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(lái)，屬于剛剛起步階段船舶動(dòng)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(shí)，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(lái)。

關(guān)鍵詞：海洋工程；關(guān)系材料；現(xiàn)狀；趨勢(shì)

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(zhǎng)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(guó)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(guò)6～8年使用，就會(huì)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(guò)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(chǎng)對(duì)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(lái)一場(chǎng)技術(shù)革命。使用游動(dòng)芯頭拉伸定位，通過(guò)外表面帶有螺旋溝槽的芯頭與行星式圓球滾動(dòng)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(kù)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(wú)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(shí)，可顯著延長(zhǎng)系統(tǒng)壽命并提高使用可靠性。日本神鋼公司197年在一臺(tái)五萬(wàn)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(wú)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(guó)1984年也開始供應(yīng)無(wú)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(guó)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(wú)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(wú)法成形的薄壁T型管件 ；同時(shí)，采用液壓脹形法由等直徑、等壁厚的無(wú)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?jī)?yōu)良、成品率高，而且主管向支管分流處變?yōu)榛⌒喂饣^(guò)渡，避免了管路因局部腐蝕而過(guò)早失效現(xiàn)象。另外，旋壓技術(shù)是一項(xiàng)非常有前途的無(wú)余量和近無(wú)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(lái)發(fā)展趨勢(shì)

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(dòng)力化發(fā)展，對(duì)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(shì)。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(shí)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(guó)、韓國(guó)等國(guó)家的大口徑船及采油平臺(tái)等用無(wú)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(shì)。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(guó)造船工業(yè)中的用量最大，每年約為6萬(wàn)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(jìng)爭(zhēng)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(lái)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(lái)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(guò)增大水流速度來(lái)縮小管道直徑。當(dāng)全部使用鈦材制造艦船取水系統(tǒng)時(shí)，可顯著延長(zhǎng)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(shí)出現(xiàn)的接觸腐蝕問(wèn)題。

因海水腐蝕，美國(guó)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(zhǎng)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(guò)長(zhǎng)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(huì)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(guó)海軍裝備建設(shè)事業(yè)的發(fā)展。

三、結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(lái)，我國(guó)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(duì)此，我們應(yīng)該牢牢把握機(jī)會(huì)，對(duì)材料科學(xué)技術(shù)的新成果進(jìn)行利用，為我國(guó)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(cè)與防護(hù)技術(shù)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（29）