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(zhì)。海洋工程用材料，除要求耐海洋腐蝕環(huán)境外，還要求高性能、高功能、安全可靠性、實用性等。被譽(yù)為“海洋金屬”的鈦是一種物理性能優(yōu)良、化學(xué)性能穩(wěn)定、耐蝕性優(yōu)異的材料，鈦的比強(qiáng)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(yīng)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(yīng)用的主要領(lǐng)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(fā)、沿海發(fā)電站、海港建筑和設(shè)施等領(lǐng)域應(yīng)用的現(xiàn)狀和最新進(jìn)展進(jìn)行了綜述，并對未來發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

2、應(yīng)用現(xiàn)狀及最新進(jìn)展

2.1 海水淡化裝置

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)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(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了工業(yè)發(fā)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(qū)，已利用海水淡化技術(shù)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(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，鈦在海水淡化裝置中的主要應(yīng)用包括加熱器導(dǎo)熱管、冷凝器、蒸餾器、換熱器、蒸發(fā)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(chǎn)效率低，很快被耐海水腐蝕性能優(yōu)異且免于維護(hù)的鈦所代替。如國外一家公司海水淡化裝置的加熱器導(dǎo)熱管，最先采用銅合金制造，后因腐蝕故障，最后將全部導(dǎo)熱管換成了鈦管。雖然鈦管的單位質(zhì)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(zhì)量只是鋼合金管的50%，當(dāng)鈦管壁厚為銅合金管的50%時，相同傳熱面積的鈦管質(zhì)量僅為銅合金管的1/4。

日本研究開發(fā)了連續(xù)生產(chǎn)熱軋和冷軋鈦帶卷的技術(shù)，建立了海水淡化和電結(jié)冷凝器鈦薄壁焊管用的帶卷的批量生產(chǎn)體系，相應(yīng)開發(fā)了薄壁焊管的生產(chǎn)技術(shù)，三菱、川崎、日立以及神戶制鋼等公司生產(chǎn)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(lǐng)先地位。日本國內(nèi)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(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。日產(chǎn)百的海水淡化裝置用鈦管達(dá)6萬根。據(jù)預(yù)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(chǎn)工藝的進(jìn)步，預(yù)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(yè)始于上世紀(jì)60年代，比鈦在航空工業(yè)的應(yīng)用大約晚了十年。規(guī)船及其某些設(shè)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(guī)船故障等問題，它不但具有優(yōu)異的耐海水腐蝕性能，而且可以減輕規(guī)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(yè)的應(yīng)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(jìn)器和推進(jìn)器軸、熱交換器、冷卻器、船殼聲吶導(dǎo)流罩等等。

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(hù)，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(hù)，而鈦材幾乎不需要維護(hù)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(chǎn)的艇用雷達(dá)機(jī)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(shè)備的作戰(zhàn)和海上適應(yīng)能力。由Ti-31合金生產(chǎn)的換熱器、閥門、泵、法蘭等在規(guī)船制造中已獲得大量應(yīng)用。用鈦材制造規(guī)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?jīng)_刷、高載荷、腐蝕疲勞等，鈦優(yōu)異的綜合性能特別適合這方面的應(yīng)用。

我國艦船工業(yè)經(jīng)長期應(yīng)用研究，已形成船用鈦合金材料技術(shù)體系，近年來，我國對艦船領(lǐng)域的投資開始增加，一些新項目如新型驅(qū)逐艦、潛艇等用鈦量很大，這將為鈦在規(guī)船領(lǐng)域應(yīng)用帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

2.3 海洋油氣開發(fā)

從比重、強(qiáng)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(fā)唯一明智的選擇。海洋油氣開采設(shè)備主要包括采油平臺和附屬設(shè)備，附屬設(shè)備有原油冷卻器、升油管、泵、閥、接頭和夾具等，這些設(shè)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(jì)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(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。

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，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(dāng)嚴(yán)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(jìn)行保護(hù)。

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(zhì)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(gòu)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(yīng)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(huán)加壓系統(tǒng)的高壓泵、提升管及聯(lián)結(jié)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(qiáng)度和高疲勞極限，隨著海洋油氣開采工業(yè)的不斷發(fā)展，油氣開采逐步從近海、淺海發(fā)展到遠(yuǎn)海、深海，鈦合金部件可以在高、高壓和腐蝕嚴(yán)重(即鹽和硫化氫等腐蝕介質(zhì))的環(huán)境下使用，因而，鈦及其合金在海洋油氣開發(fā)中的應(yīng)用明顯增加。

2.4 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(zhì)、泥砂和各種腐蝕性物質(zhì)，在海水與河水交替變化的嵌鹽水中的情況更為嚴(yán)重。國外曾出現(xiàn)過由干腐蝕泄露而引起的爆炸事故，傳統(tǒng)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(jīng)常遭到嚴(yán)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(fā)電站疑汽器是利用海水量較大的設(shè)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(jì)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(fā)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(zhèn)海電廠等發(fā)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(jīng)濟(jì)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(fā)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(fā)電站大部分使用了鈦凝汽器。日本三菱和東芝公司生產(chǎn)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(xiàn)故障的報道。可以實現(xiàn)設(shè)備安全運行，不需要檢修，大大減輕了勞動強(qiáng)度。

中國最大鈦材生產(chǎn)企業(yè)寶雞鈦業(yè)股份有限公司生產(chǎn)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(jīng)濟(jì)效益，至今已有超過30多個電廠的大約百臺機(jī)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(shè)施

海港是海洋的大門。海港建筑和海洋設(shè)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(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(yīng)各種海洋環(huán)境的材料，為了降低海港建筑和海洋設(shè)施的成本，一般情況下采用鈦薄板和有機(jī)系防腐蝕材料制成復(fù)合包覆材料或用鈦鋼復(fù)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(huán)境中。日本大力進(jìn)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(jī)場、浮式儲油基地等。日本建設(shè)省和鋼鐵俱樂部在大井川洋面進(jìn)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(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?fù)?dān)心污柒環(huán)境等優(yōu)點。

日本東京有明國際展覽館和日本島櫻縣美術(shù)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(fù)合材：在東京灣橫跨公路的建設(shè)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(shè)施用基本不需要維修保養(yǎng)，節(jié)省了大量的人力、物力費用，此外，鈦還具有漂亮的金屬質(zhì)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(fā)展很快，在世界資源緊缺的情況下，世界許多國家都在開發(fā)海洋，利用海洋。鈦優(yōu)異的性能可以很好地滿足人們在海洋工程方面應(yīng)用的要求，因而應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。預(yù)計海洋工程用鈦有望成為鈦材的一個較大的應(yīng)用市場。

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