鈦健康產(chǎn)品優(yōu)勢
鈦健康產(chǎn)品的優(yōu)勢是在鈦金屬表面生有一層牢固的氧化鈦化合物薄膜，化學性質(zhì)極其穩(wěn)定，甚至酸中的“王水”都奈何不了它。鈦鍋在烹飪時不與食材發(fā)生化學反應。所以能烹飪出食材的原汁原味，純鈦鍋是唯一可以用來煎中藥的金屬鍋。在美國和日本，人們稱鈦鍋是美味鍋，原汁原味的美味就是健康元素。
鈦鍋的熱功能優(yōu)異：能低溫、快速、低油脂的烹飪出綠色佳肴，最大限度的保留食材的營養(yǎng)成分和口感。高營養(yǎng)的綠色食品是健康元素。
鈦制餐具、炊具的使用優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾個方面：
① 強防腐蝕性：比不銹鋼更耐腐蝕，即使盛裝腐蝕性最強的“王水”（濃硫酸與濃硝酸的混合物）也毫無銹跡，長時間烹煮和存放酸性和堿性的食物也不會產(chǎn)生金屬異味，還可以用來煲中藥。其它金屬的鍋具無法做到這一點。
② 高硬度：比不銹鋼的硬度高很多，耐磨、耐刮，半永久使用。
③ 重量輕：太太使用很輕松，重量只有鐵鍋的一半，使用輕便。
④ 無需保養(yǎng)：丈夫使用很放心 高溫燒不壞，摔不壞，無需保養(yǎng)。
⑤ 抗菌性：具有天然的光觸媒抗菌效果，在自然光線下具有天然的抗菌作用，衛(wèi)生、無細菌污染。
⑥ 不粘效果：良好的不粘效果，和鐵鍋相當，但不能完全不粘。
⑦ 節(jié)能：省時節(jié)能，傳熱速度是鐵鍋的7倍，是復合底鋼鍋和合金鍋的數(shù)十倍，炒菜節(jié)省能源。
⑧ 生物親合性：是人體親和金屬 長時間接觸也不會過敏，醫(yī)療上已取代不銹鋼作為“人骨”植入人體內(nèi)。
⑨ 使用范圍：可以使用火爐和陶磁爐
⑩ 健康性：99.75％高純度的鈦金屬制成無涂層，是最健康安全的金屬鍋具。
⑾ 表面不粘性：電解研磨更加全面徹底，不存在機械拋光遺留的有害粉塵顆粒，電解研磨的鈦鍋呈現(xiàn)細微的凹凸表面，可以提升傳熱速度和不粘性。
⑿ 眾人眼中的形象：在公眾眼中鈦是用來做航天飛機、核反應堆、首飾、眼睛架高爾夫球棍等奢侈品。
鈦金屬擁有這樣絕佳的特性，同時鈦也是非常難以加工的金屬。對鈦加工技術(shù)和加工手段的了解和認識制約了相關(guān)企業(yè)進入這一領(lǐng)域，到目前，國內(nèi)鈦制餐具、炊具還是一塊處女地，正在等待有識之士的開發(fā)。本項目技術(shù)生產(chǎn)的鈦制餐具、炊具克服了純鈦金屬難展現(xiàn)藝術(shù)性的難度和美感的刻板印象，并有著鮮艷的顏色, 讓科技與生活工藝完美結(jié)合。使千家萬戶真正體會到“要健康，用鈦鍋！”
三、鈦合金建筑裝飾材料應用介紹
金屬材料用于建筑，特別是屋頂，首先應用的是銅，依次開發(fā)使用的是表面處理過的鋼板、鋁、不銹鋼和鈦。隨著國民經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，人們對城市建筑物的要求，特別對建筑物的美觀性要求越來越高。近年來建筑師追求使用比傳統(tǒng)材料更高級的新型建筑材料。鈦金屬具有許多非常優(yōu)異性能，完全滿足對建筑材料的許多特殊性能要求，因而倍受建筑師和建筑業(yè)的青睞。
日本是首先將鈦應用于建筑物的國家，也是在建筑物上應用鈦最多的國家。其主要是應用于建筑物的屋頂，以及大廈幕墻、港口、橋梁、隧道、外壁、門牌、欄桿、管道等。英國、法國、美國、西班牙、荷蘭、加拿大、比利時、瑞士均有建筑物使用鈦金屬作屋頂和幕墻的范例，瑞典、新加坡和埃及等國家也在一些新建筑上開始使用鈦金屬。1997年西班牙畢爾巴鄂市的古根海姆博物館就是采用鈦金屬板構(gòu)造出去曲面的建筑造型。阿布扎比機場也選用了鈦，且用量幾百噸，該機場是世界上第一將鈦作為建筑結(jié)構(gòu)材料使用的機場。
我國最先提出應用鈦金屬的建筑是國家大劇院，最先應用的是杭州大劇院。應用鈦金屬的建筑還有中國有色工程設計研究總院大門廳、杭州臨平東來第一閣、上海馬戲雜技場屋頂和大連圣亞極地世界等。用于城市雕塑的有陜西省寶雞市河濱公園內(nèi)的鈦雕塑“海豚與人”、河北省邢臺市中心廣場的鈦雕塑“乾坤球”、陜西省寶雞市步行街的鈦雕塑“雄雞報曉”等。
我國鈦金屬生產(chǎn)技術(shù)基本成熟，生產(chǎn)設計規(guī)模很大，但銷售市場不大，經(jīng)濟效益不理想，主要是缺少客戶滿意的技術(shù)經(jīng)濟性能好的產(chǎn)品。我國目前的建筑用鈦現(xiàn)狀如下：
1、產(chǎn)品單一：作為結(jié)構(gòu)材料，沒有足夠的品種以供使用者選擇。作為表面裝飾材料，目前我國沒有形成較大的鈦表面處理規(guī)模生產(chǎn)企業(yè)，加工還停留在手工作坊生產(chǎn)方式階段，這不利于大面積使用鈦作為裝飾用材。
2、品位低：沒有較高品質(zhì)的產(chǎn)品，更沒有鈦及相關(guān)復合材料的大量供應，只能生產(chǎn)一些模型、城雕、工藝品等，沒有品位較高的表面裝飾材料及其生產(chǎn)手段。
3、價格高：由于沒有穩(wěn)定的高品質(zhì)的產(chǎn)品，不可能有大面積的廣泛應用，導致使用量小、價格高，更不利于推廣使用。
4、設計者因素：我國沒有類似職業(yè)培訓制度，新材料發(fā)明后沒有在建筑設計師思維中儲存下來，導致在建筑原創(chuàng)設計圖很少把鈦金屬設計進去，用途就顯然少了。
近年來隨著全球海洋化的進展以及鈦原材料價格不斷下跌，鈦在建筑、裝飾領(lǐng)域的需求量和應用范圍正在不斷拓展，預計今后幾年在建筑、裝飾行業(yè)鈦材需求量將達5000噸以上，海洋工程和海島建設鈦材需求量將達5000噸以上，造船工業(yè)用鈦量將達5000噸以上。而我國現(xiàn)在還沒有一家專業(yè)從事建筑裝飾用鈦材生產(chǎn)企業(yè)，只是將工業(yè)用材料簡單的應用于民用領(lǐng)域，與市場和行業(yè)需求差距較大，急需建立專業(yè)化生產(chǎn)線，滿足這一領(lǐng)域的各項專業(yè)化需求。
鈦是目前能大量生產(chǎn)的、價格最低的、幾乎完全不被海水腐蝕的金屬。作為建筑材料，鈦材的反射率較小，并呈現(xiàn)淡銀灰色，擁有迷人的金屬自然光澤。寶雞鈦產(chǎn)業(yè)研究院將生產(chǎn)建筑裝飾用鈦材，主要是應用于建筑物的屋頂，其次是大廈的幕墻、港灣設施、橋梁、海底隧道、外壁、裝飾物、小配件類、立柱裝飾、外裝、紀念碑、標牌、門牌、欄桿、管道、防蝕被覆等。項目利用國內(nèi)現(xiàn)有鈦板、鈦卷帶為原料，采用整形拋光、壓花技術(shù)，使板材表面光亮，色澤一致并具有金屬花紋；采用大面積板材陽極氧化著色技術(shù)，為板材表面著色，形成多彩顏色，滿足建筑、裝飾類材料的需求。
