Tình trạng ứng dụng và triển vọng của hợp kim titan trong kỹ thuật đại dương

(1) Giới thiệu

Đại dương chiếm khoảng 71% bề mặt trái đất, chứa đựng nguồn tài nguyên dồi dào. Nó đã trở thành một trong những hướng nỗ lực của con người trong nhiều năm nhằm phát triển và tận dụng đại dương để biến đại dương trở thành nguồn của cải khổng lồ của chúng ta. Tuy nhiên, nước biển có tính ăn mòn do hàm lượng muối khoảng 3,5%. Ngoài ra, một số ô nhiễm sinh học trong đại dương cũng làm tăng tốc độ ăn mòn của nước biển. Titan là vật liệu có tính chất vật lý tuyệt vời và tính chất hóa học ổn định. Titan và hợp kim của nó có độ bền cao, trọng lượng riêng nhỏ và có khả năng chống ăn mòn nước biển và ăn mòn khí quyển biển, có thể đáp ứng tốt các yêu cầu ứng dụng của con người trong kỹ thuật hàng hải. Sau nhiều năm làm việc chăm chỉ của những người trong ngành titan và các nhà nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật đại dương, titan đã được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực phát triển dầu khí ngoài khơi, xây dựng cảng biển, nhà máy điện ven biển, khử mặn nước biển, tàu thủy, thủy sản biển và năng lượng nhiệt biển chuyển đổi. Giờ đây, titan cho kỹ thuật hàng hải đã trở thành một trong những lĩnh vực chính của ứng dụng dân dụng titan.

(2) Tình trạng hồ sơ

2.1 Phát triển dầu khí ngoài khơi Dầu mỏ là huyết mạch kinh tế của một quốc gia. Ước tính trữ lượng dầu có thể khai thác của thế giới là 300 tỷ tấn, trong đó trữ lượng dầu dưới đáy biển khoảng 130 tỷ tấn. Sự phát triển của dầu ngầm bắt đầu vào đầu thế kỷ 20. Sự phát triển của nó trải qua quá trình từ biển xa đến biển xa, từ biển nông đến biển sâu. Bị hạn chế bởi điều kiện kỹ thuật và phát triển vật chất, ban đầu chỉ có thể khai thác các mỏ dầu và khí tự nhiên kéo dài trực tiếp từ bờ biển đến vùng biển nông. Kể từ những năm 1980, do bị kích thích bởi cuộc khủng hoảng năng lượng và tiến bộ công nghệ, hoạt động thăm dò và phát triển dầu khí ngoài khơi đã phát triển nhanh chóng, việc phát triển dầu mỏ ngoài khơi nhanh chóng tiến tới thềm lục địa, dần hình thành một ngành công nghiệp dầu khí ngoài khơi mới. Giàn khoan ngoài khơi là cơ sở làm việc cho hoạt động thăm dò và khai thác dầu khí dưới biển, đánh dấu trình độ công nghệ phát triển dầu khí dưới biển. Thiết bị sản xuất dầu ngoài khơi chủ yếu bao gồm giàn sản xuất dầu và thiết bị phụ trợ, như bộ làm mát dầu thô, ống tăng dầu, máy bơm, van, khớp nối và đồ đạc. Các thiết bị này tiếp xúc với sunfua, amoniac, clo và các chất khác trong nước biển và dầu thô. Do khả năng chống ăn mòn tuyệt vời của titan trong các phương tiện này, Hoa Kỳ đã sử dụng các cột giàn khoan dầu ngoài khơi làm bằng titan trong các mỏ dầu của mình vào đầu những năm 1970 và sử dụng titan để chế tạo bộ trao đổi nhiệt dạng ống và bộ trao đổi nhiệt dạng tấm. Máy sưởi. Bộ trao đổi nhiệt vỏ và ống titan sử dụng nước biển làm môi trường làm mát để làm mát hỗn hợp hơi/dầu ở nhiệt độ cao được bơm từ giếng dầu. Bộ trao đổi nhiệt tấm titan cũng sử dụng nước biển làm môi trường làm mát để làm mát nước ngọt làm mát dầu thô trong bộ trao đổi nhiệt bằng thép carbon. Mỹ sử dụng khoảng 100 thiết bị trao đổi nhiệt titan trên các giàn khoan dầu ở Biển Bắc. Thành phần titan được đặt hàng bởi Hunting Oilfield Services ở Aberdeen, Scotland, Vương quốc Anh, được cho là trục tăng áp cao bằng titan đầu tiên trên thế giới cho dự án Heidrum của Conoco ở Na Uy. Ống khoan titan hợp kim titan dầu mỏ có tuổi thọ cao, trọng lượng chỉ bằng một nửa so với thép không gỉ, nhưng tính linh hoạt khi sử dụng gấp đôi so với thép không gỉ và tuổi thọ gấp 10 lần so với thép. Những đặc tính tuyệt vời này làm cho titan trở thành vật liệu tuyệt vời để khoan các giếng sâu, gần tròn khó khăn. Các công cụ khoan kết hợp bao gồm ống khoan titan có thể giảm đáng kể thời gian khoan và giảm chi phí khoan tổng thể. Năm 2000, GrantPrideco, Hệ thống năng lượng RTI và Dịch vụ khoan mỏ hàn ở Hoa Kỳ lần đầu tiên sử dụng ống khoan titan cho các ứng dụng công nghiệp. Ống khoan titan, được sản xuất và cung cấp bởi GrantPrideco và RTI Energy Systems, cũng có các khớp nối dụng cụ bằng thép của GrantPrideco Anti-Fatigue. Các khớp nối có trọng lượng nhẹ, linh hoạt khi sử dụng, giúp ống khoan titan cứng cáp và chắc chắn. Hệ thống đường ống dẫn nước biển là một phần không thể thiếu trong quá trình khai thác dầu dưới biển. Vì titan có khả năng chống ăn mòn cao đối với nước biển nên tuổi thọ của nó gấp 10 lần so với hệ thống thép. Do đó, giá thành của hệ thống đường ống titan tiết kiệm chi phí hơn so với hệ thống Cu-Ni. của. Active Metals of America và Precision Tube Technology đã cùng nhau thành lập Công ty Công nghệ Ống Titan để sản xuất ống hợp kim titan có đường kính lớn. Hợp kim được sử dụng trong ống này là hợp kim Ti-3Al-2.5V, đường kính 650mm, độ dày thành là 22-25mm và chiều dài là 350m. Một công ty khác ở Hoa Kỳ đã sử dụng ống hợp kim titan liền mạch có chiều dài 15m, đường kính ngoài 600mm và độ dày thành 25 mm để chế tạo ống nâng dài gần 500m bằng cách ép đùn, được sử dụng trên giàn khoan ngoài khơi. Người ta nói rằng trọng lượng của ống nâng có thể giảm đi một nửa, điều này có thể giảm đáng kể chi phí của chấn lưu, ngoài ra nó còn có độ bền đứt gãy cao và tuổi thọ mỏi dài. Theo báo cáo, trong dự án phát triển mỏ dầu Biển Bắc của Mỹ, lượng titan được sử dụng trong thiết bị nổi và thiết bị cố định dưới đáy biển đã tăng lên so với trước đây. Nhu cầu về vật liệu titan cho 24 thiết bị nổi và 64 thiết bị cố định dưới biển là: 50-100t dành cho thiết bị bảo vệ an toàn, 50-100t dành cho thiết bị kết nối, 400-1000t dành cho thiết bị nâng thông thường và 1400-4200t dành cho ống khoan. Sự ăn mòn các bộ phận kết cấu do bám bẩn sinh học của giàn khoan thăm dò dầu khí ngoài khơi là khá nghiêm trọng. Một công ty ở Hoa Kỳ sử dụng vỏ dài làm bằng ống titan trên giàn khai thác để bảo vệ các bộ phận trên giàn. Vài năm qua đã chứng kiến ​​​​sự gia tăng rõ rệt trong việc sử dụng các thành phần hợp kim titan trong hoạt động khoan dầu và sản xuất ngoài khơi. Các thành phần hợp kim titan cho phép khoan dầu tiếp cận vùng nước sâu hơn và giếng sâu hơn, bao gồm nhiệt độ cao hơn và môi trường sản xuất có tính ăn mòn cao (ví dụ: mặn). Đối với loại ứng dụng này, hợp kim dựa trên thanh titan TC4 (Ti-6Al-4V) là phù hợp nhất và có chi phí thấp nhất xét về hiệu suất tổng thể. Hệ thống đường ống dẫn nước biển là một phần không thể thiếu trong quá trình khai thác dầu dưới biển. Vì titan có khả năng chống ăn mòn cao đối với nước biển nên tuổi thọ của nó gấp 10 lần so với hệ thống thép. Do đó, giá thành của hệ thống đường ống titan sẽ tiết kiệm chi phí hơn so với hệ thống Cu-Ni. của. Active Metals of America và Precision Tube Technology đã cùng nhau thành lập Công ty Công nghệ Ống Titan để sản xuất ống hợp kim titan có đường kính lớn. Hợp kim được sử dụng cho ống này là hợp kim TA18 (Ti-3Al-2.5V), có đường kính 650mm, thành dày 22-25mm, dài 350m và có chiều dài 350m. ống nặng 80-90t, dự kiến ​​sẽ được sử dụng để thăm dò dầu dưới biển . Một công ty khác ở Hoa Kỳ đã sử dụng ống hợp kim titan liền mạch có chiều dài 15m, đường kính ngoài 600mm và độ dày thành 25 mm để chế tạo ống nâng dài gần 500m bằng cách ép đùn, được sử dụng trên giàn khoan ngoài khơi. Người ta nói rằng trọng lượng của ống nâng có thể giảm đi một nửa, điều này có thể giảm đáng kể chi phí của chấn lưu, ngoài ra nó còn có độ bền đứt gãy cao và tuổi thọ mỏi dài. Thực tiễn đã chứng minh rằng hợp kim Ti-6Al-4V (Gr.5_TC4) là vật liệu tốt nhất để làm ống khoan. Khi ứng dụng khoan, cường độ năng suất và độ bền mỏi là quan trọng nhất. Do đó, hai hợp kim Gr.5 có các thành phần xen kẽ đặc biệt thấp phù hợp cho các thiết bị nâng động quan trọng hơn. Khi nhiệt độ vận hành vượt quá 75 ~ 80 độ, để ngăn chặn sự ăn mòn kẽ hở hoặc ăn mòn ứng suất, người ta sử dụng hợp kim Gr29 chứa ruthenium. Các bộ phận được sử dụng phổ biến nhất bao gồm tời khoan ngoài khơi, ống khoan, khớp ứng suất hình nón (TSJ) và tời lai titan/thép. Các bộ phận titan nhỏ như máy bơm titan, van, khớp nối, ốc vít, kẹp và phụ tùng thay thế đã được sử dụng rộng rãi trên các giàn khoan dầu. Hợp kim titan cũng được sử dụng rộng rãi trên vỏ của các dụng cụ khai thác dầu khí ngoài khơi ở nước ngoài.

2.2 Trên bề mặt vật liệu titan dùng cho công trình cảng biển có một lớp màng oxit có độ dày không quá 1{8}}nm. Nó rất ổn định trong môi trường ăn mòn và có khả năng chống ăn mòn tuyệt vời đối với môi trường không khí, nước biển và biển. Nó hiện là nguyên liệu thô phù hợp nhất cho các môi trường biển khác nhau. Nhật Bản đã tiến hành mạnh mẽ các hoạt động phát triển hàng hải, như cầu từ Honsu đến Shikoku, cầu bắc qua Vịnh Tokyo, sân bay Kansai và căn cứ chứa dầu nổi. Cuộc thử nghiệm phơi nhiễm do Bộ Xây dựng và Câu lạc bộ Sắt thép Nhật Bản thực hiện trên mặt biển sông Oigawa và các báo cáo điều tra về các thử nghiệm phơi nhiễm chống ăn mòn khác nhau do Bộ Giao thông vận tải và Hiệp hội Cọc ống thép thực hiện trên phao Bosaki giàn cát cũng cho thấy titan là vật liệu phù hợp nhất. Ngoài đặc tính chống ăn mòn tuyệt vời, titan còn có ưu điểm là rất ít ion hòa tan trong môi trường nước biển, không có độc tính và không cần lo lắng về việc gây ô nhiễm môi trường. Nhật Bản cũng đã xây dựng được công trình biển nổi siêu lớn, sử dụng vật liệu composite thép titan trong quá trình xói nước biển; Trong quá trình xây dựng đường cao tốc bắc qua Vịnh Tokyo, vật liệu titan đã được sử dụng làm thân chống tia nước của các trụ cầu và vật liệu composite thép titan của mỗi trụ cầu là 0,9 tấn. Các công trình biển nổi lớn đã được sử dụng hoặc lên kế hoạch bao gồm sân bay, căn cứ hậu cần bến cảng, cơ sở thể thao, v.v.

2.3 Việc sử dụng toàn diện nước biển tại các nhà máy điện ven biển là một trong những dự án quan trọng trong kỹ thuật hàng hải. Máy ngưng tụ ở các nhà máy điện ven biển là thiết bị sử dụng một lượng lớn nước biển. Titan được sử dụng trong các nhà máy điện ven biển chủ yếu là titan được sử dụng trong bình ngưng. Do thiết bị ngưng tụ sử dụng nước biển làm nước làm mát và nước biển chứa một lượng lớn cát bùn, chất lơ lửng, sinh vật biển và các chất ăn mòn khác nhau nên tình hình nghiêm trọng hơn ở nước muối ngọt nơi nước biển và nước sông xen kẽ nhau. Bình ngưng truyền thống sử dụng ống hợp kim đồng, ống này thường bị hư hỏng nặng do bị ăn mòn trong nước biển. Titan có khả năng chống ăn mòn tốt trong nước biển, đặc biệt là nước biển bị ô nhiễm, và khả năng chống ăn mòn tốc độ cao của nó đặc biệt nổi bật.

2.4 Nhà máy khử muối “Nước là nguồn sống”. Hiện nay, tình trạng khan hiếm nước đã trở thành một vấn đề nhức nhối trên toàn thế giới. Khoảng 25% dân số thế giới không có đủ nguồn nước uống. Các dòng sông trên cạn và nguồn nước ngầm trên thế giới còn lâu mới đáp ứng được nhu cầu phát triển công nghiệp. Vì vậy, khử mặn nước biển sẽ là phương pháp hữu hiệu để con người giải quyết nguồn nước ngọt trong tương lai. Từ góc độ phát triển khử mặn nước biển trong và ngoài nước, chủ yếu có hai phương pháp: chưng cất và thẩm thấu ngược. Trước đây là làm nóng nước biển để làm bay hơi nó, sau đó ngưng tụ hơi nước để thu được nước ngọt. Sau đó là tạo áp lực cho nước biển, để nước ngọt trong đó đi qua một màng đặc biệt và giữ lại muối để thu được nước ngọt. Các thiết bị khử mặn nước biển đầu tiên sử dụng hợp kim đồng, thép cacbon và các vật liệu khác. Do những vật liệu này không có khả năng chống ăn mòn nước biển và hiệu quả sản xuất thấp nên chúng nhanh chóng được thay thế bằng titan có khả năng chống ăn mòn nước biển tuyệt vời. Trong khử mặn nước biển, ứng dụng chính của titan là ống truyền nhiệt nóng của nhà máy khử muối. Các nhà sản xuất chính của các nhà máy khử muối là Hoa Kỳ và Nhật Bản. Đến năm 2004, trên thế giới đã có hơn 15.{5}} nhà máy khử muối được xây dựng hoặc đang xây dựng, với sản lượng hàng ngày khoảng 32 triệu tấn nước ngọt. Công ty Nhật Bản đã xây dựng 10 đơn vị chưng cất cho Ả Rập Saudi với sản lượng hàng ngày là 30.{9}} tấn nước ngọt, sử dụng 3.200 tấn ống titan và sản lượng trung bình hàng ngày là 10.{13}} tấn, yêu cầu 107 tấn titan. Thiên Tân, Sơn Đông và những nơi khác của đất nước tôi đã hoặc đang xây dựng các nhà máy khử mặn nước biển. Ví dụ, kế hoạch sơ bộ về khử mặn nước biển ở Thiên Tân là sản xuất 500,{16}} tấn nước ngọt mỗi ngày vào năm 2007 và 700,{19}} tấn vào năm 2010. Người ta ước tính có khoảng 250 tấn titan sẽ được sử dụng trong các dự án khử mặn nước biển ở Thiên Tân và Sơn Đông.

2.5 Titan tàu và hợp kim của nó có khả năng chống ăn mòn trong nước biển và khí quyển biển và được coi là vật liệu đóng tàu tốt vì trọng lượng riêng nhẹ, độ bền cao, khả năng chống va đập, không từ tính, truyền âm và hệ số giãn nở nhỏ. Trong những năm gần đây, việc ứng dụng titan vào tàu biển đã thu hút nhiều sự chú ý. Hải quân và ngành công nghiệp đóng tàu của nhiều quốc gia cũng rất coi trọng việc ứng dụng titan trên tàu và đã phát triển nhiều loại hợp kim titan hàng hải. Titan và hợp kim của nó được sử dụng rộng rãi trong tàu thủy, chẳng hạn như kết cấu thân tàu, tàu khảo sát biển sâu và thân tàu chịu áp, đường ống, van, bánh lái, giá đỡ trục, phụ kiện, cánh quạt và bộ đẩy trong bộ truyền động điện. Trục, bộ trao đổi nhiệt, bộ làm mát, thân tàu tấm che sóng siêu âm và hơn thế nữa. Ứng dụng đầu tiên của titan trên thân tàu là tàu ngầm lớp alpha của Liên Xô cũ. Sau đó, titan được sử dụng trong các tàu ngầm nghiên cứu biển sâu nhân tạo hoặc không người lái và tàu ngầm hỗ trợ biển sâu. Titan nguyên chất công nghiệp được sử dụng cho các bộ phận kết cấu chung và hợp kim Ti-6Al-4V được sử dụng cho bình chịu áp lực. Theo báo cáo, việc sử dụng titan trong kết cấu thân tàu không chỉ có thể làm giảm trọng lượng của thân tàu, tăng trọng lượng tải hiệu quả mà còn giảm việc bảo trì và kéo dài tuổi thọ của tàu. Hợp kim nhôm, thép nhẹ và các vật liệu kết cấu thân tàu khác thường yêu cầu bảo trì trong vòng 10 năm, trong khi vật liệu titan hầu như không cần bảo trì và sửa chữa, và tuổi thọ của chúng có thể kéo dài từ 20 năm thông thường lên 30 đến 40 năm. Nghiên cứu của Nhật Bản về hợp kim titan cho tàu khảo sát biển sâu đã mang lại kết quả. Hầu như tất cả các buồng áp suất "Deep-Sea 6500" có thể chứa 3 người vận hành đều sử dụng hợp kim titan. Đây là kết quả của những nỗ lực lâu dài tại Nhà máy đóng tàu Mitsubishi Heavy Industries Kobe. Tàu ngầm sử dụng một lượng lớn titan. Ví dụ, một tàu ngầm hạt nhân có độ sâu lặn 900m sử dụng tới 3500 tấn titan.

2.6 Nghề cá biển Có thông tin cho rằng nghề cá của Nhật Bản đã thay đổi từ đánh bắt cá sang nuôi cá và cá sư tử, cá bơn, cá chình, v.v. đã được nuôi trồng nhân tạo. Trong công nghệ nhân giống nhân tạo, lưới kim loại titan và bộ trao đổi nhiệt ống titan để duy trì nhiệt độ nước biển nhất định được sử dụng rộng rãi. Việc nuôi cá mú nhân tạo đã được thực hiện ở các vùng ven biển Phúc Kiến ở nước tôi và giỏ nuôi loại đĩa titan được sử dụng đã mang lại lợi ích tuyệt vời cho việc nuôi cá mú.

2.7 Chuyển hóa nhiệt năng đại dương Trong đại dương có một lượng năng lượng rất lớn, chẳng hạn như năng lượng thủy triều, năng lượng sóng, năng lượng chênh lệch nhiệt độ, năng lượng dòng hải lưu và năng lượng chênh lệch muối, v.v. Với tình trạng thiếu năng lượng ngày càng tăng trên thế giới, con người sẽ quan tâm nhiều hơn đến việc phát triển và sử dụng năng lượng đại dương. Các dự án sản xuất nhiệt điện, thủy triều được nghiên cứu phát triển. Nguyên lý sản xuất nhiệt điện là sử dụng nước biển có nhiệt độ cao trên bề mặt đại dương để làm bay hơi amoniac hoặc freon để điều khiển tuabin quay và tạo ra điện, sau đó sử dụng nước biển nhiệt độ thấp trong đại dương sâu để làm mát amoniac bốc hơi. hoặc freon để tạo thành hệ thống động cơ nhiệt chu trình liên tục. Các thiết bị chính để sản xuất nhiệt điện là thiết bị bay hơi, bình ngưng, ống hút nước biển, vòng lặp, v.v., không chỉ yêu cầu khả năng chống ăn mòn mà còn cả khả năng chống ăn mòn amoniac và flo. Titan và các hợp kim của nó không chỉ có khả năng chống ăn mòn tốt trong nước biển mà còn có khả năng chống ăn mòn bởi amoniac và flo, vì vậy titan là vật liệu lý tưởng nhất. Thiết bị bay hơi và ngưng tụ ống titan đã được sử dụng trong các nhà máy nhiệt điện ở Hoa Kỳ và Nhật Bản và đã đạt được kết quả tốt.

(3) Triển vọng

Là một thị trường dân sự mới nổi của titan, kỹ thuật hàng hải đã phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây. Với tình trạng khủng hoảng năng lượng thế giới ngày càng trầm trọng, tất cả các nước trên thế giới sẽ đầu tư nhiều nhân lực và vật lực để khai thác tài nguyên dầu đáy biển và các tài nguyên khoáng sản khác; trong xu thế toàn cầu thiếu nước ngọt, tất cả các nước ven biển sẽ sử dụng nước biển để sản xuất nước ngọt; Sự cạnh tranh ngày càng khốc liệt của các thiết bị hải quân của các cường quốc quân sự khác nhau không thể tách rời khỏi vật liệu titan và hợp kim titan. Do đó, việc ứng dụng titan và hợp kim của nó trong kỹ thuật hàng hải sẽ ngày càng mở rộng. Dự kiến ​​titan cho kỹ thuật hàng hải sẽ trở thành thị trường ứng dụng lớn hơn cho vật liệu titan.