Status Permohonan dan Prospek Aloi Titanium dalam Kejuruteraan Lautan

(1) Pengenalan

Lautan, yang menyumbang kira-kira 71% daripada permukaan bumi, mengandungi sumber yang banyak. Ia telah menjadi salah satu hala tuju usaha rakyat selama bertahun-tahun untuk membangunkan dan memanfaatkan lautan untuk menjadikan lautan sebagai sumber kekayaan kita yang besar. Walau bagaimanapun, air laut menghakis kerana kandungan garamnya kira-kira 3.5%. Di samping itu, beberapa pencemaran biologi di lautan juga mempercepatkan hakisan air laut. Titanium adalah bahan dengan sifat fizikal yang sangat baik dan sifat kimia yang stabil. Titanium dan aloinya mempunyai kekuatan tinggi, graviti tentu yang kecil, dan tahan terhadap kakisan air laut dan kakisan atmosfera marin, yang boleh memenuhi keperluan aplikasi orang ramai dalam kejuruteraan marin. Selepas bertahun-tahun bekerja keras oleh orang dalam industri titanium dan penyelidik aplikasi kejuruteraan lautan, titanium telah digunakan secara meluas dalam bidang pembangunan minyak dan gas luar pesisir, pembinaan pelabuhan laut, stesen janakuasa pantai, penyahgaraman air laut, kapal, perikanan marin dan tenaga haba marin. penukaran. Kini, titanium untuk kejuruteraan marin telah menjadi salah satu bidang utama aplikasi awam titanium.

(2) Status permohonan

2.1 Pembangunan minyak dan gas luar pesisir Minyak adalah talian hayat ekonomi sesebuah negara. Dianggarkan rizab minyak dunia yang boleh diperoleh semula ialah 300 bilion tan, di mana rizab minyak dasar laut adalah kira-kira 130 bilion tan. Perkembangan minyak dasar laut bermula pada awal abad ke-20. Pembangunannya telah melalui proses dari luar pesisir ke laut jauh, dari laut cetek ke laut dalam. Dibataskan oleh keadaan teknikal dan pembangunan bahan, pada mulanya hanya deposit minyak dan gas asli yang meluas terus dari pantai ke laut cetek boleh dieksploitasi. Sejak tahun 1980-an, dirangsang oleh krisis tenaga dan kemajuan teknologi, penerokaan dan pembangunan minyak luar pesisir telah berkembang pesat, dan pembangunan minyak luar pesisir telah berkembang pesat ke pelantar benua, secara beransur-ansur membentuk sektor industri minyak luar pesisir yang baharu. Platform penggerudian luar pesisir ialah pangkalan kerja untuk penerokaan dan eksploitasi minyak dan gas dasar laut, dan ia menandakan tahap teknologi pembangunan minyak dan gas bawah laut. Peralatan pengeluaran minyak luar pesisir terutamanya termasuk platform pengeluaran minyak dan peralatan tambahan, seperti penyejuk minyak mentah, penaik minyak, pam, injap, sambungan dan lekapan. Peranti ini bersentuhan dengan sulfida, ammonia, klorin dan media lain dalam air laut dan minyak mentah. Disebabkan oleh rintangan kakisan titanium yang sangat baik dalam media ini, Amerika Syarikat menggunakan tiang platform minyak luar pesisir buatan titanium di medan minyaknya pada awal 1970-an, dan menggunakan titanium untuk membuat penukar haba tiub dan penukar haba plat. Pemanas. Penukar haba cangkerang dan tiub titanium menggunakan air laut sebagai medium penyejuk untuk menyejukkan campuran wap/minyak suhu tinggi yang dipam dari telaga minyak. Penukar haba plat titanium juga menggunakan air laut sebagai medium penyejuk untuk menyejukkan air tawar yang menyejukkan minyak mentah dalam penukar haba keluli karbon. Amerika Syarikat menggunakan kira-kira 100 penukar haba titanium pada pelantar minyak di Laut Utara. Komponen titanium yang ditempah oleh Hunting Oilfield Services di Aberdeen, Scotland, UK, dikatakan sebagai aci penaik tekanan tinggi titanium pertama di dunia untuk projek Heidrum Conoco di Norway. Paip gerudi titanium aloi petroleum mempunyai hayat perkhidmatan yang panjang, beratnya hanya separuh daripada keluli tahan karat, tetapi fleksibiliti penggunaannya adalah dua kali ganda daripada keluli tahan karat, dan hayat perkhidmatannya adalah 10 kali ganda daripada keluli. Sifat-sifat yang sangat baik ini menjadikan titanium sebagai bahan yang sangat baik untuk menggerudi telaga dalam yang hampir bulat dan dalam. Alat penggerudian gabungan termasuk paip gerudi titanium boleh mengurangkan masa penggerudian dan mengurangkan kos penggerudian keseluruhan. Pada tahun 2000, GrantPrideco, Sistem Tenaga RTI dan Perkhidmatan Penggerudian Obor di Amerika Syarikat pertama kali menggunakan paip gerudi titanium untuk aplikasi perindustrian. Paip gerudi titanium, dihasilkan dan dibekalkan oleh GrantPrideco dan RTI Energy Systems, juga mempunyai sambungan alat keluli daripada GrantPrideco Anti-Fatigue. Sambungan adalah ringan, fleksibel dalam penggunaan, dan membuat paip gerudi titanium kukuh dan kuat. Sistem saluran paip air laut adalah bahagian yang sangat diperlukan dalam eksploitasi minyak bawah laut. Oleh kerana titanium mempunyai rintangan kakisan yang tinggi terhadap air laut, hayat perkhidmatannya adalah 10 kali ganda daripada sistem keluli. Oleh itu, kos sistem saluran paip titanium adalah kos efektif berbanding dengan sistem Cu-Ni. daripada. Active Metals of America dan Precision Tube Technology telah bersama-sama menubuhkan Syarikat Teknologi Tiub Titanium untuk menghasilkan tiub aloi titanium berdiameter besar. Aloi yang digunakan dalam paip ini ialah aloi Ti-3Al-2.5V, diameter ialah 650mm, ketebalan dinding ialah 22-25mm, dan panjang ialah 350m. Satu lagi syarikat di Amerika Syarikat menggunakan paip aloi titanium lancar dengan panjang 15m, diameter luar 600mm dan ketebalan dinding 25mm untuk membuat paip riser sepanjang hampir 500m melalui penyemperitan, yang telah digunakan dalam platform penggerudian luar pesisir. Dikatakan bahawa berat tiub riser boleh dikurangkan sebanyak separuh, yang boleh mengurangkan kos balast, di samping itu, ia juga mempunyai keliatan patah yang tinggi dan hayat keletihan yang panjang. Menurut laporan, dalam projek pembangunan medan minyak Laut Utara di Amerika Syarikat, jumlah titanium yang digunakan dalam peranti badan terapung dan peranti tetap di dasar laut telah meningkat berbanding dengan yang sebelumnya. Permintaan untuk bahan titanium untuk 24 peranti badan terapung dan 64 peranti tetap dasar laut ialah: 50-100t untuk peranti perlindungan keselamatan, 50-100t untuk peranti penyambung, 400-1000t untuk peralatan angkat am dan 1400-4200t untuk paip gerudi. Hakisan bahagian struktur yang disebabkan oleh pencemaran biologi platform penerokaan minyak luar pesisir adalah agak serius. Sebuah syarikat di Amerika Syarikat menggunakan selongsong panjang yang diperbuat daripada paip titanium pada platform perlombongan untuk melindungi bahagian pada platform. Beberapa tahun kebelakangan ini telah menyaksikan peningkatan ketara dalam penggunaan komponen aloi titanium dalam penggerudian minyak dan operasi pengeluaran luar pesisir. Komponen aloi titanium membenarkan penggerudian minyak untuk mengakses perairan yang lebih dalam dan telaga yang lebih dalam, termasuk suhu yang lebih tinggi dan persekitaran pengeluaran yang sangat menghakis (iaitu, masin). Untuk jenis aplikasi ini, aloi berasaskan rod titanium TC4 (Ti-6Al-4V) adalah yang paling sesuai dan kos terendah dari segi prestasi keseluruhan. Sistem saluran paip air laut adalah bahagian yang sangat diperlukan dalam eksploitasi minyak bawah laut. Oleh kerana titanium mempunyai ketahanan kakisan yang tinggi terhadap air laut, hayat perkhidmatannya adalah 10 kali ganda daripada sistem keluli. Oleh itu, kos sistem saluran paip titanium adalah lebih kos efektif daripada sistem Cu-Ni. daripada. Active Metals of America dan Precision Tube Technology telah bersama-sama menubuhkan Syarikat Teknologi Tiub Titanium untuk menghasilkan tiub aloi titanium berdiameter besar. Aloi yang digunakan untuk paip ini ialah aloi TA18 (Ti-3Al{-2.5V), dengan diameter 650mm, ketebalan dinding 22-25mm, panjang 350m dan paip seberat 80-90t, yang dirancang untuk digunakan untuk penerokaan minyak dasar laut . Satu lagi syarikat di Amerika Syarikat menggunakan paip aloi titanium lancar dengan panjang 15m, diameter luar 600mm dan ketebalan dinding 25mm untuk membuat paip riser sepanjang hampir 500m melalui penyemperitan, yang telah digunakan dalam platform penggerudian luar pesisir. Dikatakan bahawa berat tiub riser boleh dikurangkan sebanyak separuh, yang boleh mengurangkan kos balast, di samping itu, ia juga mempunyai keliatan patah yang tinggi dan hayat keletihan yang panjang. Amalan telah membuktikan bahawa aloi Ti-6Al-4V (Gr.5_TC4) ialah bahan terbaik untuk menggerudi paip. Sebagai aplikasi penggerudian, kekuatan hasil dan kekuatan keletihan adalah yang paling penting. Oleh itu, dua aloi Gr.5 dengan unsur interstisial yang sangat rendah adalah sesuai untuk Untuk peranti angkat dinamik yang lebih kritikal. Apabila suhu operasi melebihi 75 ~ 80 darjah, untuk mengelakkan kakisan celah atau kakisan tegasan, aloi Gr29 yang mengandungi ruthenium digunakan. Komponen yang paling biasa digunakan termasuk pengangkat penggerudian luar pesisir, paip gerudi, sambungan tegasan kon (TSJ) dan pengangkat hibrid titanium/keluli. Komponen titanium kecil seperti pam titanium, injap, sambungan, pengikat, pengapit dan alat ganti sudah digunakan secara meluas pada platform penggerudian minyak. Aloi titanium juga digunakan secara meluas pada cangkerang instrumen penerokaan minyak luar pesisir di luar negara.

2.2 Terdapat filem oksida dengan ketebalan tidak lebih daripada 10nm pada permukaan bahan titanium untuk bangunan pelabuhan laut. Ia sangat stabil dalam persekitaran yang menghakis dan mempunyai ketahanan kakisan yang sangat baik terhadap persekitaran udara, air laut dan marin. Ia kini merupakan bahan mentah yang paling sesuai untuk pelbagai persekitaran marin. Jepun telah bersungguh-sungguh menjalankan pembangunan marin, seperti jambatan dari Honsu ke Shikoku, jambatan merentasi Teluk Tokyo, Lapangan Terbang Kansai, dan pangkalan simpanan minyak terapung. Ujian pendedahan yang dijalankan oleh Kementerian Pembinaan dan Kelab Besi dan Keluli Jepun di permukaan lautan Sungai Oigawa dan laporan penyiasatan pelbagai ujian pendedahan antikarat yang dijalankan oleh Kementerian Pengangkutan dan Persatuan Cerucuk Paip Keluli pada terapung Bosaki trestle pasir juga menunjukkan bahawa titanium adalah bahan yang paling sesuai. Sebagai tambahan kepada sifat anti-karat yang sangat baik, titanium juga mempunyai kelebihan ion terlarut yang sangat sedikit dalam persekitaran air laut, tiada ketoksikan, dan tidak perlu risau tentang mencemarkan alam sekitar. Jepun juga telah membina struktur marin terapung yang sangat besar, menggunakan bahan komposit keluli titanium dalam gerusan air laut; dalam pembinaan lebuh raya Teluk Tokyo, bahan titanium telah digunakan sebagai batang badan kalis percikan tiang jambatan, dan bahan komposit titanium-keluli setiap jeti adalah Jumlahnya ialah 0.9t. Struktur marin terapung besar yang sudah digunakan atau dirancang termasuk lapangan terbang, pangkalan logistik pelabuhan, kemudahan sukan dan banyak lagi.

2.3 Penggunaan menyeluruh air laut di stesen janakuasa pantai merupakan salah satu projek penting dalam kejuruteraan marin. Pemeluwap di stesen janakuasa pantai adalah peralatan yang menggunakan sejumlah besar air laut. Titanium yang digunakan dalam stesen janakuasa pantai adalah terutamanya titanium yang digunakan dalam kondenser. Oleh kerana pemeluwap menggunakan air laut sebagai air penyejuk, dan air laut mengandungi sejumlah besar pasir lumpur, bahan terampai, organisma marin dan pelbagai bahan menghakis, keadaan lebih serius dalam air garam segar di mana air laut dan air sungai silih berganti. Kondenser tradisional menggunakan tiub aloi kuprum, yang selalunya rosak teruk akibat pelbagai kakisan dalam air laut. Titanium mempunyai rintangan kakisan yang baik dalam air laut, terutamanya air laut yang tercemar, dan rintangan kakisan hakisan berkelajuan tinggi adalah sangat cemerlang.

2.4 Loji penyahgaraman "Air adalah sumber kehidupan". Pada masa ini, kekurangan air telah menjadi masalah yang melanda dunia. Kira-kira 25% penduduk dunia tidak mempunyai sumber air minuman yang mencukupi. Sungai daratan dan sumber air bawah tanah masih jauh daripada memenuhi keperluan pembangunan perindustrian. Oleh itu, penyahgaraman air laut akan menjadi kaedah yang berkesan kepada manusia untuk menyelesaikan sumber air tawar pada masa hadapan. Dari perspektif pembangunan penyahgaraman air laut di dalam dan luar negara, terdapat dua kaedah utama: penyulingan dan osmosis terbalik. Yang pertama adalah untuk memanaskan air laut untuk mengewapkannya, dan kemudian memekatkan wap untuk mendapatkan air tawar. Yang terakhir adalah untuk menekan air laut, supaya air tawar di dalamnya melalui membran khas dan mengekalkan garam untuk mendapatkan air tawar. Alat penyahgaraman air laut awal menggunakan aloi tembaga, keluli karbon dan bahan lain. Oleh kerana bahan ini tidak tahan terhadap kakisan air laut dan mempunyai kecekapan pengeluaran yang rendah, ia dengan cepat digantikan oleh titanium dengan rintangan kakisan air laut yang sangat baik. Dalam penyahgaraman air laut, aplikasi utama titanium ialah tiub pemindahan haba pemanas loji penyahgaraman. Pengeluar utama loji penyahgaraman ialah Amerika Syarikat dan Jepun. Menjelang tahun 2004, terdapat lebih daripada 15,000 loji penyahgaraman dibina atau dalam pembinaan di dunia, dengan pengeluaran harian kira-kira 32 juta tan air tawar. Syarikat Jepun membina 10 unit penyulingan untuk Arab Saudi dengan pengeluaran harian sebanyak 30,000 tan air tawar, menggunakan 3,200 tan tiub titanium dan purata pengeluaran harian sebanyak 10,000 tan, yang memerlukan 107 tan titanium. Tianjin, Shandong dan tempat-tempat lain di negara saya telah membina atau sedang membina loji penyahgaraman air laut. Sebagai contoh, rancangan awal untuk penyahgaraman air laut di Tianjin adalah untuk menghasilkan 500,000 tan air tawar sehari menjelang 2007 dan 700,000 tan menjelang 2010. Dianggarkan kira-kira 250 tan titanium akan digunakan dalam projek penyahgaraman air laut di Tianjin dan Shandong.

2.5 Titanium kapal dan aloinya adalah kalis kakisan dalam air laut dan suasana marin, dan dianggap sebagai bahan kapal yang baik kerana graviti tentu yang ringan, kekuatan tinggi, rintangan hentaman, bukan magnetik, penghantaran bunyi dan pekali pengembangan kecil. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, penggunaan titanium dalam kapal telah menarik banyak perhatian. Tentera laut dan industri pembinaan kapal dari pelbagai negara juga mementingkan penggunaan titanium pada kapal, dan telah membangunkan banyak gred aloi titanium marin. Titanium dan aloinya digunakan secara meluas dalam kapal, seperti struktur badan kapal, kapal ukur laut dalam dan badan kapal tekanan dasar laut, paip, injap, kemudi, kurungan aci, aksesori, kipas dan pendorong dalam pemacu kuasa Aci, penukar haba, penyejuk, badan kapal. kafan sonar, dan banyak lagi. Penggunaan pertama titanium pada badan kapal adalah kapal selam kelas alfa bekas Kesatuan Soviet. Selepas itu, titanium digunakan dalam penyelidikan laut dalam buatan atau tanpa pemandu dan kapal selam bantuan laut dalam. Titanium tulen industri digunakan untuk bahagian struktur am, dan aloi Ti-6Al-4V digunakan untuk bejana tekanan. Menurut laporan, penggunaan titanium dalam struktur badan kapal bukan sahaja dapat mengurangkan berat badan kapal itu sendiri, meningkatkan berat beban yang berkesan, tetapi juga mengurangkan penyelenggaraan dan memanjangkan hayat perkhidmatan kapal. Aloi aluminium, keluli lembut dan bahan struktur badan yang lain secara amnya memerlukan penyelenggaraan dalam tempoh 10 tahun, manakala bahan titanium hampir tidak memerlukan penyelenggaraan dan pembaikan, dan jangka hayatnya boleh dilanjutkan daripada 20 tahun biasa kepada 30 hingga 40 tahun. Penyelidikan Jepun mengenai aloi titanium untuk kapal tinjauan laut dalam telah membuahkan hasil. Hampir semua ruang tekanan "Deep-Sea 6500" yang boleh memuatkan 3 operator menggunakan aloi titanium. Ini adalah hasil usaha jangka panjang di Mitsubishi Heavy Industries Kobe Shipyard. Kapal selam menggunakan sejumlah besar titanium. Sebagai contoh, kapal selam nuklear dengan kedalaman menyelam 900m menggunakan sehingga 3500t titanium.

2.6 Perikanan laut Dilaporkan bahawa perikanan Jepun telah berubah daripada memancing kepada ternakan ikan, dan lionfish, flounder, belut, dan lain-lain telah dikultur secara buatan. Dalam teknologi pembiakan buatan, mesh logam titanium dan penukar haba tiub titanium untuk mengekalkan suhu air laut tertentu digunakan secara meluas. Budaya tiruan kerapu telah direalisasikan di kawasan pantai Fujian di negara saya, dan bakul kultur jenis plat titanium yang digunakan telah membawa faedah yang sangat baik kepada budaya kerapu.

2.7 Penukaran tenaga haba lautan Terdapat sejumlah besar tenaga di lautan, seperti tenaga pasang surut, tenaga ombak, tenaga perbezaan suhu, tenaga arus lautan dan tenaga perbezaan garam dan sebagainya. Dengan kekurangan tenaga yang semakin meningkat di dunia, orang ramai akan lebih berminat dalam pembangunan dan penggunaan tenaga lautan. Projek penjanaan kuasa termoelektrik dan pasang surut telah dikaji dan dibangunkan. Prinsip penjanaan kuasa termoelektrik adalah menggunakan air laut dengan suhu tinggi di permukaan laut untuk mengewapkan ammonia atau freon untuk memacu turbin untuk berputar dan menjana elektrik, dan kemudian menggunakan air laut suhu rendah di lautan dalam untuk menyejukkan ammonia yang terwap. atau freon untuk membentuk sistem enjin haba kitaran berterusan. Peralatan utama untuk penjanaan kuasa termoelektrik ialah penyejat, pemeluwap, paip sedutan air laut, gelung, dan lain-lain, yang memerlukan bukan sahaja rintangan kakisan, tetapi juga rintangan kakisan ammonia dan fluorin. Titanium dan aloinya bukan sahaja mempunyai rintangan kakisan air laut yang baik, Ia juga tahan kakisan oleh ammonia dan fluorin, jadi titanium adalah bahan yang paling ideal. Penyejat dan pemeluwap tiub titanium telah digunakan dalam stesen janakuasa termoelektrik di Amerika Syarikat dan Jepun, dan keputusan yang baik telah dicapai.

(3) Prospek

Sebagai pasaran awam titanium yang baru muncul, kejuruteraan marin telah berkembang pesat dalam beberapa tahun kebelakangan ini. Dengan krisis tenaga dunia yang semakin memburuk, semua negara di dunia akan melabur banyak tenaga kerja dan sumber bahan untuk mengeksploitasi sumber minyak dasar laut dan sumber mineral lain; dalam trend kekurangan air tawar global, semua negara pantai akan menggunakan air laut untuk menghasilkan air tawar; Persaingan peralatan tentera laut pelbagai kuasa tentera yang semakin sengit tidak dapat dipisahkan daripada bahan aloi titanium dan titanium. Oleh itu, penggunaan titanium dan aloinya dalam kejuruteraan marin akan menjadi lebih dan lebih meluas. Dijangkakan bahawa titanium untuk kejuruteraan marin dijangka menjadi pasaran aplikasi yang lebih besar untuk bahan titanium.