鈦合金材料在海洋工程領域的應用現狀與存在的問題

覆蓋地球表面積71％的海洋，是孕育生命的搖籃，是潛力巨大的資源寶庫，是全球進出口貿易的重要通道，也是現代大國的命脈所在。幾個世紀以來，人們圍繞海洋進行了一系列的探索與開發。在21世紀的今天，隨著科技、經濟、軍事等領域的飛速發展與變化，為了解決能源危機，保障生存空間，大力開發海洋資源，世界各國圍繞海洋資源開發的競爭正在變得越來越激烈。在這個背景下，掌握開發海洋的技術成為各國重要的戰略目標。

為了開發海洋，勢必對海洋工程裝備材料提出特殊要求。海洋環境中的工況與陸地上全然不同，海水中含有氯化物、硫酸鹽等大量鹽類，絕大部分呈離子狀態存在于海水中，對接觸到海水的裝備表面有很強的腐蝕作用。同時，裝備暴露在海面之上的部分也受到很強的海洋大氣腐蝕作用。裝備在海水中受到的壓強隨深度變化以大約10MPa/km的速度增加，因此在深海作業的工況下，設備選用的結構材料需要具備高的強度和剛度。

另外，在水流、潮汐及上浮下潛等工況下，海水對構件產生明顯的往復應力與沖擊，對于材料的疲勞性能、韌性等有很高要求。由此可見，海洋工程設備需要選用高比強度、良好耐蝕性、韌性的材料。

鈦合金密度低，比強度高，耐腐蝕性能好，與鋼鐵、銅、鋁等常用的結構材料相比，它無磁性，無冷脆性，同時還具有優良的耐海水沖刷腐蝕性能，具有高透聲系數及優異的中子輻照衰減性能，是非常理想的海洋材料，可以很好地滿足海洋工程應用要求，被譽為“海洋金屬”。鈦及鈦合金在海洋工程中開發、應用與推廣，對提高海洋工程裝備的作業能力、安全性、可靠性、壽命等具有十分重要的意義，是建設海洋強國的重要戰略材料之一。

1、海洋工程鈦合金應用現狀

針對海洋工程用鈦合金材料，美國、俄羅斯、英國、日本等海洋大國已經開展了50余年的研究，形成了較成熟的海洋工程鈦合金材料體系，成功應用于艦船、深潛器、海洋油氣開發、濱海建筑等領域。

1.1 船舶

鈦合金在船舶上的應用主要分為水面船只和潛艇兩大領域。20世紀70至80年代以來，西方發達國家陸續開始在其艦艇上大量采用鈦材替代不銹鋼及鎳基合金，在動力系統、冷卻系統、聲吶系統、耐壓殼體等部件上得到廣泛的應用。

船體及其泵、閥、管線等部件長期浸泡在海水中，極易受到海水腐蝕，使用鈦材可以減輕船體質量，解決腐蝕問題，保障抗沖擊、疲勞性能，從而延長艦船使用壽命。用鈦代替不銹鋼或銅鎳合金，用來制造艦船動力系統的熱交換器、冷凝器、反應堆殼體、推進軸、螺旋槳等，可大大提高動力系統的使用壽命和安全可靠性。目前美國、俄羅斯、日本等國在艦船的各種管路系統中已形成鈦合金化的趨勢。以美國為例，其艦船使用鈦合金的典型部件如表1所示。通過主要部件的鈦合金化，艦船減重效果顯著，維護成本明顯降低。例如兩棲船塢運輸艦(LPD 17)的海水系統管路和閥門使用鈦合金替換了銅鎳合金后，全壽命期節省成本近1700萬美元。

限于材料成本及技術難度，目前水面船舶殼體大量采用鈦合金作為結構材料的先例尚不普遍。在這方面，日本是較早開展研究和應用的國家，在船體用鈦合金材料研制和加工、成型、焊接技術等方面取得了開創性的進展。1985年，日本東邦鈦金屬公司和藤新造船所共同建造了“摩利支天II”(Marishiten II)號全鈦游艇，船長17m，寬4m，高2.5m，質量2.8t，開創了全鈦船舶的先河。1997年，日本日生公司建造了“Titan Lady”號游艇，船體采用Grade2工業純鈦，船舵、舵軸及推進器等則選用Ti石m4V合金。江藤造船所于1998年和1999年分別建造了兩艘全鈦船，船體構件和框架均為鈦合金，使用鈦合金材料約3t。

盡管美軍尚未真正將鈦合金應用于船舶殼體，但2012年，美國海軍研究處(ONR)報道其正在資助一項計劃，旨在制造出全尺寸鈦合金船體。該計劃采用一種針對鈦合金進行改進的攪拌摩擦焊，試驗中最長的焊縫已經超過了70英尺”。可以看到，隨著材料制備及加工成本進一步降低及焊接工藝的逐漸成熟，未來鈦合金將會在船體結構中得到更廣泛的應用。

鈦合金密度小，強度高，無磁性，是大深度潛艇耐壓殼體的理想選擇。蘇聯是世界上第一個將鈦合金大量應用在潛艇耐壓殼體上的國家。1968年，蘇聯建造了世界上第一艘全鈦核動力潛艇K．162(北約代號“Papa”級)，排水量5200t，潛深達到400m。隨后在70—80年代蘇聯又相繼建造了包括“阿爾法(Alfa)”級、“麥克(Mik)”級、“塞拉(Sierra)”級等在內的一系列全鈦殼體核潛艇。目前，俄羅斯仍然是唯一掌握全鈦潛艇建造技術的國家，其潛艇耐壓殼體所使用的鈦合金主要是Ti-4A1-2V(IIT-3B)和Ti-2A1-2.5Zr(IIT-7M)兩種。美國雖未建造全鈦潛艇，但已經將Ti-5AI-1V-1Sn-1Zr-0.8Mo合金應用在潛艇桅桿厚板、管材、棒材、鑄件、鍛件和緊固件等部件上，以減少艇身質量，優化性能。

我國在艦船的動力系統、管路系統、聲吶系統中使用了鈦合金，具體部件包括鈦制抽氣器、換熱器、導流罩、舷側陣等。但與發達國家相比，鈦合金部件占比較少，仍以“點式”為主，且加工工藝有待進一步改進。

1.2 深海探測

鈦合金由于具有比強度高、耐腐蝕的特性，被廣泛應用于載人深潛器耐壓殼體。早期的深海潛水器，例如由美國伍茲霍爾海洋研究所制造的于1964年開始服役的“阿爾文(Alvin)”號，大多都使用高強鋼為殼體。然而鋼鐵質量較大，極大限制了下潛深度，以2012年下潛至馬里亞納海溝底部(深10898 m)的“深海挑戰者”號為例，為了保證浮力材料強度達到深海要求，不得不將其駕駛艙直徑減小到1.09m，僅能勉強容納一人，顯然無法勝任較復雜的科學探究工作。因此，1973年，美國采用Ti-6A1-2Nb-1Ta-0.8Mo合金替代HYl00高強鋼重新制造了“阿爾文”號深海載人潛水器殼體，并且采用Ti-6Al-4V合金制作浮力球和高壓氣瓶，下潛深度達到了3658m。2010年，美軍對原“阿爾文”號進行了升級，重新制造了鈦合金耐壓艙，使得設計下潛深度達到了6500m，這一深度覆蓋了全球98％的海域。自1964年服役以來，“阿爾文”號共下潛4600多次，進行了大量的深海探測工作，已成為美國著名的文化符號之一。

1978—1981年，日本建造了“深海2000”深海載人潛水器，由4個Ti-6Al-4V ELI合金的耐壓艙組成，設計下潛深度2000 m，作為日本最初的深海載人潛水器，進行了大量試驗。到了90年代，日本又建造了“深海6500”號深潛器，殼體為Ti-6Al-4V材料，下潛深度達到6500m，進行了多次深海探測活動。法國的“鸚鵡螺(Nautile)”和俄羅斯的兩艘“和平(MIR)”號也是著名的6000m級深潛器。

2012年，我國載人深潛器“蛟龍”號成功進行了7000 m下潛試驗，創造了世界同類作業型潛水器最大下潛深度紀錄。該深潛器重22.9t，耐壓殼體內徑尺寸為2.1m，采用鈦合金制造。經過各單位數年的合作研發，我國在深海用鈦合金的材料研制及加工工藝開發方面已經取得了重大突破，掌握了相關鈦合金的制備、成型及焊接技術，已經實現了殼體的完全自主設計、研發與制造。2017年，我國完成了4500m載人深潛器“深海勇士”號下潛試驗，目前正在進行10 000m全海深載人潛水器載人艙鈦合金耐壓結構材料及工藝的研制工作，已完成了多輪次耐壓球殼模型的建造與考核。表2列出了世界主要6000m級載人深潛器的概況。

除了作為深潛器耐壓殼體材料以外，鈦合金在深海探測領域還有很多應用。例如，由中船重工七二五所研發的400MPa級鈦合金管材，已被應用于南海永興島、美濟礁等地的地震觀測井。

1.3 油氣開采

在化石燃料能源日益匱乏的今天，海洋中豐富的油氣能源成為各國加緊開發的戰略目標。

海上鉆井平臺是實施海底油氣田勘探和開采的工作基地，其結構件、管件等長期受到腐蝕及疲勞載荷，環境條件苛刻。20世紀末以來，海洋石油開發逐漸形成從近海到遠海、從淺海到深海的過程，耐腐蝕、高強度的鈦合金成為海洋油氣開發的首選材料。

鈦合金比強度高，對于減輕深海裝備結構質量具有重要意義；鈦合金耐蝕性好，即使在嚴重污染的水體中也能保持很好的性能，抗局部腐蝕性能好，對微生物腐蝕不敏感，在氯離子溶液介質中通常可以抵抗應力腐蝕開裂，性能良好。早在20世紀70年代初，美國就將鈦合金應用于近海石油平臺支柱和板式換熱器。

1991年美國Conoeo公司首次將鈦合金應用于Heidrun平臺上的提升裝置，從此鈦合金提升管開始大量應用于石油天然氣開采行業。此外，鉆井立管接頭處承受交變循環應力，容易產生疲勞，鈦制接頭具有優異的性能和較輕的質量。目前，鈦合金在海洋油氣田中應用的部位主要包括換熱器、提升裝置、結構件、緊固件等。從綜合成本考慮，使用鈦合金件具有很高的經濟性。

近年來，我國也開始將鈦合金應用于油氣開采領域，例如七二五所與天津鋼管集團等單位聯合，研制出的鈦合金油井管應用于川西地區石油開采，中國石油集團石油管工程技術研究院也已成功開發出φ73mm鈦合金鉆桿，在中國海洋石油進行了下井試驗。

1.4 海水淡化

海水淡化是人類解決未來淡水資源缺乏的有效方法。早期的海水淡化裝置使用鋁、銅鎳合金等材料，但這些材料耐海水腐蝕性差，維護成本高，隨著鈦合金成本的降低和焊接工藝的成熟，已經逐漸被鈦合金所取代。目前，鈦合金被廣泛應用于海水淡化裝置的冷凝器、蒸餾器、換熱器、泵、閥、管件等部件。

1965年，美國哈維鋁業公司在美屬維爾京群島的圣克洛伊島建立的5700t/d海水淡化廠中首次使用了鈦管件。其后，日本也開始了這方面的研究與應用，并成為海水淡化裝置的領軍者之一。日本的產業巨頭川崎重工、三菱重工、神戶制鋼所等都有完整的冷軋鈦帶卷生產體系，并且有成熟的薄壁管件焊接技術。我國在山東、天津、河北等地也建立了海水淡化裝置，大量采用鈦合金管件。例如我國在山東 黃島的一座3000t/d的海水淡化裝置，共用φ19mm×0.5 mm×4220 mm的鈦焊管2 200支，重達1.25t。隨著國家對海水淡化產業的不斷重視，鈦合金將會得到大量應用，創造出極大的市場。

2、當前不足與展望

在國家宏觀政策的指引與各研發部門多年的努力下，我國的海洋用鈦合金已經得到了長足的發展，形成了較為完整的體系，材料生產、產品制造工藝等已相對成熟。但是，仍然存在以下幾個問題：

(1)鈦合金基礎研究薄弱，對于鈦合金機理了解不充分，不能對工程應用提供足夠的指導；

(2)針對海洋中的工況，數據積累較少，缺少有針對性的試驗設備與方法；

(3)目前在海洋工程中鈦合金用量少，由此導致應用成本偏高；

(4)沒有形成完整的鈦合金材料評價體系，缺乏成熟的選材指導準則；

(5)大規格鈦合金材料制備與加工工藝尚不夠成熟。

目前我國海洋用鈦合金材料占比較低，僅占2％左右，與發達國家相比有巨大的提升潛力。黨的十八大報告首次提出，提高海洋資源開發能力，發展海洋經濟，保護海洋生態環境，堅決維護國家海洋權益，建設海洋強國。“十三五”規劃將高技術船舶材料、深海探測、大洋鉆探、海底資源開發利用等列為重點發展項目。十九大更是提出要堅持陸海統籌，加快建設海洋強國。由此可見，隨著鈦合金成本的降低與工藝的成熟，鈦合金在海洋工程中的應用前景將會極其廣闊。