Titāna sakausējumu pielietojuma statuss un perspektīvas okeāna inženierijā

(1) Ievads

Okeāns, kas veido aptuveni 71% no zemes virsmas, satur bagātīgus resursus. Tas ir kļuvis par vienu no cilvēku centieniem daudzus gadus attīstīt un izmantot okeānu, lai padarītu okeānu par mūsu milzīgās bagātības avotu. Tomēr jūras ūdens ir kodīgs, jo tajā ir aptuveni 3,5 % sāls. Turklāt zināms bioloģiskais piesārņojums okeānā arī paātrina jūras ūdens koroziju. Titāns ir materiāls ar izcilām fizikālajām īpašībām un stabilām ķīmiskajām īpašībām. Titānam un tā sakausējumiem ir augsta izturība, mazs īpatnējais svars, un tie ir izturīgi pret jūras ūdens koroziju un jūras atmosfēras koroziju, kas var labi apmierināt cilvēku prasības jūras inženierijā. Pēc gadiem smaga darba, ko veic titāna rūpniecības un okeāna inženierijas pielietojuma pētnieki, titāns ir plaši izmantots naftas un gāzes ieguves jūrā, jūras ostu būvniecības, piekrastes spēkstaciju, jūras ūdens atsāļošanas, kuģu, jūras zvejniecības un jūras siltumenerģijas jomās. konversiju. Tagad titāns kuģniecības inženierijā ir kļuvis par vienu no galvenajām titāna civilās pielietošanas jomām.

(2) Pieteikuma statuss

2.1. Jūras naftas un gāzes attīstība Nafta ir valsts ekonomikas glābšanas riņķis. Tiek lēsts, ka pasaulē iegūstamie naftas krājumi ir 300 miljardi tonnu, no kuriem jūras gultnes naftas rezerves ir aptuveni 130 miljardi tonnu. Zemūdens naftas attīstība sākās 20. gadsimta sākumā. Tās attīstība ir izgājusi cauri procesam no piekrastes līdz tālai jūrai, no seklas jūras līdz dziļjūrai. Tehnisko apstākļu un materiālu attīstības ierobežojumu dēļ sākotnēji varēja izmantot tikai naftas un dabasgāzes atradnes, kas stiepjas tieši no krasta līdz seklai jūrai. Kopš 1980. gadiem, enerģētikas krīzes un tehnoloģiskā progresa stimulēta, naftas izpēte un attīstība jūrā ir strauji attīstījusies, un naftas attīstība jūrā ir strauji virzījusies uz kontinentālo šelfu, pakāpeniski veidojot jaunu jūras naftas rūpniecības sektoru. Jūras urbšanas platforma ir darba bāze zemūdens naftas un gāzes izpētei un ieguvei, un tā iezīmē zemūdens naftas un gāzes izstrādes tehnoloģiju līmeni. Jūras naftas ieguves iekārtās galvenokārt ietilpst naftas ieguves platformas un palīgiekārtas, piemēram, jēlnaftas dzesētāji, eļļas stāvvadi, sūkņi, vārsti, savienojumi un armatūra. Šīs ierīces ir saskarē ar sulfīdu, amonjaku, hloru un citām vidēm jūras ūdenī un jēlnaftā. Sakarā ar titāna izcilo izturību pret koroziju šajās vidēs, ASV 70. gadu sākumā savos naftas laukos izmantoja no titāna izgatavotus jūras naftas platformas balstus un izmantoja titānu cauruļu siltummaiņu un plākšņu siltummaiņu ražošanai. Sildītājs. Titāna apvalka un caurules siltummainis izmanto jūras ūdeni kā dzesēšanas līdzekli, lai atdzesētu augstas temperatūras tvaika/eļļas maisījumu, kas izsūknēts no naftas urbuma. Titāna plākšņu siltummainis izmanto arī jūras ūdeni kā dzesēšanas līdzekli, lai atdzesētu saldūdeni, kas atdzesē jēlnaftu oglekļa tērauda siltummainī. Amerikas Savienotās Valstis izmanto aptuveni 100 titāna siltummaiņus uz naftas platformām Ziemeļjūrā. Titāna komponents, ko pasūtījis Hunting Oilfield Services Aberdīnā, Skotijā, Apvienotajā Karalistē, ir pasaulē pirmā titāna augstspiediena stāvvada vārpsta Conoco Heidrum projektam Norvēģijā. Naftas titāna sakausējuma titāna urbšanas caurulei ir ilgs kalpošanas laiks, tās svars ir tikai puse no nerūsējošā tērauda svara, bet tā lietošanas elastība ir divreiz lielāka nekā nerūsējošā tērauda, ​​un tā kalpošanas laiks ir 10 reizes lielāks nekā tēraudam. Šīs lieliskās īpašības padara titānu par lielisku materiālu sarežģītu gandrīz apaļu, dziļu urbumu urbšanai. Kombinētie urbšanas instrumenti, tostarp titāna urbšanas caurules, var ievērojami samazināt urbšanas laiku un samazināt kopējās urbšanas izmaksas. 2000. gadā GrantPrideco, RTI Energy Systems un Torch Drilling Services Amerikas Savienotajās Valstīs pirmo reizi izmantoja titāna urbšanas caurules rūpnieciskiem lietojumiem. Titāna urbšanas caurule, ko ražo un piegādā GrantPrideco un RTI Energy Systems, ietver arī tērauda instrumentu savienojumus no GrantPrideco Anti-Fatigue. Savienojumi ir mazsvarīgi, elastīgi lietošanā, un tie padara titāna urbšanas caurules izturīgas un stipras. Jūras ūdens cauruļvadu sistēma ir neatņemama zemūdens naftas ieguves sastāvdaļa. Tā kā titānam ir augsta jūras ūdens izturība pret koroziju, tā kalpošanas laiks ir 10 reizes ilgāks nekā tērauda sistēmai. Tāpēc titāna cauruļvadu sistēmas izmaksas ir rentablas salīdzinājumā ar Cu-Ni sistēmu. no. Active Metals of America un Precision Tube Technology ir kopīgi izveidojuši Titanium Tube Technology Company, lai ražotu liela diametra titāna sakausējuma cauruli. Šajā caurulē izmantotais sakausējums ir Ti-3Al-2.5V sakausējums, diametrs ir 650 mm, sienas biezums ir 22-25mm, garums ir 350 m. Cits uzņēmums Amerikas Savienotajās Valstīs izmantoja bezšuvju titāna sakausējuma caurules ar garumu 15 m, ārējo diametru 600 mm un sieniņu biezumu 25 mm, lai ar ekstrūzijas palīdzību izgatavotu gandrīz 500 m garu stāvvadu, kas tika izmantota urbšanas platformā atklātā jūrā. Ir teikts, ka stāvvada caurules svaru var samazināt uz pusi, kas var ievērojami samazināt balasta izmaksas, turklāt tai ir arī augsta izturība pret lūzumiem un ilgs noguruma kalpošanas laiks. Saskaņā ar ziņojumiem, Ziemeļjūras naftas atradņu attīstības projektā Amerikas Savienotajās Valstīs titāna daudzums, ko izmanto peldošā korpusa ierīcē un fiksētajā ierīcē jūras gultnē, ir palielinājies salīdzinājumā ar iepriekšējo. Pieprasījums pēc titāna materiāliem 24 peldošām ierīcēm un 64 zemūdens stacionārajām ierīcēm ir: 50-100t drošības aizsardzības ierīcēm, 50-100t savienošanas ierīcēm, 400-1000t vispārējām celšanas iekārtām un 1400-4200t urbšanas caurulēm. Konstrukcijas daļu korozija, ko izraisa naftas izpētes platformu bioloģiskais piesārņojums jūrā, ir diezgan nopietna. Uzņēmums ASV izmanto garus korpusus, kas izgatavoti no titāna caurulēm uz kalnrūpniecības platformām, lai aizsargātu platformas daļas. Pēdējos gados ir bijis ievērojams titāna sakausējuma komponentu izmantošanas pieaugums naftas urbšanas un jūras ieguves operācijās. Titāna sakausējuma komponenti ļauj naftas urbšanai piekļūt dziļākiem ūdeņiem un dziļākiem urbumiem, tostarp augstāku temperatūru un ļoti kodīgu (ti, sāļu) ražošanas vidi. Šāda veida pielietojumam TC4 titāna stieņu (Ti-6Al-4V) sakausējums ir vispiemērotākais un ar viszemākajām izmaksām kopējās veiktspējas ziņā. Jūras ūdens cauruļvadu sistēma ir neatņemama zemūdens naftas ieguves sastāvdaļa. Tā kā titānam ir augsta jūras ūdens izturība pret koroziju, tā kalpošanas laiks ir 10 reizes ilgāks nekā tērauda sistēmai. Tāpēc titāna cauruļvadu sistēmas izmaksas ir rentablākas nekā Cu-Ni sistēmas izmaksas. no. Active Metals of America un Precision Tube Technology ir kopīgi izveidojuši Titanium Tube Technology Company, lai ražotu liela diametra titāna sakausējuma cauruli. Šai caurulei izmantots TA18 (Ti-3Al-2.5V) sakausējums, kura diametrs ir 650 mm, sieniņu biezums ir 22-25 mm, garums 350 m un caurule ar svaru 80-90t, ko plānots izmantot zemūdens naftas izpētei . Cits uzņēmums Amerikas Savienotajās Valstīs izmantoja bezšuvju titāna sakausējuma caurules ar garumu 15 m, ārējo diametru 600 mm un sieniņu biezumu 25 mm, lai ar ekstrūzijas palīdzību izgatavotu gandrīz 500 m garu stāvvadu, kas tika izmantota urbšanas platformā atklātā jūrā. Ir teikts, ka stāvvada caurules svaru var samazināt uz pusi, kas var ievērojami samazināt balasta izmaksas, turklāt tai ir arī augsta izturība pret lūzumiem un ilgs noguruma kalpošanas laiks. Prakse ir pierādījusi, ka Ti-6Al-4V (Gr.{52}}TC4) sakausējums ir labākais materiāls cauruļu urbšanai. Urbšanas jomā vissvarīgākā ir tecēšanas robeža un noguruma izturība. Tāpēc divi Gr.5 sakausējumi ar īpaši zemiem intersticiālajiem elementiem ir piemēroti Kritiskākām dinamiskām pacelšanas ierīcēm. Ja darba temperatūra pārsniedz 75 ~ 80 grādus, lai novērstu plaisu koroziju vai sprieguma koroziju, tiek izmantots rutēniju saturošs Gr29 sakausējums. Visbiežāk izmantotie komponenti ir jūras urbšanas pacēlāji, urbšanas caurules, koniskie sprieguma savienojumi (TSJ) un titāna/tērauda hibrīda pacēlāji. Mazie titāna komponenti, piemēram, titāna sūkņi, vārsti, savienojumi, stiprinājumi, skavas un rezerves daļas, jau tiek plaši izmantotas naftas urbšanas platformās. Titāna sakausējumus plaši izmanto arī ārzonas naftas izpētes mežizstrādes instrumentu korpusos ārzemēs.

2.2. Uz jūras ostu ēku titāna materiāla virsmas ir oksīda plēve, kuras biezums nepārsniedz 10nm. Tas ir ļoti stabils korozīvā vidē, un tam ir lieliska korozijas izturība pret gaisu, jūras ūdeni un jūras vidi. Šobrīd tas ir vispiemērotākais izejmateriāls dažādām jūras vidēm. Japāna ir enerģiski veikusi jūras attīstību, piemēram, tiltu no Honsu uz Shikoku, tiltu pāri Tokijas līcim, Kansai lidostu un peldošo naftas uzglabāšanas bāzi. Ekspozīcijas tests, ko veica Japānas Būvniecības ministrija un dzelzs un tērauda klubs Oigavas upes okeāna virsmā, un dažādu pretkorozijas iedarbības testu izmeklēšanas ziņojumi, ko veica Satiksmes ministrija un Tērauda cauruļu pāļu asociācija uz Bosaki peldošo smilšu estakāde arī parādīja, ka titāns ir vispiemērotākais materiāls. Papildus lieliskajām pretkorozijas īpašībām titānam ir arī priekšrocības, jo jūras ūdens vidē ir ļoti maz izšķīdušo jonu, nav toksiskuma un nav jāuztraucas par vides piesārņošanu. Japāna ir arī uzbūvējusi īpaši lielu peldošu jūras struktūru, izmantojot titāna-tērauda kompozītmateriālus jūras ūdens izskalojumos; Tokijas līča maģistrāles būvniecībā kā tilta balstu šļakatu drošs rumpis ir izmantots titāna materiāli, un katra tilta balsta titāna-tērauda kompozītmateriāli ir. Daudzums ir 0,9 t. Lielas peldošās jūras struktūras, kas jau tiek izmantotas vai plānotas, ietver lidostas, ostu loģistikas bāzes, sporta objektus un daudz ko citu.

2.3. Jūras ūdens visaptveroša izmantošana piekrastes spēkstacijās ir viens no svarīgākajiem projektiem jūras inženierzinātnēs. Kondensatori piekrastes spēkstacijās ir iekārtas, kas izmanto lielu daudzumu jūras ūdens. Titāns, ko izmanto piekrastes spēkstacijās, galvenokārt ir titāns, ko izmanto kondensatoros. Tā kā kondensatorā kā dzesēšanas ūdens tiek izmantots jūras ūdens un jūras ūdens satur lielu daudzumu dubļu smilšu, suspendēto vielu, jūras organismu un dažādu kodīgu vielu, situācija ir nopietnāka svaigā sālījumā, kur mijas jūras ūdens un upes ūdens. Tradicionālajos kondensatoros tiek izmantotas vara sakausējuma caurules, kuras bieži tiek nopietni bojātas dažādu jūras ūdens koroziju dēļ. Titānam ir laba izturība pret koroziju jūras ūdenī, īpaši piesārņotā jūras ūdenī, un tā ātrgaitas erozijas izturība ir īpaši izcila.

2.4. Atsāļošanas iekārta "Ūdens ir dzīvības avots". Pašlaik ūdens trūkums ir kļuvis par problēmu, kas nomoka pasauli. Apmēram 25% pasaules iedzīvotāju nav pietiekamu dzeramā ūdens avotu. Pasaules sauszemes upes un gruntsūdens resursi ne tuvu neatbilst rūpniecības attīstības vajadzībām. Tāpēc jūras ūdens atsāļošana nākotnē būs efektīva metode saldūdens resursu risināšanai. No jūras ūdens atsāļošanas attīstības perspektīvas gan mājās, gan ārvalstīs galvenokārt ir divas metodes: destilācija un reversā osmoze. Pirmais mērķis ir sildīt jūras ūdeni, lai to iztvaicētu, un pēc tam kondensēt tvaiku, lai iegūtu svaigu ūdeni. Pēdējais ir radīt jūras ūdens spiedienu, lai tajā esošais saldūdens izietu cauri speciālai membrānai un saglabātu sāli, lai iegūtu svaigu ūdeni. Agrīnās jūras ūdens atsāļošanas ierīcēs tika izmantoti vara sakausējumi, oglekļa tērauds un citi materiāli. Tā kā šie materiāli nav izturīgi pret jūras ūdens koroziju un tiem ir zema ražošanas efektivitāte, tie ātri tika aizstāti ar titānu ar izcilu jūras ūdens korozijas izturību. Jūras ūdens atsāļošanā galvenais titāna pielietojums ir atsāļošanas iekārtas sildītāja siltuma pārneses caurule. Galvenie atsāļošanas iekārtu ražotāji ir ASV un Japāna. Līdz 2004. gadam pasaulē bija uzceltas vai tiek būvētas vairāk nekā 15,000 atsāļošanas iekārtas, kas katru dienu saražo aptuveni 32 miljonus tonnu saldūdens. Japānas uzņēmums Saūda Arābijai uzbūvēja 10 destilācijas iekārtas ar ikdienas ražu 30,000 tonnas saldūdens, izmantojot 3200 tonnas titāna caurules, un vidējo dienas produkciju 10,{13}} tonnu apmērā. 107 tonnas titāna. manā valstī Tjaņdzjinā, Šandunā un citās vietās ir uzbūvētas vai tiek būvētas jūras ūdens atsāļošanas iekārtas. Piemēram, sākotnējais plāns jūras ūdens atsāļošanai Tjandzjinā paredz saražot 500,000 tonnas saldūdens dienā līdz 2007. gadam un 700,{19}} tonnas līdz 2010. gadam. Tiek lēsts, ka aptuveni 250 tonnas titāna. tiks izmantots jūras ūdens atsāļošanas projektos Tjandzjinā un Šaņduņā.

2.5. Kuģu titāns un tā sakausējumi ir izturīgi pret koroziju jūras ūdenī un jūras atmosfērā, un tiek uzskatīti par labiem kuģu materiāliem to vieglā īpatnējā smaguma, augstās izturības, triecienizturības, nemagnētiskā, skaņas caurlaidības un mazā izplešanās koeficienta dēļ. Pēdējos gados titāna izmantošana kuģos ir piesaistījusi lielu uzmanību. Dažādu valstu flotes un kuģu būves nozares arī piešķir lielu nozīmi titāna izmantošanai uz kuģiem un ir izstrādājušas daudzas jūras titāna sakausējumu kategorijas. Titānu un tā sakausējumus plaši izmanto kuģu korpusu konstrukcijās, dziļjūras izpētes kuģos un zemūdens spiediena korpusos, caurulēs, vārstos, stūrēs, vārpstu kronšteinos, piederumos, dzenskrūvēs un dzinekļos spēka piedziņās. Vārpstas, siltummaiņi, dzesētāji, korpuss hidrolokatoru apvalki un citi. Pirmais titāna pielietojums uz kuģa korpusa bija bijušās Padomju Savienības alfa klases zemūdene. Pēc tam titānu izmantoja mākslīgās vai bezpilota dziļūdens izpētes un dziļūdens palīdzības zemūdenēs. Rūpniecisko tīro titānu izmanto vispārējām konstrukciju daļām, un Ti-6Al-4V sakausējumu izmanto spiediena tvertnēm. Saskaņā ar ziņojumiem, titāna izmantošana korpusa konstrukcijā var ne tikai samazināt paša korpusa svaru, palielināt faktisko kravas svaru, bet arī samazināt apkopi un pagarināt kuģa kalpošanas laiku. Alumīnija sakausējuma, vieglā tērauda un citu korpusa konstrukcijas materiālu apkope parasti ir nepieciešama 10 gadu laikā, savukārt titāna materiāliem gandrīz nav nepieciešama apkope un remonts, un to kalpošanas laiku var pagarināt no parastajiem 20 gadiem līdz 30 līdz 40 gadiem. Japānas pētījumi par titāna sakausējumiem dziļjūras izpētes kuģiem ir bijuši auglīgi. Gandrīz visās "Deep-Sea 6500" spiediena kamerās, kurās var izmitināt 3 operatorus, tiek izmantoti titāna sakausējumi. Tas ir Mitsubishi Heavy Industries Kobes kuģu būvētavas ilgtermiņa centienu rezultāts. Zemūdenes izmanto lielu daudzumu titāna. Piemēram, kodolzemūdene ar niršanas dziļumu 900m izmanto līdz 3500t titāna.

2.6. Jūras zvejniecība Tiek ziņots, ka Japānas zvejniecība ir mainījusies no zvejniecības uz zivju audzēšanu, un lauvu zivis, butes, zuši u.c. ir mākslīgi audzētas. Mākslīgās audzēšanas tehnoloģijā plaši izmanto titāna metāla sietu un titāna caurules siltummaini, lai uzturētu noteiktu jūras ūdens temperatūru. Manas valsts Fudzjanas piekrastes apgabalos ir realizēta mākslīgā grupējuma kultūra, un izmantotais titāna plākšņu kultivēšanas grozs ir devis izcilus ieguvumus grupējumu kultūrai.

2.7. Okeāna siltumenerģijas pārveidošana Okeānā ir milzīgs enerģijas daudzums, piemēram, plūdmaiņu enerģija, viļņu enerģija, temperatūras starpības enerģija, okeāna straumes enerģija un sāls starpības enerģija utt. Pasaulē pieaugot enerģijas trūkumam, cilvēki vairāk interesēsies par okeāna enerģijas attīstību un izmantošanu. Ir izpētīti un izstrādāti termoelektriskās un plūdmaiņu enerģijas ražošanas projekti. Termoelektriskās enerģijas ražošanas princips ir izmantot jūras ūdeni ar augstu temperatūru uz okeāna virsmas, lai iztvaicētu amonjaku vai freonu, lai vadītu turbīnu, lai tā grieztos un ražotu elektrību, un pēc tam izmantot zemas temperatūras jūras ūdeni dziļajā okeānā, lai atdzesētu iztvaicēto amonjaku. vai freonu, lai izveidotu nepārtraukta cikla siltumdzinēju sistēmu. Galvenās termoelektriskās elektroenerģijas ražošanas iekārtas ir iztvaicētāji, kondensatori, jūras ūdens iesūkšanas caurules, cilpas u.c., kam nepieciešama ne tikai izturība pret koroziju, bet arī izturība pret amonjaka un fluora koroziju. Titānam un tā sakausējumiem ir ne tikai laba jūras ūdens korozijas izturība, bet arī izturīgs pret amonjaka un fluora koroziju, tāpēc titāns ir ideālākais materiāls. Titāna cauruļu iztvaicētāji un kondensatori ir izmantoti termoelektrostacijās ASV un Japānā, un ir sasniegti labi rezultāti.

(3) Izredzes

Kā jauns civilais titāna tirgus, jūras inženierija pēdējos gados ir strauji attīstījusies. Pasaules enerģētikas krīzei vēl vairāk pastiprinoties, visas pasaules valstis ieguldīs daudz darbaspēka un materiālo resursu, lai izmantotu jūras gultnes naftas un citu derīgo izrakteņu resursus; globālā saldūdens trūkuma tendencē visas piekrastes valstis izmantos jūras ūdeni saldūdens ražošanai; Arvien sīvākā dažādu militāro spēku flotes tehnikas konkurence nav atdalāma no titāna un titāna sakausējuma materiāliem. Tāpēc titāna un tā sakausējumu pielietojums kuģniecības inženierijā kļūs arvien plašāks. Paredzams, ka titāna kuģniecības inženierijai kļūs par lielāku titāna materiālu pielietojuma tirgu.