(1. Introduzione
L'oceano, che rappresenta circa il 71 per cento della superficie terrestre, contiene abbondanti risorse. Per molti anni è diventata una delle direzioni degli sforzi delle persone per sviluppare e utilizzare l'oceano e fare dell'oceano la fonte della nostra enorme ricchezza. Tuttavia, l'acqua di mare è corrosiva a causa del suo contenuto di sale di circa il 3,5%. Inoltre, un po' di inquinamento biologico nell'oceano accelera anche la corrosione dell'acqua di mare.
Il titanio è un materiale con eccellenti proprietà fisiche e proprietà chimiche stabili. Il titanio e le sue leghe hanno un'elevata resistenza, un basso peso specifico e sono resistenti alla corrosione dell'acqua di mare e alla corrosione dell'atmosfera marina, che possono soddisfare i requisiti delle applicazioni delle persone nell'ingegneria navale. Dopo anni di duro lavoro da parte di persone nell'industria del titanio e ricercatori di applicazioni di ingegneria oceanica, il titanio è stato ampiamente utilizzato nei campi dello sviluppo di petrolio e gas offshore, costruzione di porti marittimi, centrali elettriche costiere, desalinizzazione dell'acqua di mare, navi, pesca marina ed energia termica marina conversione. Ora, il titanio per l'ingegneria navale è diventato uno dei principali campi di applicazione civile del titanio.
(II) Stato della domanda
2.1 Sviluppo offshore di petrolio e gas
Il petrolio è la linfa vitale dell'economia di un paese. Si stima che le riserve mondiali di petrolio recuperabili siano 300 miliardi di tonnellate, di cui le riserve di petrolio dei fondali marini sono circa 130 miliardi di tonnellate. Lo sviluppo del petrolio sottomarino iniziò all'inizio del XX secolo. Il suo sviluppo ha attraversato il processo dal mare aperto al mare lontano, dal mare poco profondo al mare profondo. Limitati dalle condizioni tecniche e dallo sviluppo dei materiali, inizialmente potevano essere sfruttati solo i giacimenti di petrolio e gas naturale che si estendevano direttamente dalla costa al mare poco profondo. Dagli anni '80, stimolati dalla crisi energetica e dal progresso tecnologico, l'esplorazione e lo sviluppo petrolifero offshore si sono sviluppati rapidamente e lo sviluppo petrolifero offshore è rapidamente avanzato verso la piattaforma continentale, formando gradualmente un nuovo settore dell'industria petrolifera offshore. La piattaforma di perforazione offshore è la base di lavoro per l'esplorazione e lo sfruttamento di petrolio e gas sottomarino e segna il livello della tecnologia di sviluppo di petrolio e gas sottomarino. Le apparecchiature per la produzione di petrolio offshore comprendono principalmente piattaforme di produzione di petrolio e apparecchiature ausiliarie, come refrigeratori di petrolio greggio, colonne montanti dell'olio, pompe, valvole, giunti e dispositivi. Questi dispositivi sono a contatto con solfuro, ammoniaca, cloro e altri mezzi nell'acqua di mare e nel petrolio greggio. A causa dell'eccellente resistenza alla corrosione del titanio in questi mezzi, gli Stati Uniti hanno utilizzato pilastri per piattaforme petrolifere offshore in titanio nei loro giacimenti petroliferi all'inizio degli anni '70 e hanno utilizzato il titanio per realizzare scambiatori di calore a tubi e scambiatori di calore a piastre. Stufa. Lo scambiatore di calore a fascio tubiero in titanio utilizza l'acqua di mare come mezzo di raffreddamento per raffreddare la miscela vapore/olio ad alta temperatura pompata dal pozzo petrolifero. Lo scambiatore di calore a piastre in titanio utilizza anche l'acqua di mare come mezzo di raffreddamento per raffreddare l'acqua dolce che raffredda il petrolio greggio nello scambiatore di calore in acciaio al carbonio. Gli Stati Uniti utilizzano circa 100 scambiatori di calore in titanio sulle piattaforme petrolifere nel Mare del Nord. Si dice che il componente in titanio ordinato da Hunting Oilfield Services ad Aberdeen, in Scozia, nel Regno Unito, sia il primo albero riser ad alta pressione in titanio al mondo per il progetto Heidrum di Conoco in Norvegia.
Il tubo di perforazione in lega di titanio e titanio di petrolio ha una lunga durata, il suo peso è solo la metà di quello dell'acciaio inossidabile, ma la sua flessibilità d'uso è il doppio di quella dell'acciaio inossidabile e la sua durata è 10 volte quella dell'acciaio. Queste eccellenti proprietà rendono il titanio un materiale eccellente per la perforazione di pozzi difficili, quasi circolari e profondi. Gli strumenti di perforazione combinati, compresi i tubi di perforazione in titanio, possono ridurre notevolmente i tempi di perforazione e ridurre i costi complessivi di perforazione. Nel 2000, GrantPrideco, RTI Energy Systems e Torch Drilling Services negli Stati Uniti hanno utilizzato per la prima volta tubi di perforazione in titanio per applicazioni industriali. Il tubo di perforazione in titanio, prodotto e fornito da GrantPrideco e RTI Energy Systems, è dotato anche di giunti per utensili in acciaio di GrantPrideco Anti-Fatigue. I giunti sono leggeri, flessibili nell'uso e rendono i tubi di perforazione in titanio robusti e resistenti.
Il sistema di condotte dell'acqua di mare è una parte indispensabile dello sfruttamento del petrolio sottomarino. Poiché il titanio ha un'elevata resistenza alla corrosione dell'acqua di mare, la sua durata è 10 volte quella del sistema in acciaio. Pertanto, il costo del sistema di tubazioni in titanio è conveniente rispetto al sistema Cu-Ni. di. Active Metals of America e Precision Tube Technology hanno fondato congiuntamente una Titanium Tube Technology Company per produrre un tubo in lega di titanio di grande diametro. La lega utilizzata in questo tubo è Ti-3Al-2.5V, il diametro è 650 mm, lo spessore della parete è 22-25mm e la lunghezza è 350 m. Un'altra azienda negli Stati Uniti ha utilizzato tubi in lega di titanio senza saldatura con una lunghezza di 15 m, un diametro esterno di 600 mm e uno spessore della parete di 25 mm per realizzare un tubo riser lungo quasi 500 m mediante estrusione, che è stato utilizzato in una piattaforma di perforazione offshore. Si dice che il peso del tubo riser possa essere ridotto della metà, il che può ridurre notevolmente il costo della zavorra, inoltre ha anche un'elevata tenacità alla frattura e una lunga durata alla fatica.
Secondo i dati riportati, nel progetto di sviluppo di un giacimento petrolifero del Mare del Nord negli Stati Uniti, la quantità di titanio utilizzata nel dispositivo a corpo galleggiante sulla nave e nel dispositivo fisso sul fondo del mare è aumentata rispetto al precedente. La domanda di materiali in titanio per 24 dispositivi a corpo galleggiante e 64 dispositivi fissi sottomarini è: 50-100t per dispositivi di protezione di sicurezza, 50-100t per dispositivi di collegamento, 400-1000t per attrezzature di sollevamento generali e 1400-4200t per aste di perforazione. La corrosione delle parti strutturali causata dall'incrostazione biologica delle piattaforme di esplorazione petrolifera offshore è piuttosto grave. Una società negli Stati Uniti utilizza lunghi involucri realizzati con tubi di titanio sulle piattaforme minerarie per proteggere le parti sulla piattaforma.
Negli ultimi anni si è assistito a un marcato aumento dell'uso di componenti in lega di titanio nelle trivellazioni petrolifere e nelle operazioni di produzione offshore. I componenti in lega di titanio consentono alle trivellazioni petrolifere di accedere ad acque più profonde e pozzi più profondi, comprese temperature più elevate e ambienti di produzione altamente corrosivi (cioè salati).
Per questo tipo di applicazione, la lega a base di stelo di titanio TC4 (Ti-6Al-4V) è la più adatta e il costo più basso in termini di prestazioni globali. Il sistema di condotte dell'acqua di mare è una parte indispensabile dello sfruttamento del petrolio sottomarino. Poiché il titanio ha un'elevata resistenza alla corrosione dell'acqua di mare, la sua durata è 10 volte quella del sistema in acciaio. Pertanto, il costo del sistema di tubazioni in titanio è più conveniente rispetto a quello del sistema Cu-Ni. di. Active Metals of America e Precision Tube Technology hanno fondato congiuntamente una Titanium Tube Technology Company per produrre un tubo in lega di titanio di grande diametro. La lega utilizzata per questo tubo è la lega TA18 (Ti-3Al-2.5V), con un diametro di 650 mm, uno spessore della parete di 22-25mm, una lunghezza di 350 m e un tubo del peso di 80-90t, che dovrebbe essere utilizzato per l'esplorazione petrolifera sottomarina . Un'altra azienda negli Stati Uniti ha utilizzato tubi in lega di titanio senza saldatura con una lunghezza di 15 m, un diametro esterno di 600 mm e uno spessore della parete di 25 mm per realizzare un tubo riser lungo quasi 500 m mediante estrusione, che è stato utilizzato in una piattaforma di perforazione offshore. Si dice che il peso del tubo riser possa essere ridotto della metà, il che può ridurre notevolmente il costo della zavorra, inoltre ha anche un'elevata tenacità alla frattura e una lunga durata alla fatica.
La pratica ha dimostrato che la lega Ti-6Al-4V (Gr.5_TC4) è il miglior materiale per la perforazione di tubi. Come applicazioni di perforazione, la resistenza allo snervamento e alla fatica sono le più importanti. Pertanto, due leghe Gr.5 con elementi interstiziali particolarmente bassi sono idonee per Per i dispositivi di sollevamento dinamici più critici. Quando la temperatura di esercizio supera i 75 ~ 80 gradi, per prevenire la corrosione interstiziale o la tensocorrosione, viene utilizzata una lega Gr29 contenente rutenio.
I componenti più comunemente utilizzati includono argani di perforazione offshore, tubi di perforazione, giunti di sollecitazione conici (TSJ) e argani ibridi in titanio/acciaio.
Piccoli componenti in titanio come pompe in titanio, valvole, giunti, elementi di fissaggio, morsetti e pezzi di ricambio sono stati ampiamente utilizzati sulle piattaforme di trivellazione petrolifera. Le leghe di titanio sono anche ampiamente utilizzate sui gusci degli strumenti di disboscamento di esplorazione petrolifera offshore all'estero.
2.2 Edifici portuali
Il titanio ha una pellicola di ossido con uno spessore non superiore a 10nm sulla superficie. È molto stabile in ambienti corrosivi e ha un'eccellente resistenza alla corrosione per aria, acqua di mare e ambienti marini. Attualmente è la materia prima più adatta per diversi ambienti marini. Il Giappone ha svolto con vigore lo sviluppo marittimo, come il ponte da Honsu a Shikoku, il ponte sulla baia di Tokyo, l'aeroporto di Kansai e la base galleggiante di stoccaggio del petrolio. Il test di esposizione condotto dal Ministero delle Costruzioni e dall'Iron and Steel Club del Giappone sulla superficie oceanica del fiume Oigawa e i rapporti di indagine di vari test di esposizione anticorrosione condotti dal Ministero dei Trasporti e dalla Steel Pipe Pile Association sul galleggiante di Bosaki il cavalletto di sabbia ha anche dimostrato che il titanio è il materiale più adatto. Oltre alle sue eccellenti proprietà anticorrosione, il titanio ha anche i vantaggi di pochissimi ioni disciolti nell'ambiente dell'acqua di mare, nessuna tossicità e nessuna necessità di preoccuparsi di inquinare l'ambiente. Il Giappone ha anche costruito una struttura marina galleggiante super grande, utilizzando materiali compositi in acciaio al titanio nella perlustrazione dell'acqua di mare; nella costruzione dell'autostrada che attraversa la baia di Tokyo, i materiali in titanio sono stati utilizzati come torso a prova di schizzi dei pilastri del ponte e i materiali compositi in acciaio al titanio di ciascun pilastro del ponte sono L'importo è 0,9 t. Grandi strutture marine galleggianti già in uso o pianificate includono aeroporti, basi logistiche portuali, impianti sportivi e altro ancora.
2.3 Centrali elettriche costiere
L'utilizzo completo dell'acqua di mare è uno dei progetti importanti nell'ingegneria marina. Il condensatore della centrale elettrica costiera è un dispositivo che utilizza una grande quantità di acqua di mare. Il titanio utilizzato nelle centrali elettriche costiere è principalmente il titanio utilizzato nei condensatori. Poiché il condensatore utilizza l'acqua di mare come acqua di raffreddamento e l'acqua di mare contiene una grande quantità di sabbia fangosa, sostanze sospese, organismi marini e varie sostanze corrosive, la situazione è più grave nella salamoia fresca dove si alternano l'acqua di mare e l'acqua di fiume. I condensatori tradizionali utilizzano tubi in lega di rame, che spesso sono gravemente danneggiati a causa della varia corrosione nell'acqua di mare. Il titanio ha una buona resistenza alla corrosione nell'acqua di mare, in particolare nell'acqua di mare inquinata, e la sua resistenza alla corrosione da erosione ad alta velocità è particolarmente eccezionale.
2.4 Dispositivo di desalinizzazione dell'acqua di mare
"L'acqua è la fonte della vita". Attualmente, la scarsità d'acqua è diventata un problema che affligge il mondo. Circa il 25 per cento della popolazione mondiale non dispone di adeguate fonti di acqua potabile. I fiumi terrestri e le risorse idriche sotterranee del mondo sono lontani dal soddisfare le esigenze dello sviluppo industriale. Pertanto, la desalinizzazione dell'acqua di mare sarà un metodo efficace per gli esseri umani per risolvere le risorse di acqua dolce in futuro.
Dal punto di vista dello sviluppo della desalinizzazione dell'acqua di mare in patria e all'estero, ci sono principalmente due metodi: distillazione e osmosi inversa. Il primo consiste nel riscaldare l'acqua di mare per vaporizzarla, quindi condensare il vapore per ottenere acqua dolce. Quest'ultimo serve a pressurizzare l'acqua di mare, in modo che l'acqua dolce in essa contenuta passi attraverso una speciale membrana e trattiene il sale per ottenere acqua dolce. I primi dispositivi di desalinizzazione dell'acqua di mare utilizzavano leghe di rame, acciaio al carbonio e altri materiali. Poiché questi materiali non sono resistenti alla corrosione dell'acqua di mare e hanno una bassa efficienza produttiva, sono stati rapidamente sostituiti dal titanio con un'eccellente resistenza alla corrosione dell'acqua di mare. Nella dissalazione dell'acqua di mare, l'applicazione principale del titanio è il tubo di scambio termico del riscaldatore dell'impianto di dissalazione. I maggiori produttori di impianti di desalinizzazione sono gli Stati Uniti e il Giappone. Nel 2004 c'erano più di 15,{2}} impianti di desalinizzazione costruiti o in costruzione nel mondo, con una produzione giornaliera di circa 32 milioni di tonnellate di acqua dolce. L'azienda giapponese ha costruito 10 unità di distillazione per l'Arabia Saudita con una produzione giornaliera di 30000 tonnellate di acqua dolce, utilizzando 3.200 tonnellate di tubi di titanio e una produzione media giornaliera di 10{10}} tonnellate, richiedendo 107 tonnellate di titanio.
Tianjin, Shandong e altri luoghi del mio paese hanno costruito o stanno costruendo impianti di desalinizzazione dell'acqua di mare. Ad esempio, il piano preliminare per la desalinizzazione dell'acqua di mare a Tientsin prevede di produrre 500000 tonnellate di acqua dolce al giorno entro il 2007 e 700{4}} tonnellate entro il 2010. Si stima che circa 250 tonnellate di titanio sarà utilizzato nei progetti di desalinizzazione dell'acqua di mare a Tianjin e Shandong.
2.5 Navi
Il titanio e le sue leghe sono resistenti alla corrosione nell'acqua di mare e nelle atmosfere marine e sono considerati buoni materiali navali a causa del loro peso specifico alla luce, elevata resistenza, resistenza agli urti, non magnetico, trasmissione del suono e piccolo coefficiente di espansione. Negli ultimi anni, l'applicazione del titanio nelle navi ha attirato molta attenzione. Anche le marine e le industrie cantieristiche di vari paesi attribuiscono grande importanza all'applicazione del titanio sulle navi e hanno sviluppato molti tipi di leghe di titanio marino. Il titanio e le sue leghe sono ampiamente utilizzati nelle navi, come strutture dello scafo, navi da ricognizione d'altura e scafi sottomarini a pressione, tubi, valvole, timoni, staffe d'albero, accessori, eliche e propulsori negli azionamenti di potenza Alberi, scambiatori di calore, refrigeratori, scafo protezioni sonar e altro ancora.
La prima applicazione del titanio sullo scafo di una nave fu il sottomarino di classe alfa dell'ex Unione Sovietica. Successivamente, il titanio è stato utilizzato nella ricerca in acque profonde artificiali o senza equipaggio e nei sottomarini di assistenza in acque profonde. Il titanio puro industriale viene utilizzato per le parti strutturali generali e la lega Ti-6Al-4V viene utilizzata per i recipienti a pressione. Secondo i rapporti, l'uso del titanio nella struttura dello scafo non solo può ridurre il peso dello scafo stesso, aumentare il peso del carico effettivo, ma anche ridurre la manutenzione e prolungare la vita utile della nave. Leghe di alluminio, acciaio dolce e altri materiali strutturali dello scafo richiedono generalmente una manutenzione entro 10 anni, mentre i materiali in titanio difficilmente richiedono manutenzione e riparazioni e la loro durata può essere estesa dai normali 20 anni a 30 a 40 anni.
La ricerca del Giappone sulle leghe di titanio per le navi da ricognizione in acque profonde è stata fruttuosa. Quasi tutte le camere a pressione "Deep-Sea 6500" che possono ospitare 3 operatori utilizzano leghe di titanio. Questo è il risultato degli sforzi a lungo termine del cantiere navale Mitsubishi Heavy Industries di Kobe. I sottomarini utilizzano una grande quantità di titanio. Ad esempio, un sottomarino nucleare con una profondità di immersione di 900 m utilizza fino a 3500 tonnellate di titanio.
2.6 Pesca marittima
Secondo i rapporti, l'industria della pesca giapponese è passata dalla pesca all'allevamento ittico e sono stati allevati artificialmente pesci leone, passere di mare, anguille, ecc. Nella tecnologia di allevamento artificiale, sono ampiamente utilizzate la rete metallica in titanio e lo scambiatore di calore a tubo di titanio per mantenere una certa temperatura dell'acqua di mare. La coltura artificiale della cernia è stata realizzata nelle aree costiere del Fujian nel mio paese, e il cesto di coltura del tipo a piastra in titanio utilizzato ha portato ottimi benefici alla coltura della cernia.
2.7 Conversione dell'energia termica oceanica
C'è un'enorme energia nell'oceano, come l'energia delle maree, l'energia delle onde, l'energia della differenza di temperatura, l'energia della corrente oceanica e l'energia della differenza di sale e così via. Con la crescente carenza di energia nel mondo, le persone saranno più interessate allo sviluppo e all'utilizzo dell'energia oceanica. Sono stati studiati e sviluppati progetti di generazione di energia termoelettrica e di marea. Il principio della generazione di energia termoelettrica consiste nell'utilizzare l'acqua di mare ad alta temperatura sulla superficie dell'oceano per vaporizzare l'ammoniaca o il freon per far ruotare la turbina e generare elettricità, quindi utilizzare l'acqua di mare a bassa temperatura nell'oceano profondo per raffreddare l'ammoniaca vaporizzata o freon per formare un sistema di motore termico a ciclo continuo.
Le apparecchiature principali per la produzione di energia termoelettrica sono evaporatori, condensatori, tubi di aspirazione dell'acqua di mare, circuiti, ecc., che richiedono non solo resistenza alla corrosione, ma anche resistenza alla corrosione dell'ammoniaca e del fluoro. Il titanio e le sue leghe non solo hanno una buona resistenza alla corrosione dell'acqua di mare, ma sono anche resistenti alla corrosione dell'ammoniaca e del fluoro, quindi il titanio è il materiale più ideale.
Gli evaporatori ei condensatori a tubi di titanio sono utilizzati nelle centrali termoelettriche negli Stati Uniti e in Giappone e sono stati raggiunti buoni risultati.
(iii) Prospettive
In quanto mercato civile emergente del titanio, l'ingegneria navale si è sviluppata rapidamente negli ultimi anni. Con l'ulteriore aggravamento della crisi energetica mondiale, tutti i paesi del mondo investiranno molta manodopera e risorse materiali per sfruttare le risorse petrolifere dei fondali marini e altre risorse minerarie; nella tendenza alla carenza globale di acqua dolce, tutti i paesi costieri utilizzeranno l'acqua di mare per produrre acqua dolce; La concorrenza sempre più agguerrita dell'equipaggiamento navale di varie potenze militari è inseparabile dal titanio e dai materiali in lega di titanio. Pertanto, l'applicazione del titanio e delle sue leghe nell'ingegneria navale diventerà sempre più ampia. Si prevede che il titanio per l'ingegneria navale dovrebbe diventare un mercato applicativo più ampio per i materiali in titanio.
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