1、 前言
随着人类对自然资源的需求愈来愈大，开发与应用海洋资源已成为 21 世纪的主题。由于在海水及海洋大气中存在氯化物和硫化物等腐蚀介质，所以在海洋资源开发过程中，对作为开发手段所需要的各种装备，其必须具备耐蚀性及钢结构的可靠性，特别是在深海开发中应用构件的材料应具备比强度高、比韧性好、耐海水腐蚀的特性。钛以其比强度高、耐蚀性优异、弹性模量低、疲劳性能好、无磁性、无毒性、易于冷成形、容易焊接、合金种类多、费用稳定等优点，被誉为是一种天然的海洋装备首选结构材料。钛的特性，为研发可靠性更高、使用寿命更长的船舶产品、海洋工程机械和装置等提供了重要的材料技术平台。钛材在舰船和海洋工程中的应用，充分展现了其优异的综合性能、应用领域逐步拓宽，市场需用量与日俱增。本文就多年来在海洋装备应用的钛材种类及钛的特性与应用实例作一综述。
2、 海洋装备用钛合金材料与应用现状
一般而言，海洋装备按照其担负的使命可分为：民用船舶、军用舰艇、海洋工程装置、工程船舶、渔船、高性能船六大类，但基本上归属于“舰船”和“海洋工程装置”两大门类。下面将对用于该两大门类钛的特性与实例分别进行介绍。
2.1 舰船用钛合金性能与应用状况
钛用于舰船领域始于上世纪60年代，相比钛在航空工业的应用晚了约十年。俄罗斯、美国、日本、中国是最早研究将钛用于舰船上的国家，随着科学技术的发展，各个国家已形成了各自的舰船用钛合金材料技术体系（见表1）。
中国船用钛合金的研究在经过了半个世纪的自行研发和研仿，其水平与应用有了很大提高，形成了较完整的船用钛合金系列，表2列举了我国研制的船用钛合金及其性能参数。
为了满足舰船用材料的不同强度级别要求，并适用于舰船不同部位的要求，我国船用钛合金形成了屈服强度从320~1100MPa完整的体系，强度范围很大。考虑到屈服强度的大小及适应性，中国船用钛合金体系拟按照屈服强度等级进行划分，即屈服强度在490MPa以下属低强钛合金；490~790MPa为中强钛合金；高于790MPa以上,属高强钛合金。在进行机械加工与成型工程化应用时，对于要求加工塑性好，特别是大厚截面的构件，在大的拘束下进行焊接时，宜采用中、低强度钛合金；而对于屈服强度高于790MPa以上的钛合金，其相应塑韧性较低，冷加工成形与焊接工艺性能较差，该类材料主要用于船舶动力工程中的耐热、耐蚀部件和船舶特种机械等。
资料表明，在舰船市场中，俄罗斯用钛量最多，在二十世纪九十年代，其年用量就已经达到了占国内当年总消耗量的25%；日本舰船用钛占1%；中国在近5年内，舰船的年用钛量从占年总消耗量的1.2%上升到了3..3%，呈上升趋势。
2.2 海洋工程装置用钛合金与应用现状
钛在海洋资源勘探、海洋油气开采、海洋调查与救生、海水淡化、滨海电站等海洋工程中的应用已经有 30 年的历史，但主要进展开始于上世纪九十年代，这得益于海洋油气的勘探和开采开始活跃。钛的特性因为海洋油气开采装置的需要充分得到了发挥，目前，钛在海洋开发工程中的用量占全球钛消耗总量的 5%，行业总需求量较低，其原因主要是钛的价格昂贵，受到了限制。据中国有色金属工业协会钛锆铪分会统计：在 2006 年，中国在海洋领域用钛量为 87000kg，2009 年时上升到了 622000kg，占年消耗总量分别为 0.6%和 2.5%。用于海洋平台及钻探设备的建造业在海洋产业中居首位，占全球海洋产业的25％，随着开发油气活动不断向深海发展，钛在该领域中的应用进程更得到了加快。表3列举了多年来用于海洋油气工程装置中钛及钛合金的种类和用途 [4] 。
2.3 钛的特性在海洋装备中应用实例
1）减重和强度对于海洋平台的建造非常重要，钛具有钢的强度、重量仅为其钢材的55％。钛合金的弹性模量较低，能够在弹性变形范围内吸收来自结构以外的载荷，使其具有很好的柔韧性和抗结构变形能力，这种组合特性恰是海洋平台上钢立管及渐缩应力接头非常需要的，因为它们在海水中必须根据海流的运动方向随时调节位置 [3] 。
用Ti-6A1-4V合金制作的预应力采油管接头不仅耐海水腐蚀，还组装简便快捷、重量轻，并保持弹性密封性。
在美国大陆石油公司的Heidrun TLP工程中，指定采用钛钻井立管，这种立管的直径约为508mm，整个长度为12192mm．它由上、中、下三部分组成，中间部分是普通的管道，两端采用锻造成型后机械加工而成，其材质为Ti-6A1-4V ELI钛合金 [4] 。
英格兰的Bunting钛公司加工了钛输送管道，用钛输送管道取代带有橡皮衬里的碳钢输送管道，其重量减轻80％，从而降低了支承构件的重量，也提高了耐蚀能力 [4] 。
位于美国得克萨斯州休斯顿市的Cooper-Cameron石油工具有限公司利用Ti-6Al-4V ELI合金挤压生产一种立管，投入Green-Canyon工程，所用管材的直径为295mm和346mm，长度为10668—11582mm．有报道说，这套装置已经在1995年5月份开始运行 [4] 。
2）钛表面有一层致密的氧化薄膜，可以使钛基体在130℃温度下不受海水的侵蚀、在80℃以下抗海水缝隙腐蚀，此外钛还对碳氢化合物及原油等有抗蚀作用。实验表明，钛在海水中的使用寿命可长达50年以上。对于海洋平台的水上部分，材料使用寿命不像水下应用那么重要。如果一项工程只需3～5年，则碳钢完全满足需要，因为它便宜得多。但是对于长达20~-30年的工程，使用钛制造的海洋装备可以在其工程的工作周期中免于维护，并取消了非常耗时、费钱的修复作业，因此，钛在海洋平台中的应用，应重点考虑海下装置 [3] 。
日本为了从过去的内海、内湾的浅海域向现在的外海、深海域发展，专门设立了超大型浮式技术研究小组,对数公里规模、耐用100年的超大型浮式海洋构筑物进行了理论研究和实地试验。钛材以其优良的耐腐蚀性，在海水环境下溶出离子极少,无毒性,不必担心污染环境等优点,成为其海洋构筑物的首选材料。
海上油气开采要长期承受海水腐蚀和应力腐蚀。国外广泛采用Ti-6Al—4V作为石油平台支柱、绳索支架、海水循环加压系统的高压泵、提升管及联结器等。
油气钻采中，英国在深600m、262℃的含5％H2S和25％NaCl中，使用了钛制钻采设备。
前苏联采用了钛泵、钛阀和钛制冲洗盐水设备。我国在天然气井口为解决600—700atm的高温H2S、C02和水蒸汽的腐蚀，使用了Ti-6Al—4V的阀板、阀座和阀杆，长期使用效果甚好。
3）挪威的公司是将钛用于海洋油气开采装置的主要经营者。例如：在位于欧洲北海的深海油田，钻探深度达70米（北部区域）或1000米（南部区域），它们的钻井平台分别采用固定式和浮动式，仅一个固定式的海上平台建造就需要了30~500吨的钛 [3] 。
挪威的Alba公司在1999年为澳大利亚的Laminaria工程生产了用于海洋的最大钛铸件，这个用在海水中的阀门是由纯钛（Gr2）制成，其单重2750公斤、长2210毫米、高1499毫米 [3] 。
在欧洲最近的一项工程中，挪威的Kristin为Satoil石油公司提供了50～200吨的钛管和配件，Satoil石油公司准备在6年间花费1．59亿美元购买这些产品 [3] 。
4）Statoil石油供应公司把钛管材试验性地用于消防设备中，实验表明：在通有海水的情况下，钛可以耐受2h、1000℃以上的烈火烘烤，且不被腐蚀，证明钛具有优良的抗波流冲击性。在Statoil公司于二十世纪八十年代初期建造的海上平台上，其消防系统一般都用碳钢和铜镍合金材料，由于在消防系统中使用的是海水，就导致了这些材料不能长久防腐蚀。在九十年代中期，Statoil公司经过3年时间的更换，才将在挪威建造的3个海上平台(Stat0ord A、B、C)上的40个消防系统更换为钛管，总价值达4000万挪威克朗(530万美元) 。Statoil公司认为，如果在开始建造时就应用钛管，将会省去这些更换的麻烦 [3] 。
5）在深潜器的研究过程中，美国的Alvin科研深潜器，1973年改建时将耐压壳体换成钛合金(板厚49 mm)，代替1964年建造时采用的HYl00高强钢(板厚33．8 mm)，下潜深度从2000 m增加到3600 m，它的辅助箱及高压空气容器也采用Ti一6A1—4VELI钛合金建造。1981年和1982年建造的“海崖”号深潜器装备了钛的观察舱和操纵舱，下潜深度可达6100 m。由此也可以看出，大深度深潜器的壳体材料发展趋势也是用钛合金，我国目前也在用钛合金研制深潜器的耐压舱和浮力球等部件 [1] 。
6）在海洋工程中钛热交换器应用最为广泛。俄罗斯自1962年以来各种类型的热交换器建造并成功运行六千多台，已经达到了完全商业化的水平。我国也成功的运用钛合金生产了多台船用热交换器，并成功的运行在船上 [1] 。
在Norskc Shell的Troll工程中，使用了直径为1016mm的气/水换热器管，这种由工业纯钛(Gr.2)制成的管子需要具有100年以上的工作寿命周期。据报道，位于挪威Permascand的一家公司采用冷成形—焊接方法生产了这种管材 [4] 。
7）钛泵、阀及管子，广泛应用于海洋工程中的各个领域。如造水系统的往复式盐水泵，其介质为高度浓缩的盐水。以前泵内的柱塞、阀、阀座等采用1Crl3不锈钢制造，并在表面镀铬。使用时间不长，就锈蚀严重，须经常更换。用钛合金更换后不再存在维修问题。
海底开采石油用的高压采油管已经采用了钛材，旨在减轻重量、降低成本和避免腐蚀。现在，φ38mm的Ti-6Al-4V ELI合金无缝管材，在海底管道获得了应用。
Heidrun工程平台上探孔的内径为900mm，它是冷成形后焊接而成的，与其相连的配件和管道也是用工业纯钛（Gr2）制造的。
在低压水系统中，工业纯钛已取代6Mo奥氏体钢，主要用在顶部，用钛原因是安装费用低可以经受高达90℃的缝隙腐蚀。Mobil的Stariord‘A’工程中安装了工业纯钛镇流水系统管道构件．由直径为457mm的工业纯钛焊接管取代了碳钢管。此外，还可以利用工业纯钛制造顶部阀门 [4] 。
8）紧固件是机械基础件的重要组成部分，俗称“工业之米”，在各行各业广泛应用，紧固件包括螺钉、螺栓、螺母、垫圈、销、键、挡圈等产品。随着钛合金设备、结构、管系、法兰，各型泵、阀等在海洋工程上的广泛应用，钛合金紧固件在海洋工程上的应用也有较大提高，特别是在舰船上的应用更为广泛。如我国某艇通海管道用螺栓已采用Ti80合金和TC4合金，螺母采用TA5合金，垫片采用TA2，Ti-5111(Ti-5Al-1Sn-1Zr-1V-0.8Mo)合金也是比较常用的紧固件材料。我国近几年引进的多条各型舰船，其上面的钛设备用紧固件大都采用钛合金，从实船考察发现钛合金紧固件经过几十年的海水浸泡，其表面没有产生腐蚀现象。所以采用钛合金紧固件可以解决耐海水腐蚀、异种材料间的电化学腐蚀等问题，并可大大提高螺栓的使用寿命、并减轻设备重量 [1] 。
9）中国的西部钛业有限责任公司，在2009年，为美国一家专业从事制造油气开发生产装置的企业提供了多规格、数百吨的Ti-6Al-4V合金棒材，该材料经过锻造、机械加工后用于油气勘探装置或海底电缆加紧装置等。
10）另外一项涉及金属本身的开发计划是由碳化硅纤维和钛合金组成的复合材料。这是一种很轻、强度好的耐高温材料。Ti.MMC可以替代钢部件，可耐600℃高温，而且重量仅及钢的一半。Ti.MMC可用于制造深海抗压容器 [3] 。
11）统计数字表明，迄今已有数千万吨的钛合金加工产品应用在滨海石油开采中，随着用途的不断扩大，这一数字将还会继续提高。从重量、强度和抗腐蚀能力的角度出发，选用钛合金是唯—明智的选择 [3] 。
3、未来展望
我国是世界上海底油气资源非常丰富的国家之一。中国的海洋工业正进入大规模开发阶段，当前平台的结构件和关键部件及设备均从国外进口，如：长宽为数公里的超大型浮体、深海超大型FPSO、半潜式平台与SPAR、浮式养渔装置等。国内材料很少应用，但可以预期，钛将会在这里找到广阔的市场。
2008年，中国海绵钛产量已居世界第一位，钛加工材产量仅落后于美国居世界第二位，从规模和产量上看中国已是世界钛工业大国。而我国的船舶工业生产能力也跃居在世界前列，年造船总量已居世界第二位，成为世界船舶工业的一支重要力量。因此，具有强大工业基础支撑的中国海洋装备产业一定有能力走出适应国防和海洋开发市场需求的自主创新之路，使我国不仅成为世界造船大国、强国，必定又是世界海洋强国。
参考文献：
[1] 孟祥军、陈春和等。几种海洋工程用钛合金及其应用 中国造船， 2004年10月：38~43
[2] 王蒿、祝建雯等。钛在舰船领域的应用现状及展望 钛工业进展，2003年12月：42~44
[3] 杨英惠。钛在海上作业中的应用 现代材料动态， 2003（2）:12~13
[4] 黄金昌。钛在滨海石油生产中的应用 [J].钛工业进展，1996，（6）：34-35
[5] 我国海洋钢结构现状与展望.http://www.jxcad.com.cn/read-htm-tid-628916.html
[6] 丁长安。用于海洋环境下的紧固件材料—Ti—5111[J]，稀有金属快报，2000,(3)5-8
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