海工用管系材料的現(xiàn)狀和趨勢

周環(huán)球

摘 要：近幾年，海洋工程中，銅合金和鈦合金是管系材料中應(yīng)用最多的材料。雙相不銹鋼也開始在海洋工程中應(yīng)用起來，屬于剛剛起步階段船舶動力裝置中熱交換器、海水淡化器、冷凝器、冷卻器等制造這些設(shè)備時，大程度的使用鈦合金。銅合金在海洋工程的熱交換用管和管道裝置用管廣泛使用。雙相不銹鋼材料具有較強(qiáng)的抗海水腐蝕性能，已經(jīng)開始應(yīng)用到了海洋工程中來。

關(guān)鍵詞：海洋工程；關(guān)系材料；現(xiàn)狀；趨勢

一、艦船用管系材料發(fā)展現(xiàn)狀及特點(diǎn)

1.1銅合金

銅及銅合金具有良好的耐腐蝕性、高的換熱系數(shù)和優(yōu)良的機(jī)械性能、焊接性能、抑制海洋微生物附著等特性，被廣泛應(yīng)用于海洋工程的熱交換用管和管系管道裝置用管。根據(jù)水流速度的不同，民用船舶長期運(yùn)行的取水系統(tǒng)，一般使用M3C銅管、MHЖ5-1銅合金管（相當(dāng)于我國BFe5-1-1白銅管），而閥門、泵、熱交換器則使用銅合金。在船舶運(yùn)行條件下，銅合金管道和設(shè)備不能保證所需的統(tǒng)一壽命，在船體 25年服役期限內(nèi)只有105h（約 11.5年）的使用壽命。尤其是銅合金管道，經(jīng)過6～8年使用，就會因?yàn)榭顾鳑_刷腐蝕性能差而出現(xiàn)大面積損壞現(xiàn)象；特別是在分流系統(tǒng)的工作條件下，這些部位以及三通、彎頭等所謂的“薄弱”部位中的實(shí)際水流速度大大超過計(jì)算流速，這種情況迫使人們加厚管道的管壁、擴(kuò)大管道的直徑，從而增大了金屬用量及系統(tǒng)造價(jià)。

傳統(tǒng)的銅管生產(chǎn)工藝因諸多弊端而難以適應(yīng)現(xiàn)代市場對銅管的需求，一些新技術(shù)的應(yīng)用為銅管生產(chǎn)注入了新的活力。連續(xù)擠壓技術(shù)以其材料利用率高、成品率高、生產(chǎn)率高、投資少等一系列高效、節(jié)能優(yōu)點(diǎn)而成為銅管生產(chǎn)的理想工藝，并將給銅材加工行業(yè)帶來一場技術(shù)革命。使用游動芯頭拉伸定位，通過外表面帶有螺旋溝槽的芯頭與行星式圓球滾動旋軋生產(chǎn)內(nèi)螺旋線管的方法，可以快速、連續(xù)地加工出薄壁內(nèi)螺旋線管。水平連鑄和行星軋制技術(shù)是一種短流程的高效生產(chǎn)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)Bl0和B30銅管的水平連鑄、行星軋制和直接拉拔。計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)、專家數(shù)據(jù)庫及優(yōu)化技術(shù)和生產(chǎn)質(zhì)量信息管理技術(shù)也在銅管鑄軋工藝設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中得到了應(yīng)用，進(jìn)行了銅及銅合金管坯水平電磁連續(xù)鑄造技術(shù)研究。自蔓延高溫合成技術(shù)與離心鑄造技術(shù)結(jié)合開發(fā)出的陶瓷內(nèi)襯復(fù)合銅管技術(shù)，可在銅管內(nèi)表面涂敷耐磨性和耐蝕性優(yōu)良的陶瓷涂層。

1.2鈦合金

與銅鎳合金相比，金屬鈦具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度大、比強(qiáng)度高等許多優(yōu)良特性。鈦冷凝管與B30冷凝管相比，密度降低近 1/2，因此采用鈦材可使冷凝器的質(zhì)量大幅度減小。船舶制造業(yè)將鈦合金用于海中取水系統(tǒng)特別有效。軍艦使用BT1-0、ПT-7M、3M、ПT-3B等鈦合金管道和設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)表明，鈦合金材料無論是在機(jī)械強(qiáng)度方面，還是在耐海水腐蝕方面都有很高的可靠性。鈦合金產(chǎn)品研究與使用經(jīng)驗(yàn)證明，鈦合金管道、閥門、泵、熱交換器等產(chǎn)品的腐蝕壽命不小于1.2×105h，服役期限不少于 40年。因此，當(dāng)全部使用鈦材制造艦船取水系統(tǒng)時，可顯著延長系統(tǒng)壽命并提高使用可靠性。日本神鋼公司197年在一臺五萬機(jī)組的冷凝器上用焊接鈦管進(jìn)行工業(yè)性試用后，焊接鈦管代替無縫鈦管在冷凝器上普遍推廣使用。新日鐵公司 1983年開始供應(yīng)民用鈦材，包括冷凝器焊接鈦管鈦板。我國1984年也開始供應(yīng)無縫鈦冷凝器管，裝機(jī)使用多年性能良好，1986年開始供應(yīng)焊接鈦管，但價(jià)格都要比國外供應(yīng)的高。

鈦管成形加工技術(shù)包括一次壓扁成形工藝、脹管、密封焊接、鈦合金無縫T型管件液壓脹形。液壓脹形技術(shù)是制造T型管件較為先進(jìn)的生產(chǎn)方法，其最大的優(yōu)點(diǎn)是可成形其它工藝無法成形的薄壁T型管件 ；同時，采用液壓脹形法由等直徑、等壁厚的無縫管材成形同規(guī)格的T型管件，與以往采用熱拔或插焊工藝生產(chǎn)的同類產(chǎn)品相比，不僅材料利用率高、表面質(zhì)量優(yōu)良、成品率高，而且主管向支管分流處變?yōu)榛⌒喂饣^渡，避免了管路因局部腐蝕而過早失效現(xiàn)象。另外，旋壓技術(shù)是一項(xiàng)非常有前途的無余量和近無余量精密特種制備技術(shù)，采用旋壓技術(shù)制造鈦及其合金結(jié)構(gòu)件是降低鈦合金使用成本的有效途徑之一。

二、艦船用管系材料的未來發(fā)展趨勢

2.1銅合金

世界海洋工程大型化、高度自給自救和造船業(yè)的大噸位、核動力化發(fā)展，對其相關(guān)配套材料提出了更高要求。高耐蝕、高效換熱、大口徑、高精度，體現(xiàn)了當(dāng)今海洋工程用銅合金管發(fā)展的主要趨勢。海洋工程和大噸位艦船的建設(shè)，要求配套更高精度和更大口徑的耐蝕管道裝置用管，以提高一次傳輸量和排水量，同時還要以高的尺寸精度保證管道裝配的高密封性。據(jù)了解，目前德國、韓國等國家的大口徑船及采油平臺等用無縫白銅排水管的最大直徑已達(dá)到520mm以上。

大約有近 20種銅及銅合金在艦船上得到應(yīng)用，且用量有逐漸增加的趨勢。在一般軍用和商用船上，銅及銅合金的用量可占到艦船自重的2%～3%。其中，銅合金類冷凝管在目前中國造船工業(yè)中的用量最大，每年約為6萬t。但是，海水用管材有高合金不銹鋼、銅鎳合金、鎳-鉻-鉬合金、鈦合金，其中，六鉬高合金不銹鋼和銅鎳合金是最激烈的競爭者。六鉬高合金不銹鋼強(qiáng)度高，在高速海水、污染海水（特別是硫化物）中的耐海水腐蝕性能都很好，價(jià)格比鎳-鉻-鉬合金和鈦合金便宜，與銅鎳合金相當(dāng)，是最引人注目的鋼種。因此，近幾年來隨著冶金技術(shù)的提高，造船工業(yè)采用的銅合金管正在被不銹鋼管替代。

2.2 鈦合金

船舶管路材料在向多元化發(fā)展，雙相金屬材料、復(fù)合材料、合金材料等都不斷地得到使用。鈦合金機(jī)械性能高、耐腐蝕性好，所能帶來的直接好處就是可以減小管道壁厚的腐蝕設(shè)計(jì)余量，在水流量保持不變的情況下可通過增大水流速度來縮小管道直徑。當(dāng)全部使用鈦材制造艦船取水系統(tǒng)時，可顯著延長系統(tǒng)壽命并提高使用可靠性。但是，為了達(dá)到這一目的，還需要制作鈦及鈦合金的各種設(shè)備、零部件和元器件，設(shè)計(jì)并制造適合船舶使用的、具有更高使用性能指標(biāo)的其他鈦設(shè)備（包括鈦泵、鈦閥），解決鈦合金設(shè)備與其他材質(zhì)設(shè)備一起使用時出現(xiàn)的接觸腐蝕問題。

因海水腐蝕，美國海軍每年需要更換艦船上熱交換器用的銅鎳合金管約 97km。若用鈦合金制造該管，不僅可延長使用壽命，還可以大量節(jié)省維修和維護(hù)費(fèi)用。實(shí)踐也證明，鈦合金管系材料是一種經(jīng)過長期海洋考驗(yàn)的理想船用材料，是潛艇一回路、二回路系統(tǒng)及聲納導(dǎo)流罩等設(shè)備的理想用材。鈦合金在艦船上應(yīng)用具有明顯的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，值得進(jìn)一步應(yīng)用推廣，以利于我國海軍裝備建設(shè)事業(yè)的發(fā)展。

三、結(jié)束語

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，材料科學(xué)技術(shù)也在不斷進(jìn)步，尤其是在前沿領(lǐng)域的材料科學(xué)技術(shù)有了驚人的發(fā)展。近些年來，我國材料技術(shù)由以往的經(jīng)驗(yàn)性科學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)性科學(xué)。對此，我們應(yīng)該牢牢把握機(jī)會，對材料科學(xué)技術(shù)的新成果進(jìn)行利用，為我國材料行業(yè)的發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張雅楠.海洋工程材料腐蝕監(jiān)測與防護(hù)技術(shù)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（29）