วัสดุใหม่ทางทะเล: โลหะทางทะเล - โลหะผสม Titanium

วัสดุที่ใช้ในวิศวกรรมทางทะเลจะต้องมีความแข็งแรงสูงความต้านทานต่อการกัดกร่อนของน้ำทะเลน้ำทะเลการกัดกร่อนซัลไฟด์การยึดติดของจุลินทรีย์และแสดงความทนทานสูง ไทเทเนียมมีน้ำหนักเบาแข็งแรงและทนต่อการกัดกร่อนโดยเฉพาะอย่างยิ่งภูมิคุ้มกันต่อผลการกัดกร่อนของน้ำเค็มน้ำทะเลและสภาพแวดล้อมในบรรยากาศทางทะเล-เป็นวัสดุโครงสร้างที่มีน้ำหนักเบาที่ยอดเยี่ยม เป็นที่รู้จักในนาม "โลหะทางทะเล" ไทเทเนียมเป็นวัสดุเชิงกลยุทธ์ที่สำคัญ มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในวิศวกรรมทางทะเลและเหมาะอย่างยิ่งสำหรับอุปกรณ์นอกชายฝั่งที่มีน้ำหนักเบาทำให้เป็นหนึ่งในวัสดุใหม่ที่สำคัญในสนาม ดังนั้นการใช้ประโยชน์อย่างเต็มที่จากไทเทเนียมและโลหะผสมไทเทเนียมเนื่องจากวัสดุทางทะเลจะมีส่วนช่วยในการพัฒนากลยุทธ์ทางทะเลแห่งชาติอย่างมีนัยสำคัญ

การประยุกต์ใช้โลหะผสมไทเทเนียมในวิศวกรรมทะเล

1. แอปพลิเคชันในเรือกองทัพเรือ

การประยุกต์ใช้โลหะผสมไทเทเนียมในการต่อเรือเริ่มขึ้นในปี 1960 ประมาณหนึ่งทศวรรษต่อมาในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ สหรัฐอเมริการัสเซียญี่ปุ่นและจีนเป็นหนึ่งในประเทศแรกที่วิจัยการใช้งานไทเทเนียมในเรือทหารเรือ

A. วัสดุโครงสร้างฮัลล์
ไทเทเนียมฮัลล์เมื่อเทียบกับวัสดุแบบดั้งเดิมเช่นพลาสติกเสริมเส้นใยโลหะผสมอลูมิเนียมและเหล็กกล้ามีน้ำหนักเบากว่าช่วยเพิ่มความสามารถในการรับน้ำหนักมีชีวิตการบริการที่ยาวนานขึ้นต้องมีการบำรุงรักษาน้อยที่สุดและทนต่อเชื้อเพลิงชีวภาพทางทะเล ตัวอย่างเช่นเรือประมงไทเทเนียมที่สร้างขึ้นโดย Nippon Steel, Toho Technology และ ETO Shipbuilding คุณสมบัติตัวถังดาดฟ้าและส่วนประกอบโครงสร้างที่ทำจากไทเทเนียมทั้งหมด เรือเร็ว "Titan Fast" ที่สร้างโดย Nissei Industry มีความยาวประมาณ 12 เมตรด้วยตัวถังที่มีความคล่องตัวซึ่งช่วยลดการลาก

B. ปั๊มวาล์วท่อและส่วนประกอบอื่น ๆ
บนเรือของกองทัพเรือปั๊มวาล์วและท่อมักจะทำงานภายใต้สภาวะที่รุนแรง ท่อทองแดงหรือสแตนเลสแบบดั้งเดิมใช้เวลาเพียง 2-5 ปี ไทเทเนียมเสนอการกัดกร่อนที่เหนือกว่าและความต้านทานการกัดเซาะความแข็งแรงของผลผลิตที่ดีและความหนาแน่นต่ำทำให้เหมาะสำหรับท่อและเส้นผ่าศูนย์กลางขนาดเล็กและเส้นผ่าศูนย์กลาง ระบบท่อไทเทเนียมลดน้ำหนักอย่างมีนัยสำคัญยืดอายุการใช้งานและเพิ่มความน่าเชื่อถือ ตัวอย่างเช่นหลอดคอนเดนเซอร์ไทเทเนียมมีน้ำหนักประมาณครึ่งหนึ่งถึงท่อทองแดง B30 การใช้งานทางทหารได้แสดงให้เห็นว่าระบบท่ออัลลอยไทเทเนียมมีความแข็งแรงเชิงกลและความต้านทานการกัดกร่อนที่ยอดเยี่ยมโดยมีอายุการใช้งานเกิน 120, 000 ชั่วโมง (มากกว่า 40 ปี), ส่วนประกอบทองแดงหรือสแตนเลสสตีล

C. ระบบขับเคลื่อนพลังงาน
การใช้โลหะผสมไทเทเนียมสำหรับใบพัดและเพลาช่วยเพิ่มความเร็วในการขับเคลื่อนและอายุการใช้งาน กองทัพเรือสหรัฐฯมีใบพัดไทเทเนียมบนเรือต่าง ๆ รวมถึง 1,500 มม. เส้นผ่านศูนย์กลางที่ถอดออกได้แบบ supercavitating สี่ใบมีดสำหรับไฮโดรฟอยล์ อัลลอยไทเทเนียมยังใช้ในระบบขับเคลื่อนด้วยน้ำเช่น Ti -6 al -4 v ระบบใน "Pt -10" เรือตอร์ปิโดซึ่งลดน้ำหนักของเพลาลง 600 กิโลกรัม Icebreakers ที่ใช้พลังงานนิวเคลียร์ของรัสเซียยังมีเครื่องยนต์ไอน้ำไทเทเนียม ระบบขับเคลื่อนไทเทเนียมลดกระแสที่เหนี่ยวนำและหลีกเลี่ยงการกระตุ้นเหมืองแม่เหล็กซึ่งเป็นปัญหาของโลหะผสมทองแดง

จีนเริ่มวิจัยใบพัดในปี 1960 และในปี 1972 ได้พัฒนาใบพัดโลหะผสมไทเทเนียมสำหรับเรือไฮโดรฟอยล์ วันนี้จีนสามารถผลิตใบพัดไทเทเนียมคงที่คงที่สูงถึง 1,200 มม. และมีน้ำหนัก 130 กิโลกรัม บนเรือตอร์ปิโดประเภท 25 อัลลอยไทเทเนียมแทนที่ AK -27 โลหะผสมเหล็กและทองแดงลดน้ำหนัก 30-40%ยืดอายุการใช้งานช่วยลดความจำเป็นในการเคลือบ

โดมโซนาร์
Sonar Fairings มีความคล่องตัวครอบคลุมซึ่งลดเสียงรบกวนจากอุทกพลศาสตร์และปกป้องอุปกรณ์โซนาร์ สิ่งเหล่านี้จะต้องแสดงความโปร่งใสทางอะคูสติกที่ยอดเยี่ยม ปัจจุบันเรือของกองทัพเรือจีนใช้สแตนเลสสตีลหรือโดมพลาสติกเสริมด้วยไฟเบอร์กลาส ในขณะที่รัสเซียเคยใช้ไฟเบอร์กลาสตอนนี้ส่วนใหญ่ใช้โดมอัลลอยไทเทเนียม สิ่งเหล่านี้ใช้กับเรือเช่นรัสเซีย "Kursk," "Minsk" และเรือบรรทุกเครื่องบิน "Kiev"

2. submersibles ทะเลลึก

ในฐานะส่วนหนึ่งของโปรแกรม "{0}} ของจีน" สถาบันการต่อเรือของจีน 702 สถาบันพัฒนา 702 ได้พัฒนา 7, 000- submersible มิเตอร์ที่ทำด้วยโลหะผสมไทเทเนียมพิเศษ วัดความยาว 8 เมตรสูง 3.4 เมตรและกว้าง 3 เมตรสามารถทนต่อแรงดัน 710 ตันและรวมเทคโนโลยีที่ทันสมัยเข้าด้วยกัน ห้องโดยสารทรงกลมที่มีการจัดการสามารถทนต่อความดัน 700 บรรยากาศรองรับระบบช่วยชีวิตที่เทียบเคียงได้กับที่ใช้ในภารกิจอวกาศ

3. คอนเดนเซอร์

จากข้อมูลของยูเนสโกกำลังการผลิตพลังงานมหาสมุทรทั่วโลกสูงถึง 76.6 พันล้านกิโลวัตต์ ในโรงไฟฟ้าชายฝั่งและนิวเคลียร์คอนเดนเซอร์เป็นส่วนประกอบสำคัญโดยใช้น้ำทะเลเป็นสารหล่อเย็น คอนเดนเซอร์เหล็กและโลหะผสมทองแดงแบบดั้งเดิมประสบกับความต้านทานการกัดกร่อนของน้ำทะเลที่ไม่ดี ความทนทานและความต้านทานการกัดกร่อนของไทเทเนียมทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานเหล่านี้ ประมาณ 3-4% ของโรงไฟฟ้าพลังงานความร้อนและพลังน้ำของโลกใช้คอนเดนเซอร์ไทเทเนียมและโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ 30% ในประเทศจีนพืชเช่น Taizhou, Zhenhai, Qinshan และ Daya Bay ใช้คอนเดนเซอร์ All-Titanium เนื่องจากความต้านทานการกัดกร่อนที่ยอดเยี่ยมอายุการใช้งานที่ยาวนานประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนสูงความปลอดภัยและความต้องการการบำรุงรักษาที่ลดลง

4. เรือดำน้ำนิวเคลียร์

รัสเซียเป็นผู้นำในเทคโนโลยีเรือดำน้ำนิวเคลียร์ไทเทเนียมโลหะผสม มันเป็นคนแรกที่ใช้โลหะผสมไทเทเนียมสำหรับฮัลล์แรงดันเริ่มต้นในปี 1960 เรือดำน้ำนิวเคลียร์นิวเคลียร์ All-Titanium ตัวแรกของโลก K -162 เปิดตัวในปี 1968 ได้ดำเนินการมานานกว่า 30 ปีโดยไม่มีเหตุการณ์เกิดขึ้น เรือดำน้ำ Alfa-Class ที่สร้างขึ้นในปี 1970-1980s ใช้ประมาณ 3, 000 ตันของไทเทเนียมแต่ละครั้งและสามารถดำน้ำได้ถึง 914 เมตร เรือดำน้ำระดับพายุไต้ฝุ่นของรัสเซียมีฮัลล์คู่ที่ทำจากประมาณ 9, 000 ตันของไทเทเนียมนำเสนอคุณสมบัติที่ไม่ใช่แม่เหล็กความสามารถในการดำน้ำลึกความเร็วสูงเสียงรบกวนต่ำและการบำรุงรักษาลดลง

สถาบันวิจัยภาคตะวันตกเฉียงใต้ (SWRI) ในสหรัฐอเมริกาได้พัฒนาเรือใต้น้ำลึกทะเลที่เต็มไปด้วย Eliti -64 โลหะผสมไทเทเนียม 2. 1- ห้องโดยสารทรงกลมเส้นผ่านศูนย์กลางเมตรรองรับได้สามคนและสามารถดำน้ำลึกถึง 6,500 เมตร

5. สถานีทะเลลึก

สถานีอวกาศมือถือทะเลลึกมักเรียกว่า "เทียนกง" ของมหาสมุทรใช้สำหรับการสำรวจทางวิทยาศาสตร์ทางทะเล ตั้งแต่ทศวรรษที่ 1960 สหภาพสหรัฐอเมริกาและโซเวียตมีระบบสถานีทะเลลึกขั้นสูง การออกแบบ 2 000 ของรัสเซียการออกแบบการสกัดน้ำมันมหาสมุทรอาร์กติก จีนเสนอแนวคิดในปี 1990 สำหรับการพัฒนาทรัพยากรทางทะเลอย่างสันติ สถานีเหล่านี้พึ่งพาวัสดุโลหะผสมไทเทเนียมเป็นอย่างมาก "แผนการห้าปีที่ 13" และ "โครงการนวัตกรรมวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีที่สำคัญปี 2030" เน้นการก่อสร้างสถานีทะเลลึกประมาณ 4,000 ตันของวัสดุไทเทเนียมต่อสถานีหลัก

6. การกลั่นน้ำทะเลน้ำทะเล

การกลั่นน้ำทะเลเป็นสิ่งสำคัญในพื้นที่แห้งแล้งเช่นตะวันออกกลาง วิธีการที่เชื่อถือได้และใช้กันอย่างแพร่หลายคือการกลั่นแบบหลายขั้นตอน (MSF) ซึ่งรวมถึงส่วนประกอบต่าง ๆ เช่นเครื่องทำความร้อนน้ำทะเลหน่วยกู้คืนความร้อนและคอนเดนเซอร์ต่างๆ แต่เดิมทำด้วยโลหะผสมทองแดงส่วนประกอบเหล่านี้มักจะทำด้วยไทเทเนียมเนื่องจากความต้านทานการกัดกร่อนโดยเฉพาะอย่างยิ่งในสภาพแวดล้อมที่อุณหภูมิสูงความเค็มสูงและคลอรีน ตอนนี้ไทเทเนียมเป็นวัสดุที่ต้องการสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนในระบบกลั่นน้ำทะเล

ด้วยการเติบโตอย่างรวดเร็วในอุตสาหกรรมปิโตรเคมีและพลังงานชายฝั่งทะเลน้ำทะเลกำลังแทนที่น้ำจืดเป็นสื่อความเย็นมากขึ้นเรื่อย ๆ เนื่องจากการกัดกร่อนของน้ำทะเลเหล็กกล้าคาร์บอนแบบดั้งเดิมหรือท่อสแตนเลสสตีลลดลงอย่างรวดเร็วทำให้อุปกรณ์ล้มเหลวการปิดเครื่องบ่อยครั้งและการสูญเสียทางเศรษฐกิจ การอัพเกรดเป็นท่อไทเทเนียมทำให้อายุการใช้งานเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนมีนัยสำคัญและปรับปรุงประสิทธิภาพ

7. แพลตฟอร์มการขุดเจาะนอกชายฝั่ง

โลหะผสมไทเทเนียมเหมาะสำหรับระบบขุดเจาะทะเลเนื่องจากความแข็งแรงสูงความหนาแน่นต่ำความต้านทานการกัดกร่อนที่ยอดเยี่ยมและความเหนียว ส่วนประกอบต่าง ๆ เช่น risers, ท่อเจาะและข้อต่อความเครียดได้รับประโยชน์จากคอมโพสิตไทเทเนียมหรือไทเทเนียมเหล็กปรับปรุงประสิทธิภาพและลดต้นทุน

(1) การขุดเจาะทางทะเล
Titanium Risers มีน้ำหนักเบาทนต่อความเสียหายและตรวจสอบได้ง่าย การใช้งานครั้งแรกอย่างกว้างขวางในทะเลเหนือแอปพลิเคชันที่ใช้งานได้จริงส่วนใหญ่ใช้สแตนเลส\/ไทเทเนียมหรือคอมโพสิต\/ไทเทเนียมไฮบริดเนื่องจากการพิจารณาค่าใช้จ่าย

(2) ท่อเจาะ
ในการขุดเจาะระยะสั้น (ต่ำกว่า 18 เมตร) ท่อเจาะสแตนเลสแบบดั้งเดิมประสบความเหนื่อยล้าในช่วงต้น RTI ในสหรัฐอเมริกาพัฒนาท่อเจาะไทเทเนียมรวมไทเทเนียมเกรด 5 กับข้อต่อเหล็ก CR-MO ลดการติดและการสึกหรอในขณะที่รักษาความทนทาน ในปี 1999 มีการเจาะบ่อน้ำสั้น 10 หลุมโดยใช้ท่อไทเทเนียมขนาด 73 มม. ต่อมาท่อเล็กถึง 63.5 มม. เจาะหลุมที่แน่นกว่า ธรรมชาติที่ไม่ใช่แม่เหล็กของไทเทเนียมยังเป็นประโยชน์ต่อการสำรวจ ไทเทเนียมขยายความลึกของการเจาะในแนวตั้งถึง 9.1 กม. (เทียบกับ 6.1 กม. สำหรับเหล็ก) และในแนวนอนถึง 9.1 กม. ท่อขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางขนาดใหญ่ลดแรงยกและแรงบิด 30-40% และเอาชนะข้อ จำกัด การส่งผ่านไฮดรอลิก