关键词：海绵钛；钛合金；管路系统；价格
Abstract： This paper expounds the advantages of titanium alloy as the ship piping material， analyzes the sponge titanium market price in recent years， and the cost of titanium alloy pipe is discussed， and establish relationships the titanium alloy pipe purchase price and the price of sponge titanium.
Key words： Navy ship； Titanium alloy； piping system；price
钛合金因具有密度低、比强度高、优良的耐蚀性、韧性好、形状记忆、可焊、中温性能好、无磁等优点，在航空、航天、舰船及海洋工程等军用及民用领域应用广泛。
由于钛合金对海水具有很强的抗蚀性和很高的比强度，是一种理想的舰船管路系统材料。各国对钛合金在舰船上的应用研究十分重视，并在舰船管路系统中大量采用钛合金，以提高舰船设备运行的可靠性和使用寿命，从而提高舰船的技术、战术性能。
1 钛合金管材的优势
钛合金由于具有优异的性能，特别适用于工作介质为高压、高流速、动海水的通海管路系统和动力装置排气管路系统。用钛合金制造舰船的管路及附件（包括管子、弯头、三通、阀门等），不但可以减少舰船管路系统管子的直径和壁厚，而且可以减轻重量。
根据B10铜合金、双相钢和钛合金三种材料的耐海水冲刷腐蚀的数据中可以看出：B10铜合金在流速大于5 mm/s时已经有了较为明显的腐蚀，所以只能用于海水流速小于5 mm/s的管路系统中；双相不锈钢是一种耐海水腐蚀的材料，但由于焊接工艺若控制不好，焊接接头容易发生相变，大幅降低焊接接头的耐蚀性；钛合金是三种材料中是耐海水冲刷腐蚀性能最好的材料，在10～25 m/s的冲刷条件下不腐蚀，甚至在36 m/s的冲刷条件下腐蚀速度也仅为0.008 mm/a。
根据钛合金管材和其他船用耐蚀材料管材的全寿期费用可以看出：铜合金管道的平均服役期限为10年，而钛合金的服役期限为3O年。如果按30年计算，则铜合金管材需要更换2次，全寿命内铜合金管材投入的材料费是钛合金管材的近3倍，还没有把检修和更换期间所引起的损失费用考虑进去，包括设备加工费、运输费、安装费，以及由于设备更换而导致舰船在役时间的缩短等。
美、俄等国早在上世纪60年代初就已开始用钛合金逐步代替铜合金、不锈钢等常规耐海水腐蚀材料，应用范围包括海水冷却系统、消防系统、热交换器设备、管系、喷水推进装置等。俄罗斯核潜艇二回路和通海管系已全部采用钛合金制造，仅二回路系统减重效果达到40%以上，且服役期限达到了与艇体同寿命，实现了全寿命周期的低成本。
在2004年，美国推出了NGMTI计划（Next Generation Manufacturing Technology Initiative），新兴工艺技术是该计划的首要重点领域。在该计划中，将低成本钛生产列为该领域的第二大方向。随着美国低成本钛生产技术的发展，钛在舰艇上的应用会更加广泛。
2 海绵钛市场价格分析
图1为2006年10月～2014年6月海绵钛价格走势图。由图1可以看出，2006年海绵钛价格处于20万元/ t以上的高位，但随后震荡下行，由于产能过剩等原因，至2014年6月，已跌至 4.6万元/ t左右，。
随着经营压力的增大，生产企业不得不挖潜增效、改进工艺、提高技术、降低成本，更加优良的冶炼工艺和技术，必将对海绵钛市场价格稳定起到支撑作用。
3 钛合金管材和管路附件价格分析
钛合金管材价格由材料费和制造费两大部分组成。
工业纯钛由海绵钛直接真空熔炼而成，其原材料费较低。而钛合金由于添加了合金元素，材料费相应提高，特别是添加了稀贵合金元素的钛合金材料费将大幅提升。
钛合金管分为无缝管和焊接管。钛合金在高温下容易吸氧和吸氢，熔炼需要在真空环境中进行。当合金元素含量较高时，为保证成分均匀，熔炼次数一般不低于三次。钛合金铸锭一般要经过切除冒口和扒皮之后才能进行后续的开坯锻造工序，这导致材料存在一定量的损失，铸锭熔炼工序的材料收得率约为80%～95%。
钛合金属于难变形材料，成形工艺窗口窄，且微观组织对工艺参数特别敏感，而微观组织形貌又直接决定了钛合金管件的机械性能。铸锭开坯锻造和方坯改锻阶段一般要进行5～10火次锻造，严格控制每火次变形温度、变形量和应变速率，以达到破碎粗大魏氏组织、细化晶粒和调控性能的目的。目前，单火次锻造费用约为5～10元/kg。在锻造过程中边角部位容易开裂，要对开裂部位进行切除打磨处理，另外还会出现表面氧化形成氧化皮。这些因素都会导致材料损失，在开坯锻造和方坯改锻环节材料的收得率约为75%～85%。
图2给出了25×2和25×0.7两种钛合金无缝管2013年市场价格波动情况。2014年1月海绵钛价格同比下降25%，而25×2和25×0.7两种管价格分别同比降低10%和15%，市场价格分别是海绵钛价格的2.8倍和2.9倍。这是因为原材料价格在钛管价格中所占比例仅为34%-36%，海绵钛价格下降但钛管制造费用并没有降低，这导致钛无缝管价格降幅较小。钛合金无缝管制造费用更高，这是由于钛合金相比纯钛来说变形抗力大、成形温度高、各工艺流程中材料收得率较低等因素导致。 合金化程度高或口径较大的钛合金管材及管路附件只能采用焊接结构。焊接管制造工艺流程中的有些工序和无缝管相同，但方坯改锻之后要进行板材的轧制，钛合金一般采用热轧成形，轧制成本较高。轧板一般需要3～5火次，每火次轧制费用约为15～20元/kg。每火次轧制后板坯尺寸要进行修整，这使得轧制过程中材料的收得率在70%-80%之间。
轧制板材经喷砂和酸洗等辅助工序后进行坡口加工、卷板、焊接等工序。钛合金在焊接过程中会与空气发生化学反应，如处理不当就会吸收空气中的杂质，使钛合金材料变脆。为避免出现这样的情况，在焊接钛合金管过程中需采取一系列控制措施，如使用辅助氩气保护拖罩或采用侧面氩气保护等措施。这些保护措施会降低钛合金管焊接的生产效率，增大氩气等耗材的使用量，这些因素无疑会增加钛合金管的焊接成本。
舰船管路附件一般包括弯头、三通和变径管等，是在管材的基础上进行深加工制造的。与铜合金管件室温成型不同，钛合金管件往往需要在再结晶温度以上进行高温成型，这就造成钛合金管件制造成本高，一般为铜合金的3倍以上。
4 金属钛价格与钛管路采购价格关系研究
钛合金管路一般由钛合金管材与管路附件焊接而成的。因此钛合金管路采购价格由材料费和各环节的制造费用组成，即
F=（a+b）/（k1?k2?k3）+ g1?n1 /（k1?k2?k3） +g2?n2/（k2?k3） + g3?n3/ k3+Σ +? （1）
式中：F为焊接管路的采购价格（元/kg）；a为海绵钛市场价格（元/kg）；b为海绵钛添加合金元素费（元/kg）；g1为铸锭熔炼费（10～15元/kg）；g2为锻造费（5～10元/kg）；g3为板材轧制费（15～20元/kg）；n1、n2、n3分别为熔炼、锻造和轧制火次（次）；k1、k2、k3分别是分别为熔炼、锻造和轧制过程的材料收得率（%）；Σ为焊接费用和其他辅助工序费用（元/kg）；?为管路附件附加费（（元/kg））。
由上述分析可知，钛合金属于难变形材料，制造过程中各工序费用较高、材料收得率较低，虽然近年来海绵钛价格处于低位，但管路系统采购价格并不会有明显的降低。
5 结论
钛合金管路系统在全寿命周期内的经济性具有显著的优势，钛合金管路系统在国外舰船通海管路和排烟管路等管路系统中获得了成功的应用。海绵钛近两年价格持续走低，随着海绵钛生产工艺的提高和生产企业的竞争，海绵钛价格将长期处于低位，钛合金管路系统的采购价格将不会有较大的波动，这为我国造船及海洋工程选用钛合金提供了更大的空间。
参考文献
[1] 王向东，逯福生，贾?，郝斌. 2013年中国钛工业发展报告[J].中国钛业，2013，（1）.
[2] 威尔德[译]. 美国海军采用舰船管系新材料 [J].中外船舶科技.2003（4）.
