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  • 鈦合金在海水淡化和造船工業(yè)中的防腐應(yīng)用

     

    抗海水腐蝕的能力比其它所有金屬都好, 無(wú)論是在靜止的或高速流動(dòng)的海水中鈦都具有特殊的穩(wěn)定性。 因此, 鈦是海水淡化裝置的理想材料。 鈦在這個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用數(shù)量將越來(lái)越大。鈦抗海水和海洋空氣腐蝕能力很強(qiáng), 而且強(qiáng)度大, 重量輕, 是造船工業(yè)的理想結(jié)構(gòu)材料,已廣泛應(yīng)用在各種艦艇、深水潛艇的許多部件中。

      目前海水淡化已遍及全世界 60 多個(gè)國(guó)家和地區(qū),全球有海水淡化廠 600 萬(wàn)多座,海水淡化日產(chǎn)量約 3500 萬(wàn)噸左右,并且以每年 10%以上的速度在增加。海水淡化已經(jīng)成為解決缺水問(wèn)題最佳方法之一。 目前全球主流的海水淡化方法主要有多級(jí)閃蒸法( MSF)、低溫多效蒸餾法( LT-MED )和反滲透膜法( RO)三種。三種方法各有優(yōu)缺點(diǎn),適用的條件和范圍也不同。我國(guó)主要是應(yīng)用 LT-MED 和 RO 兩種方法,未來(lái)幾年當(dāng)時(shí)中國(guó)將有多個(gè)海水淡化項(xiàng)目啟動(dòng)。未來(lái) 3-5 年海水淡化將有很大發(fā)展空間。
      取決于現(xiàn)今技術(shù)對(duì)于海水淡化大規(guī)模應(yīng)用已具備成本優(yōu)勢(shì), 相比較南水北調(diào)來(lái)說(shuō)噸水成本更低,國(guó)家出臺(tái)一系列鼓勵(lì)政策,未來(lái) 10 年海水淡化規(guī)模將是現(xiàn)在的 5 倍。海水淡化設(shè)備用鈦合金取代銅合金是未來(lái)趨勢(shì)。 鈦材多方位的優(yōu)勢(shì)決定了未來(lái)在海水淡化管領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用空間,預(yù)計(jì)未來(lái)十年,中國(guó)海水淡化鈦管需求量約為 9500-23520 噸,全球約為140.63-281.25 萬(wàn)噸。雖然國(guó)內(nèi)初步測(cè)算需求量并不大,但國(guó)內(nèi)需求只占國(guó)際需求總量的1.6%,可以說(shuō)整體發(fā)展空間非常巨大。
      5.1 、鈦管用于海水淡化的主要特性:
      5.1.1 、密度小,比強(qiáng)度(強(qiáng)度 / 比重)高
      金屬鈦的密度為 4.51g/cm3 ,高于鋁而低于鋼、銅、。但比強(qiáng)度位于金屬之首,是不銹鋼的 3 倍,是鋁合金的 1.3 倍;
      5.1.2 、耐腐蝕性能好
      鈦是一種非?;顫姷慕饘?, 其平衡電位很低, 在介質(zhì)中的熱力學(xué)腐蝕傾向大。 但實(shí)際上鈦在許多介質(zhì)中很穩(wěn)定, 如鈦在氧化性、 中性和弱還原性等介質(zhì)中是耐腐蝕的。 這是因?yàn)殁伜脱跤泻艽蟮挠H和力,在空氣中或含氧的介質(zhì)中, 鈦表面生成一層致密的、 附著力強(qiáng)、 惰性大的氧化膜, 保護(hù)了鈦基體不被腐蝕。 即使由于機(jī)械磨損也會(huì)很快自愈或重新再生。 這表明了鈦是具有強(qiáng)烈鈍化傾向的金屬。介質(zhì)溫度在 315℃以下鈦的氧化膜始終保持這一特性。
      5.1.3 、換熱性能好
      金屬鈦的導(dǎo)熱系數(shù)雖然比碳鋼和銅低, 但由于鈦優(yōu)異的耐腐蝕性能, 所以壁厚可以大大減薄,而且表面與蒸汽的換熱方式為滴狀冷凝,減少了熱組,太表面不結(jié)垢也可減少熱阻,使鈦的換熱性能顯著提高。
      5.1.4 、耐熱性能好
      新型鈦合金可在 600℃或更高的溫度下長(zhǎng)期使用。
      5.1.5 、化工耐低溫性能好
      鈦合金 TA7(Ti-5Al-2.5Sn ),TC4(Ti-6Al-4V) 和 Ti-2.5Zr-1.5Mo 等為代表的低溫鈦合金 ,其強(qiáng)度隨溫度的降低而提高 , 但塑性變化卻不大。 5.1.6 、抗拉強(qiáng)度與其屈服強(qiáng)度接近鈦的這一性能說(shuō)明了其屈強(qiáng)比 (抗拉強(qiáng)度 / 屈服強(qiáng)度) 高,表示了金屬鈦材料在成形時(shí)塑性變形差。由于鈦的屈服極限與彈性模量的比值大,使鈦成型時(shí)的回彈能力大。
      5.2 海水淡化設(shè)備中鈦管將逐漸替代原來(lái)的銅合金管,兩者相比,鈦管具有以下優(yōu)點(diǎn):
      5.2.1 、同樣作業(yè)條件下,鈦管的壁厚更薄,管材用量更少。一般,銅合金管等壁厚為0.9mm-1.2mm ;用鈦管代替,在腐蝕性小的地方,可用壁厚為 0.5mm 的薄壁管。
      5.2.2、鈦管的導(dǎo)熱性好。鈦熱導(dǎo)率為 17W/(m·k),鋁黃銅的為 lOOW/ (m·k),70/30 白銅的為 29W/(m·k),鈦的熱導(dǎo)率最小.但使用薄壁鈦管,導(dǎo)熱性雖然比鋁黃銅差,但與 90/10白銅相當(dāng) ,比 70/30 白銅的要好。
      5.2.3、使用鈦管的性價(jià)比更高。鈦管價(jià)格可與銅合金管抗衡,由于鈦的密度低,壁厚相同時(shí),同等長(zhǎng)度的鈦管質(zhì)量只是銅合金管的 50%,當(dāng)鈦管壁厚為銅合金管的 50%時(shí),相同傳熱面積的鈦管質(zhì)量?jī)H為銅合金管的 1/4.可見(jiàn),鈦管在價(jià)格方面是有競(jìng)爭(zhēng)力的。
      5.2.4、鈦管的使用壽命更長(zhǎng)。由于海水常混有泥沙、 海生物,它們?cè)趥鳠峁軆?nèi)及管端附著,會(huì)侵蝕銅合金管,銅合金還會(huì)受海水中 Br-的腐蝕。而鈦管就不會(huì)出現(xiàn)這種問(wèn)題,特別是為了殺死海水中的細(xì)菌,不得不注入氧時(shí),更需使用耐蝕性好的鈦管。
      5.3 國(guó)外鈦材的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用
      日立,三菱及東芝生產(chǎn)的電站冷凝器,使用了厚 0.5mm的鈦焊管,三菱、川崎、日立,三井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。到 1983 年,在 16 年的時(shí)間里,日本生產(chǎn)了用于世界各地海水淡化設(shè)備的薄壁鈦焊管4038t,至今未發(fā)生因海水腐蝕而損壞的現(xiàn)象。
      (1) 通風(fēng)凝結(jié)器和噴射壓氣機(jī)
      日本真正的海水淡化設(shè)備是 1967 年由松島碳礦株式會(huì)社建成的 2650t/ d海水淡化設(shè)備。該裝置的通風(fēng)凝結(jié)器及噴射壓氣機(jī)的傳熱管和管板,由于受海水中 Br- 的腐蝕,不能用銅合金,換用鈦后,沒(méi)發(fā)生過(guò)因腐蝕導(dǎo)致的故障。
      (2) 熱放出部冷凝器
      多級(jí)閃蒸冷凝器是將海水作冷卻水,冷卻各級(jí)閃速室產(chǎn)生的水蒸氣,由于海水常混有泥沙、海生物,它們?cè)趥鳠峁軆?nèi)及管端附著,侵蝕銅合金管。因此,現(xiàn)在幾乎所有的 MSF型海水淡化設(shè)備的傳熱冷凝器上都使用了鈦管。特別是為了殺死海水中的細(xì)菌,不得不注入氧時(shí),更需使用耐蝕性好的鈦管。
      (3) 熱回收部冷凝器
      熱回收部冷凝器傳熱面積較大,由于經(jīng)濟(jì)原因,現(xiàn)通常使用銅合金管,僅在特殊場(chǎng)合使用鈦管,如含有氨或硫化氫等污染物的介質(zhì)對(duì)銅合金的腐蝕劇烈。 1977 年,向德國(guó)出口的 3600t/ d的 MSF型淡化裝置,由于它是氨的附屬設(shè)備,不能用銅合金,而采用了鈦;由于硫化氧的腐蝕,秘魯?shù)?3120t/ dMSP型淡化設(shè)備,使用 1 年后鋁黃銅管就發(fā)生了腐蝕,最后將全部傳熱管換成了鈦管。
      據(jù)報(bào)道,日產(chǎn)百噸的海水淡化裝置用鈦管達(dá) 6 萬(wàn)根.從 1967 年至 1994 年,在近 30年的時(shí)間里,共生產(chǎn)了 52 套原于能級(jí)火力發(fā)電用冷凝器和 7 套海水淡化設(shè)備,共計(jì)使用鈦焊管 11000t。
      5.4 國(guó)內(nèi)涉及鈦管或者海水淡化鈦管的上市公司:
      攀鋼鈦 ( 鈦資源儲(chǔ)量全國(guó)最大,生產(chǎn)鈦材和鈦精礦 ) ,未來(lái)受益于鈦需求的大幅放量和鈦材的投產(chǎn);
      久立特材 (17.50,-0.30,-1.69%)( 海水淡化鈦管 1000 噸) ,受益于海水淡化鈦管的逐步應(yīng)用;
      寶鈦股份 (25.53,-0.26,-1.01%)( 鈦材龍頭 ) ,鈦材和鈦管綜合實(shí)力領(lǐng)先,受益于行業(yè)未來(lái)的快速發(fā)展。
      5.5 造船工業(yè)
      隨著社會(huì)的發(fā)展,人類對(duì)自然資源的需求越大,開(kāi)發(fā)與應(yīng)用海洋資源愈來(lái)愈受到重視,有人說(shuō), 21 世紀(jì)是海洋開(kāi)發(fā)的世紀(jì)。
      開(kāi)發(fā)海洋需要各種裝備, 而任何裝備功能的實(shí)現(xiàn)依賴于材料技術(shù)。 鈦材具有適應(yīng)于海洋環(huán)境的特性,如耐蝕性、 無(wú)磁性、高的綜合力學(xué)性能和機(jī)械加工性等, 是一種天然的海洋裝備結(jié)構(gòu)材料。 鈦材的這些特性, 給研發(fā)新的船舶產(chǎn)品、 海洋工程機(jī)械和裝置提供了重要的材料技術(shù)平臺(tái), 因此從上世紀(jì) 50 年代末開(kāi)始, 鈦材在船舶和海洋工程中的應(yīng)用, 不僅領(lǐng)域逐步拓寬,而且用量也隨之增大。
      中國(guó)船舶行業(yè)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 經(jīng)長(zhǎng)期應(yīng)用研究, 已形成船用鈦合金材料技術(shù)體系。在本行業(yè)中使用鈦材冶金半成品主要有各種不同規(guī)格的板材、 鍛件、鑄件、絲材和管材, 其中板材用量最大,約占 70 %以上,鍛件次之,約為 15 %,鑄件 12 %,其余是絲材和管材。要保證船舶和海洋工程裝備的建造質(zhì)量, 各類不同規(guī)格鈦材的各向同性、 組織形態(tài)和晶粒大小適中、 板材生產(chǎn)、 彎曲、 沖壓成型、 焊接, 鍛件與鑄件的制備, 制造工藝技術(shù)是關(guān)鍵,此外, 國(guó)內(nèi)船用鈦合金研發(fā)經(jīng)驗(yàn)還表明, 一種新的鈦合金材料用于船舶制品, 必須進(jìn)行大型結(jié)構(gòu)模擬的驗(yàn)證性試驗(yàn),以考察其使用性,建立相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。
      船用鈦材由于應(yīng)用領(lǐng)域范圍廣泛, 除要求耐海洋環(huán)境腐蝕的共性外, 其它研究重點(diǎn)則是:①高性能 (較高強(qiáng)度、 抗沖擊韌性、 抗疲勞性)、高功能 (高透聲性) ,且適應(yīng)使用環(huán)境工況;②材料建造工藝適應(yīng)性、 使用安全可靠性;③品種/規(guī)格系列化、 材料的配套性(如相應(yīng)的焊絲材料)、實(shí)用性;低成本。船舶及海洋工程是靠它的性能和質(zhì)量,更要看它的價(jià)格是否可以接受, 低成本是當(dāng)前船用鈦合金材料及制造工藝研究的重要目標(biāo), 國(guó)內(nèi)外對(duì)鈦合金低成本研究相當(dāng)活躍。

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