随着我国海洋工程日新月异的发展,钛合金在船舶中的应用越来越受到重视,一方面海洋材料的应用不断拓展,新材料以适应海洋防腐而不断创新发展,钛合金在海洋工程中的优势日益凸显,另一方面,在我国钛产业面临产能过剩的状况下,急需扩展其新领域应用。无疑,在海洋工程中,钛具有不可比拟的优势。
钛在海洋装备中的适用性强
钛的密度小、熔点高、强度高,是轻金属中的高熔点、高比强度材料;钛具有无磁、无毒特性以及优良的韧性、抗疲劳性能、低温性能、生物相容性和透声性,某些钛合金还具有超导性能、记忆性能和贮氢性能。钛具有其他金属材料无可比拟的高的比强度和抗海水腐蚀等综合性能。所以,钛是非常理想的“海洋金属”材料。
钛的比重小、比强度高,在同等设计性能要求条件下,可使装备的结构更紧凑,可大幅度减轻装备自重、增加载重比,不仅有利于获得更大浮力、更快的航速,可延长续航时间,还可以减少燃料费用和CO2生成量,对防止地球暖化是十分有效的。
钛在高温和低温条件下都保持较好的韧性,具有很好的抗疲劳性能,使得钛装备承受巨大静载荷和动载荷以及抗海浪周期性冲击的能力大大加强,进一步扩大了钛材在船舶装备中的应用。
此外,钛还具有优良的加工性能以及高回收利用率,在海洋环境中的使用寿命长,且其重量损失极少,回收率高;钛船不需要涂料保护,不会造成因涂料引起的环境污染。使用钛材料,对资源的浪费少,经济效益和社会效益好。
钛合金在船舶上应用已形成体系
当前,仅俄、美、中等国进行了专门的船舶用钛研究,并形成船用钛合金体系。在舰船用钛方面俄罗斯最先进,其发展水平以及钛合金在造船业中的使用规模远远领先于世界上其他所有国家。俄普罗米修斯中央结构材料研究院认为,在船用动力装置中还没有什么其他材料的性能可与钛材相提并论,钛金属价格昂贵,只有在既要求高比强度,又要求能长期使用在强侵蚀性高温介质条件下,使用钛结构才是合算的。在民船用钛方面日本较发达,综合考虑材料的性能特点、制造成本、维修费用和更换新制品的费用,日本人认为船舶选用钛材是最合理的。而我国舰船用钛尚处于分析论证的探索性试用阶段,虽然在材料研究方面取得了不少成果,但在工程应用技术领域的研究还不够深入,尚不能满足工程化大批量应用的需要。
我国船用钛合金系列包括635MPa、685MPa、735MPa 、785MPa 强度级别,已获得部分工程应用的有TA5、TA22、TA24 和TA31 等合金;我国船用钛合金的强度级别和使用部位基本可与国外相对应,但品种、规格不够完善,加工与制造技术相对落后。
我国钛合金在海洋工程、船舶中的应用面临很大局限性
首先,设计局限性大:钛合金设计缺乏足够的理论支持,无钛装备设计准则和合金选择原则(现阶段参照化工部腐蚀容器设计准则),使钛材用量增加、成本提高、制造难度加大,未发挥出钛材的综合优势。当前,适用钛产品的标准、规范十分欠缺(材料标准、产品标准、工艺标准、质量检验标准等),尤其是钛管系附件、阀件、紧固件标准基本上是一片空白,而这些标准是钛材在船舶装备上大规模使用所必不可少的。目前选用企标,存在技术合理性、质量一致性以及标准通用性等方面的问题;设计缺乏实践数据,新研设备缺少可靠性验证平台。
其二,技术研究满足不了应用需求,我国船舶用钛起步晚,科研参研面窄(集中于大专院校、研究院所、生产厂家及相关设计院所),成果的技术局限性较大。国内关于船舶钛工程应用方面的技术成果较少,且研究不系统、不完善、不深入,尚不能较好地解决钛材料在以钢为主体建造材料的船舶装备中推广应用所面临的系列技术问题,满足不了应用需求,延缓了钛材料在此领域的推广应用。
其三,船用钛装备制造能力欠缺,船舶装备的吨位大,可靠性要求高,建造成本高、技术难度大,对制造厂的资质要求高,船舶总装厂能力至关重要。国内绝大多数船舶总装厂对钛材认识不足,且缺乏相应装备的制造能力,而钛装备制造厂对船舶缺乏了解,且不具备相应的资质;我国钛装备制造工艺与国外发达国家还存在一定的差距,发达国家已研制出针对船舶空间狭窄、管道布置复杂、现场安装工作量大这一情况的特殊钛合金安装、切割工艺,使钛合金在潜艇全船海水管系得以广泛使用,目前我国在这方面的研究还是一片空白,不利于钛材在此领域中的推广应用。
其四,钛材料生产供应能力不足,船舶对材料的需求量大,而国内钛材产能小,难以支撑船舶装备大批量用钛需求。我国船用钛合金品种、规格不完善,且针对性较强,缺乏可供各专业选择、全船通用的钛合金材料系列。我国钛材料厂家众多,各单位产品质量差别较大,不宜用于高端船舶装备的建造中。而我国钛材厂家对市场需求反应较慢,原材料生产周期较长,难以适应船舶装备的建造需要。
以产业联盟促进钛合金海洋工程系统应用
在研究船用钛合金材料的同时,加强钛合金工程应用技术研究工作,应形成全套的工艺文件和检验技术文件,研究成果要能够系统地解决船舶用钛的系列技术问题,可实现批量化生产。笔者认为,我国应开展船用大型模拟件实验验证工作,研究钛合金结构设计及计算、工艺性能分析、寿命及失效模式分析、全寿命经济性分析以及产品质量检测等相关技术,并形成相应的技术文件,为装备的设计、制造及其使用提供指导性文件。
提升船用钛装备制造能力,行业应加强与船舶行业的交流与合作,积极搭建船舶用钛技术交流平台,促进科研、生产单位与设计所、总装厂以及船东之间的技术合作与交流,实现跨行业技术大协作;钛业界应加强对船舶行业的技术调研和应用推广工作,必要时可对船舶总装厂等单位进行钛基础知识普及和钛装备制造技术培训,以提高相关人员对钛的认识,提升总装厂钛装备制造能力;船舶行业应及时向钛行业发布需求信息,并主动向钛行业学习钛装备建造相关知识与技能,提升船用钛装备的设计及其建造水平;涉钛的船舶总装厂应联合钛行业相关单位,积极开展船用钛合金成型及其结构可焊性工艺研究,解决焊接等制造技术方面的问题并改进其性能及工艺,着重针对舰船空间狭窄、管道布置复杂、现场安装工作量大这一特殊要求的钛合金安装、切割工艺进行研究,使其满足舰船应用要求。
组建海洋用钛“产”、“学”、“研”、“用”产业联盟,构建由船厂、材料厂、研究所、船东、船级社等融“产”、“学”、“研”、“用”为一体的海洋用钛产业联盟,搭建起海洋用钛研发平台,提升研发实力。
设立重大专项,针对海洋用钛系列技术问题,国家应设立重大专项,拨付足够的技术研发费用,彻底突破该领域的瓶颈技术,有利地推动技术的发展; 要改革现行科研创新管理机制,强化管理对海洋用钛技术研发的管理工作,注重实用价值,满足配套要求; 提高技术成果的实用性,实现工程化应用。