隨著我國海洋工程日新月異的發展,鈦合金在船舶中的應用越來越受到重視,一方面海洋材料的應用不斷拓展,新材料以適應海洋防腐而不斷創新發展,鈦合金在海洋工程中的優勢日益凸顯,另一方面,在我國鈦產業面臨產能過剩的狀況下,急需擴展其新領域應用。無疑,在海洋工程中,鈦具有不可比擬的優勢。
鈦在海洋裝備中的適用性強
鈦的密度小、熔點高、強度高,是輕金屬中的高熔點、高比強度材料;鈦具有無磁、無毒特性以及優良的韌性、抗疲勞性能、低溫性能、生物相容性和透聲性,某些鈦合金還具有超導性能、記憶性能和貯氫性能。鈦具有其他金屬材料無可比擬的高的比強度和抗海水腐蝕等綜合性能。所以,鈦是非常理想的“海洋金屬”材料。
鈦的比重小、比強度高,在同等設計性能要求條件下,可使裝備的結構更緊湊,可大幅度減輕裝備自重、增加載重比,不僅有利于獲得更大浮力、更快的航速,可延長續航時間,還可以減少燃料費用和CO2生成量,對防止地球暖化是十分有效的。
鈦在高溫和低溫條件下都保持較好的韌性,具有很好的抗疲勞性能,使得鈦裝備承受巨大靜載荷和動載荷以及抗海浪周期性沖擊的能力大大加強,進一步擴大了鈦材在船舶裝備中的應用。
此外,鈦還具有優良的加工性能以及高回收利用率,在海洋環境中的使用壽命長,且其重量損失極少,回收率高;鈦船不需要涂料保護,不會造成因涂料引起的環境污染。使用鈦材料,對資源的浪費少,經濟效益和社會效益好。
鈦合金在船舶上應用已形成體系
當前,僅俄、美、中等國進行了專門的船舶用鈦研究,并形成船用鈦合金體系。在艦船用鈦方面俄羅斯最先進,其發展水平以及鈦合金在造船業中的使用規模遠遠領先于世界上其他所有國家。俄普羅米修斯中央結構材料研究院認為,在船用動力裝置中還沒有什么其他材料的性能可與鈦材相提并論,鈦金屬價格昂貴,只有在既要求高比強度,又要求能長期使用在強侵蝕性高溫介質條件下,使用鈦結構才是合算的。在民船用鈦方面日本較發達,綜合考慮材料的性能特點、制造成本、維修費用和更換新制品的費用,日本人認為船舶選用鈦材是最合理的。而我國艦船用鈦尚處于分析論證的探索性試用階段,雖然在材料研究方面取得了不少成果,但在工程應用技術領域的研究還不夠深入,尚不能滿足工程化大批量應用的需要。
我國船用鈦合金系列包括635MPa、685MPa、735MPa 、785MPa 強度級別,已獲得部分工程應用的有TA5、TA22、TA24 和TA31 等合金;我國船用鈦合金的強度級別和使用部位基本可與國外相對應,但品種、規格不夠完善,加工與制造技術相對落后。
我國鈦合金在海洋工程、船舶中的應用面臨很大局限性
首先,設計局限性大:鈦合金設計缺乏足夠的理論支持,無鈦裝備設計準則和合金選擇原則(現階段參照化工部腐蝕容器設計準則),使鈦材用量增加、成本提高、制造難度加大,未發揮出鈦材的綜合優勢。當前,適用鈦產品的標準、規范十分欠缺(材料標準、產品標準、工藝標準、質量檢驗標準等),尤其是鈦管系附件、閥件、緊固件標準基本上是一片空白,而這些標準是鈦材在船舶裝備上大規模使用所必不可少的。目前選用企標,存在技術合理性、質量一致性以及標準通用性等方面的問題;設計缺乏實踐數據,新研設備缺少可靠性驗證平臺。
其二,技術研究滿足不了應用需求,我國船舶用鈦起步晚,科研參研面窄(集中于大專院校、研究院所、生產廠家及相關設計院所),成果的技術局限性較大。國內關于船舶鈦工程應用方面的技術成果較少,且研究不系統、不完善、不深入,尚不能較好地解決鈦材料在以鋼為主體建造材料的船舶裝備中推廣應用所面臨的系列技術問題,滿足不了應用需求,延緩了鈦材料在此領域的推廣應用。
其三,船用鈦裝備制造能力欠缺,船舶裝備的噸位大,可靠性要求高,建造成本高、技術難度大,對制造廠的資質要求高,船舶總裝廠能力至關重要。國內絕大多數船舶總裝廠對鈦材認識不足,且缺乏相應裝備的制造能力,而鈦裝備制造廠對船舶缺乏了解,且不具備相應的資質;我國鈦裝備制造工藝與國外發達國家還存在一定的差距,發達國家已研制出針對船舶空間狹窄、管道布置復雜、現場安裝工作量大這一情況的特殊鈦合金安裝、切割工藝,使鈦合金在潛艇全船海水管系得以廣泛使用,目前我國在這方面的研究還是一片空白,不利于鈦材在此領域中的推廣應用。
其四,鈦材料生產供應能力不足,船舶對材料的需求量大,而國內鈦材產能小,難以支撐船舶裝備大批量用鈦需求。我國船用鈦合金品種、規格不完善,且針對性較強,缺乏可供各專業選擇、全船通用的鈦合金材料系列。我國鈦材料廠家眾多,各單位產品質量差別較大,不宜用于高端船舶裝備的建造中。而我國鈦材廠家對市場需求反應較慢,原材料生產周期較長,難以適應船舶裝備的建造需要。
以產業聯盟促進鈦合金海洋工程系統應用
在研究船用鈦合金材料的同時,加強鈦合金工程應用技術研究工作,應形成全套的工藝文件和檢驗技術文件,研究成果要能夠系統地解決船舶用鈦的系列技術問題,可實現批量化生產。筆者認為,我國應開展船用大型模擬件實驗驗證工作,研究鈦合金結構設計及計算、工藝性能分析、壽命及失效模式分析、全壽命經濟性分析以及產品質量檢測等相關技術,并形成相應的技術文件,為裝備的設計、制造及其使用提供指導性文件。
提升船用鈦裝備制造能力,行業應加強與船舶行業的交流與合作,積極搭建船舶用鈦技術交流平臺,促進科研、生產單位與設計所、總裝廠以及船東之間的技術合作與交流,實現跨行業技術大協作;鈦業界應加強對船舶行業的技術調研和應用推廣工作,必要時可對船舶總裝廠等單位進行鈦基礎知識普及和鈦裝備制造技術培訓,以提高相關人員對鈦的認識,提升總裝廠鈦裝備制造能力;船舶行業應及時向鈦行業發布需求信息,并主動向鈦行業學習鈦裝備建造相關知識與技能,提升船用鈦裝備的設計及其建造水平;涉鈦的船舶總裝廠應聯合鈦行業相關單位,積極開展船用鈦合金成型及其結構可焊性工藝研究,解決焊接等制造技術方面的問題并改進其性能及工藝,著重針對艦船空間狹窄、管道布置復雜、現場安裝工作量大這一特殊要求的鈦合金安裝、切割工藝進行研究,使其滿足艦船應用要求。
組建海洋用鈦“產”、“學”、“研”、“用”產業聯盟,構建由船廠、材料廠、研究所、船東、船級社等融“產”、“學”、“研”、“用”為一體的海洋用鈦產業聯盟,搭建起海洋用鈦研發平臺,提升研發實力。
設立重大專項,針對海洋用鈦系列技術問題,國家應設立重大專項,撥付足夠的技術研發費用,徹底突破該領域的瓶頸技術,有利地推動技術的發展; 要改革現行科研創新管理機制,強化管理對海洋用鈦技術研發的管理工作,注重實用價值,滿足配套要求; 提高技術成果的實用性,實現工程化應用。





