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海洋用大口徑鈦合金管材應用和發(fā)展
發(fā)布時(shí)間:2021-06-03 16:16:50

       近年來(lái),我國實(shí)施了大量海洋艦艇、海洋石油鉆井平臺、海水淡化、人工島礁建設等重大工程,對上述領(lǐng)域中大型裝備使用的各類(lèi)高強耐蝕金屬管材的需求呈大幅增長(cháng)趨勢。由于金屬管材需要在復雜惡劣海洋環(huán)境(強腐蝕、臺風(fēng)、強對流、高溫、高壓、生物附著(zhù))中應用,對其耐蝕性能有極高要求,鈦及鈦合金具有髙強韌性、無(wú)磁、低密度及優(yōu)異的耐蝕性能等獨特優(yōu)勢,成為上述領(lǐng)域大型裝備中最為理想的材料。大量使用經(jīng)驗證實(shí),低合金鋼管路系統使用壽命為1?2年,Cu/Ni管路系統使用壽命也僅有6?8年,遠達不到海水管路設計壽命要求。鈦具有高強、高韌性、比強度高、質(zhì)輕、無(wú)磁、耐海水腐蝕和海洋大氣腐蝕等特點(diǎn),鈦及鈦合金管道的腐蝕壽命大于12萬(wàn)小時(shí),服役期限60年以上,在惡劣的海洋工況條件下,鈦合金材料的全壽命是其他金屬材料無(wú)法比擬的,在裝備壽命結束之后可百分之百無(wú)害化回收。因此,是海洋裝備的最佳選材。

  海洋裝備的特點(diǎn)

 ?、俸Q笱b備屬大型金屬建筑物,體形噸位大,投資費用高,破壞損失大。

 ?、谙到y結構復雜、功能齊全,工況條件復雜惡劣,對可靠性要求高,建造技術(shù)難度大。

 ?、鄄牧涎訅蹖ΡU虾Q笱b備和結構物完整性、可靠性和安全性,促進(jìn)資源保護和可持續發(fā)展具有重要的意義。

 ?、芴岣吆Q笱b備性能主要涉及提高耐腐蝕性、輕量化、高強高韌材料應用、可靠性和全壽命周期產(chǎn)品經(jīng)濟性。

  鈦合金管材的優(yōu)勢

  鈦合金具有熔點(diǎn)高、密度小、強度大、耐腐蝕、超導、形狀記憶和儲氫等一系列重要特性,廣泛應用于航空、航天、艦船、核電、醫療、化工、冶金、電子、體育休閑、建筑等領(lǐng)域,被人們譽(yù)為“第三金屬”、“空中金屬”和“海洋金屬”。管材用于氣態(tài)、液態(tài)介質(zhì)的傳輸通道,是國民經(jīng)濟各領(lǐng)域的基礎性產(chǎn)品,鈦合金管材由于其本身的質(zhì)輕、耐腐蝕性能好的優(yōu)異特點(diǎn),在航空發(fā)動(dòng)機、航天飛行器、石油輸送管路、化工設備、海洋環(huán)境施工及海上各種作業(yè)平臺等有著(zhù)廣泛的應用,諸如沿海電站、海上油氣開(kāi)采輸送、海水淡化、海洋化工生產(chǎn)、制堿制鹽、石油精煉設備等,前景十分廣闊。

  推廣應用鈦材料是船舶與海洋工程裝備最重要的技術(shù)發(fā)展方向之一。鈦合金管材已被發(fā)達國家廣泛應用于船舶與海洋工程裝備中,大量采用鈦材,使其裝備的安全可靠性能得以提高,設備體積減小,質(zhì)量減輕,設備破損事故和維修保養次數明顯減少,極大延長(cháng)了使用壽命。

  鈦合金管材加工性能特點(diǎn)

  鈦合金室溫塑性較低,變形抗力大,但其在α+β兩相區和β相區具有良好的塑性和較低的變形抗力,因此,鈦合金材料的成型制造或各種型材制備(板、棒、管等)均需加熱至相變點(diǎn)附近進(jìn)行。

  由于鈦合金在高溫下易于與氧、氮、碳等發(fā)生化學(xué)反應且易于吸氫,導致鈦合金變形性能急劇下降并影響材料的服役性能,加之鈦合金導熱系數低,大型坯料加熱時(shí),往往會(huì )導致截面溫差大,極易導致變形過(guò)程開(kāi)裂;此外,鈦合金變形區溫度范圍較窄,且對應變速率較為敏感,一般須在較低速率下變形;同時(shí),由于變形后冷卻速度直接影響其室溫平衡態(tài)組織和構件的服役性能,因此,變形過(guò)程中應保持變形溫度的恒定或采取措施降低其溫降的速率以使其具有足夠的塑性。

  我國大口徑鈦合金管材制備技術(shù)分析

  傳統的鈦合金無(wú)縫管生產(chǎn)工藝為擠壓穿孔、斜軋穿孔+多道次冷軋、鉆鏜孔工藝。目前,國內利用傳統工藝可以制備小規格鈦合金管材,并在航空、航天、船舶以及石油化工領(lǐng)域應用,有力支撐了武器裝備和國民經(jīng)濟的發(fā)展。

 ?。?)傳統鉆鏜孔、擠壓工藝:鉆鏜孔加工是直接利用鈦合金棒材經(jīng)鉆鏜加工,無(wú)需加熱工序及壓延成型,材料利用率極低,一般不足50%,因此,綜合成本很高。同時(shí),不適合加工長(cháng)徑比較大以及薄壁管材。

  擠壓成型技術(shù)可獲得較大的變形量,晶粒細小,毛管壁厚均勻度控制較難。擠壓成型通常采用玻璃粉潤滑或包銅套潤滑,玻璃粉潤滑擠壓鈦合金管工藝在我國尚不成熟,在擠壓后段潤滑效果不理想,極易造成模具和擠壓管材的表面嚴重損傷,制造成本高,生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量低;包銅套潤滑效果較好,可以得到較好的鈦合金管表面質(zhì)量,但包銅套材料消耗較大,去除附著(zhù)在鈦合金管表面的包銅套耗酸比較多,容易造成環(huán)境污染。

 ?。?)傳統穿孔(曼式)+冷軋工藝:冷軋工序繁多,生產(chǎn)效率極低,需要進(jìn)行多道次軋制,道次變形小,道次間退火能耗高,且酸洗污染環(huán)境。該工藝只適合軋制純鈦和變形抗力低的合金管材,不能軋制高強度的鈦合金管(如:TC4)。該工藝成材率在75%左右。

  隨著(zhù)我國高端裝備的發(fā)展,對大規格鈦合金管材有著(zhù)明確的需求,鑫鵬源智能裝備集團有限公司集多年無(wú)縫管技術(shù)研發(fā)和生產(chǎn)實(shí)踐,突破了高耐蝕鈦及鈦合金管材制造技術(shù)難題,獨創(chuàng )了海水管路系統用大口徑鈦合金管材制造技術(shù)集成,采用鋼—鈦結合生產(chǎn)模式、縮短工藝流程,提高成材率和生產(chǎn)效率,形成具有自主知識產(chǎn)權的研究成果。其中《海水管路系統用大口徑鈦及鈦合金管材制造技術(shù)集成》由中國有色工業(yè)協(xié)會(huì )組織的專(zhuān)家組評審,專(zhuān)家組長(cháng)由原中國工程院副院長(cháng)干勇院士擔任,著(zhù)名航空鈦合金專(zhuān)家曹春曉院士任副組長(cháng)。專(zhuān)家組成員還有北京有色金屬研究院張國成院士,西北有色金屬研究院副院長(cháng)顏學(xué)柏教授,有色工業(yè)協(xié)會(huì )原秘書(shū)長(cháng)馬世光教授。專(zhuān)家組成是有色工業(yè)協(xié)會(huì )歷年來(lái)級別最高的一次。經(jīng)過(guò)近5個(gè)小時(shí)的資料評審和答辯,專(zhuān)家們一致認為成果為顛覆性創(chuàng )新,開(kāi)創(chuàng )了大口徑鈦管材軋制的先河,最終評定成果達到了世界領(lǐng)先水平。

  針對鈦合金材料的特性,通過(guò)控制開(kāi)軋溫度、總直徑壓下率、橢圓度系數、變形速率、頂前壓下率及孔腔控制等工藝參數,保障全工藝過(guò)程的穩定進(jìn)行,內外表面質(zhì)量、尺寸精度及各項性能指標完全滿(mǎn)足工藝要求。該制備技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn):

 ?、僭摷夹g(shù)針對鈦合金變形抗力大的特點(diǎn),通過(guò)對斜軋穿孔機、多功能軋機和雙系列微張力減徑機等設備的創(chuàng )新性提升,增加主電機軋制力,通過(guò)一次環(huán)形爐加熱,在穿孔、熱軋、定徑、矯正工序間采用智能溫控系統和快速移送裝置,最大限度降低坯料的溫降速率以保證其具有足夠的塑性,適應鈦合金變形溫度范圍窄的特點(diǎn)。

 ?、谠摴に囂貏e適用于大口徑鈦合金管材軋制成型,外徑規格達到φ530mm,壁厚涵蓋5-36mm,產(chǎn)品長(cháng)度可達12米以上。相對于擠壓+冷軋工藝和鉆鏜孔加工工藝,其加工成本降低50%以上;相對于傳統鉆鏜孔加工,鈦合金管材利用率提高40%以上;相對于傳統擠壓成型工藝,生產(chǎn)效率成倍提高。實(shí)現了高效率、低成本,攻克了鈦合金兩輥斜軋壓延成型生產(chǎn)大口徑鈦合金管材的技術(shù)瓶頸,基于工藝的先進(jìn)性和技術(shù)的成熟性,成材率最高可達95%。

  大口徑鈦合金管材的應用及發(fā)展前景

  目前,國內艦船裝備用鈦主要包括: 潛艇的主冷凝器、鈦合金魚(yú)雷發(fā)射水缸、核動(dòng)力壓水堆一回路系統危急冷卻器、聲納導流罩、鈦合金螺旋槳、柴油機排煙管道及通海管路系統、相關(guān)管路及泵閥系統、深潛器耐壓殼體及輔助系統。其中海水管路典型規格:φ308x4mm,φ285x5mm;艦船主海水配管系統:φ12.7~304.8mm。

  由于鈦及鈦合金的密度低、耐腐蝕、強度高,可以大大降低設備的重量,所以盡管從單價(jià)上講,鈦及鈦合金會(huì )貴一些,但設備的總體重量降低后,鈦及鈦合金一次性投入反而不會(huì )過(guò)高于其它材料,甚至于會(huì )低于其它材料。鈦及鈦合金管應用前景巨大,隨著(zhù)高效、短流程、低成本生產(chǎn)技術(shù)的成熟和推廣,許多銅及銅合金管應用的領(lǐng)域都能被鈦及鈦合金管替代。

 ?、俅爸圃旆矫?,艦船及大型油輪用的管材是銅合金管應用重要領(lǐng)域。艦船用銅合金管主要有BFe30-1-1、BFe10-1-1白銅管和HAl77-2鋁黃銅管。由于在海上接觸介質(zhì)多為海水,所以要求管材具有優(yōu)異的耐海水腐蝕能力和較高的力學(xué)性能、工藝性能。海洋工程熱交換裝置運用銅及銅合金管,如其他船用熱交換管主要包括:柴油發(fā)動(dòng)機和發(fā)電機以及其他輔助系統等的冷油器、水冷卻器和給水加熱器等的傳熱管,該類(lèi)產(chǎn)品規格各異。

 ?、诤Q蠊こ毯痛髧嵨慌灤慕ㄔO要求配套更高精度和更大口徑的耐蝕管道裝置用管,以提高一次傳輸量和排水量。同時(shí)還要以高的尺寸精度保證管道裝配的高密封性,據了解,目前德國、韓國等國家的大口徑船用及采油平臺等無(wú)縫白銅排水管的最大直徑已達到φ520mm以上。

  隨著(zhù)我國海洋強國戰略的逐步深化,在海工裝備、海洋油氣田勘探開(kāi)發(fā)、艦船等領(lǐng)域,大口徑高強高耐蝕的無(wú)縫管管材需求不斷增加。大口徑鈦合金無(wú)縫管的規?;a(chǎn)和高效、短流程、低成本制備技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化推廣應用將進(jìn)一步滿(mǎn)足市場(chǎng)對鈦及鈦合金產(chǎn)品的低成本化需求。同時(shí),目前鈦產(chǎn)業(yè)集中度不高,各生產(chǎn)廠(chǎng)商應積極與國家標準的制定和設計單位、高等院校,下游用戶(hù)及其他相關(guān)配套裝備生產(chǎn)企業(yè)精誠合作建立國家級鈦技術(shù)經(jīng)濟網(wǎng)絡(luò )服務(wù)平臺,形成合力,共同推動(dòng)鈦合金的市場(chǎng)開(kāi)發(fā),并爭取國家給予政策和金融支持,進(jìn)一步推動(dòng)鈦合金管材的更廣泛應用。



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