海水談化
海水淡化已成為中東等水資源缺乏地區(qū)獲取淡水的主要方式。在海水淡化生產(chǎn)方法中,可靠性最高、應(yīng)用最多的是多級閃蒸法,該方法的設(shè)備主要由海水加熱、熱回收部冷凝器、熱輸出部冷凝器、通風凝結(jié)器和噴射壓氣機等部分構(gòu)成,熱交換部位使用了大量的傳熱管,原用銅合金管,由于銅合金不耐腐蝕,目前已被鈦管所代替。
海水淡化裝置中的蒸發(fā)器接觸高溫海水,蒸發(fā)后鹽度增加。鈦合金耐高溫離子腐蝕,可廣泛用于海水淡化裝置的蒸發(fā)器,同時,鈦對氯具有很強的抗腐蝕性,是海水淡化設(shè)備換熱器的首選材料。隨著沿海地區(qū)石油化工、電力等行業(yè)的迅速發(fā)展,用海水取代日益緊張的淡水作為工業(yè)冷卻介質(zhì),可以節(jié)約大量的淡水資源,獲得顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。但是由于海水腐蝕性強,當管束采用普通碳鋼或不銹鋼時,海水作為冷卻介質(zhì)會對管束產(chǎn)生嚴重腐蝕,顯著降低熱交換器的使用壽命,不僅增加了設(shè)備的更換次數(shù),也會由于設(shè)備失效引起裝置停工過于頻繁,從而使經(jīng)濟效益降低。一般情況下,為解決這一問題,需要對管子進行材料升級,升級材料常用鈦管。
在鈦材料選擇方面,應(yīng)用最廣泛的是工業(yè)純鈦ASTM Grade2,事實表明Grade1和Grade2等工業(yè)純鈦在天然水、海水和各種氯化物中具有特殊的抗應(yīng)力腐蝕裂紋影響的能力;而溫度比較高的海水加熱器使用有較高抗腐蝕性的Grade7或者Grade12;Grade16(Ti-0.5%Pd) 具有更高的抗腐蝕能力,但是成本比較貴。另外,在海水流速為3m~5m/s的鈦制海水淡化設(shè)備中,生物污堵現(xiàn)象是最輕微的,鈦換熱器的污堵系數(shù)約為0.95~0.99。
選用工業(yè)純鈦TA1無縫管做閃蒸器的冷凝管和鹽水加熱器的熱交換管,管板選用了TA1+16MnR+316L雙面鈦復(fù)合鋼板,這是因為鈦質(zhì)輕、耐蝕、具有高強度,是良好的抗海水腐蝕材料,使用它的可靠性高;其次,使用鈦復(fù)合鋼板可以減少鈦的使用量,且能滿足使用要求,降低裝置造價。
我國西北有色金屬研究院、北京有色金屬研究總院等單位也先后開發(fā)出了一系列海洋工程用耐蝕鈦合金,如Ti75、Ti31和Ti631。
海上鉆井平臺
鈦合金具有高強度、低密度、優(yōu)良的耐蝕性和良好的韌性,因而使其成為海洋鉆探系統(tǒng)用設(shè)備如立管、鉆管及錐形應(yīng)力接頭等的最好選擇。在更多情況下,鈦和鋼的復(fù)合應(yīng)用對海上鉆探系統(tǒng)成本的降低和效益的提高具有很大的貢獻。
在過去幾年中,鈦合金構(gòu)件在海上石油鉆探系統(tǒng)上的應(yīng)用顯著增加。鈦合金使得鉆井設(shè)備可以進入更深的水里和井里,包括溫度更高和更具腐蝕性的環(huán)境中。以Ti-6Al-4V為基的鈦合金,具有物理、機械和腐蝕等最佳的綜合性能,對于海上鉆探構(gòu)件而言具有更大的吸引力。
Ti-6Al-4V基合金在海上鉆探系統(tǒng)應(yīng)用的主要有以下幾種構(gòu)件。
海上鉆井立管 鉆井立管使用鈦合金,除了減重外,還具有較好的損傷容限、易于用傳統(tǒng)技術(shù)進行檢查等優(yōu)點。首次在海上大量使用鈦合金鉆井立管的是北海油田。雖然鈦在立管上的使用取得很大成功,但全鈦立管的市場卻非常有限。由于經(jīng)濟原因,實際上多使用的將會是不銹鋼/鈦或復(fù)合材料/鈦的立管。
鉆管 在短距離鉆井中(曲率半徑18m以內(nèi)),傳統(tǒng)的不銹鋼管過早地出現(xiàn)轉(zhuǎn)動疲勞和物理磨損,因而美國RTI鈦金屬公司開發(fā)了由Grade5合金與標準Cr-Mo鋼接頭連接而成的鉆管。這樣設(shè)計避免了工具卡死和磨損并保證了其韌性和疲勞壽命。1999年,美國已用外徑為73 mm的鈦合金管成功地鉆成了10口曲率半徑18m的油井。近來,又用外徑為63.5 mm的鈦合金鉆管鉆成了曲率半徑為12m~15m的油井。另外,鈦合金的無磁性也是吸引人之處,使得油井勘探不受磁性的影響。在長距離鉆井中,采用鋼管,其鉆井深度在垂直方向只到6.1km,水平方向為7.1km~9.1 km,而采用鈦管材后,其垂直方向可達9.1km。大直徑鈦管的使用,使得鉆具吊起所需的力減少了約30%,扭矩減少了30%~40%,并克服了液壓傳動裝置的限制。
鈦錐形應(yīng)力接頭 金屬錐形應(yīng)力接頭相對于橡膠/銅等柔性接頭而言,設(shè)計緊湊,易于檢查,氣密性好,可在高溫下使用等,鈦的錐形應(yīng)力接頭,其長度只有鋼的1/3,成本與鋼的相差無幾,甚至更低。RTI已設(shè)計和制造了Grade23和Grade29合金應(yīng)力接頭,并安裝在墨西哥灣和北海的鉆井平臺上,由于相對較低的成本和成功應(yīng)用實例,鈦制應(yīng)力接頭市場呈現(xiàn)出持續(xù)增長的勢頭。
鈦以及鈦合金有著非常多的優(yōu)勢,但是對于在船舶及海洋工程裝備上的應(yīng)用而言,還屬于一種新型的材料。為了促進鈦以及鈦合金未來能夠?qū)崿F(xiàn)進一步發(fā)展,2016年海洋工程用鈦納入國家新材料發(fā)展重點專項,建立了海洋工程用鈦合金材料及技術(shù)研究、應(yīng)用研究及評價平臺,可大力推動海洋工程用鈦材料的跨越式發(fā)展,提升我國海工裝備的技術(shù)水平升級和發(fā)展;從國家層面上推動海洋工程特別是艦船用鈦設(shè)備的設(shè)計準則、技術(shù)體系、應(yīng)用技術(shù)標準、規(guī)范;大力開發(fā)鈦合金低成本化生產(chǎn)技術(shù),優(yōu)化和完善我國船用鈦合金體系,建立船用鈦合金性能數(shù)據(jù)庫,為海洋工程用鈦及鈦合金的選材提供豐富的數(shù)據(jù)支持。