鈦合金在海水淡化和造船工業(yè)中的防腐應(yīng)用
鈦抗海水腐蝕的能力比其它所有金屬都好， 無(wú)論是在靜止的或高速流動(dòng)的海水中鈦都具有特殊的穩(wěn)定性。 因此， 鈦是海水淡化裝置的理想材料。 鈦在這個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用數(shù)量將越來(lái)越大。鈦抗海水和海洋空氣腐蝕能力很強(qiáng)， 而且強(qiáng)度大， 重量輕， 是造船工業(yè)的理想結(jié)構(gòu)材料，已廣泛應(yīng)用在各種艦艇、深水潛艇的許多部件中。
目前海水淡化已遍及全世界 60 多個(gè)國(guó)家和地區(qū)，全球有海水淡化廠 600 萬(wàn)多座，海水淡化日產(chǎn)量約 3500 萬(wàn)噸左右，并且以每年 10％以上的速度在增加。海水淡化已經(jīng)成為解決缺水問(wèn)題最佳方法之一。 目前全球主流的海水淡化方法主要有多級(jí)閃蒸法（ MSF）、低溫多效蒸餾法（ LT-MED ）和反滲透膜法（ RO）三種。三種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，適用的條件和范圍也不同。我國(guó)主要是應(yīng)用 LT-MED 和 RO 兩種方法，未來(lái)幾年當(dāng)時(shí)中國(guó)將有多個(gè)海水淡化項(xiàng)目啟動(dòng)。未來(lái) 3-5 年海水淡化將有很大發(fā)展空間。
取決于現(xiàn)今技術(shù)對(duì)于海水淡化大規(guī)模應(yīng)用已具備成本優(yōu)勢(shì)， 相比較南水北調(diào)來(lái)說(shuō)噸水成本更低，國(guó)家出臺(tái)一系列鼓勵(lì)政策，未來(lái) 10 年海水淡化規(guī)模將是現(xiàn)在的 5 倍。海水淡化設(shè)備用鈦合金取代銅合金是未來(lái)趨勢(shì)。 鈦材多方位的優(yōu)勢(shì)決定了未來(lái)在海水淡化管領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用空間，預(yù)計(jì)未來(lái)十年，中國(guó)海水淡化鈦管需求量約為 9500-23520 噸，全球約為140.63-281.25 萬(wàn)噸。雖然國(guó)內(nèi)初步測(cè)算需求量并不大，但國(guó)內(nèi)需求只占國(guó)際需求總量的1.6%，可以說(shuō)整體發(fā)展空間非常巨大。
5.1 、鈦管用于海水淡化的主要特性：
5.1.1 、密度小，比強(qiáng)度（強(qiáng)度 / 比重）高
金屬鈦的密度為 4.51g/cm3 ，高于鋁而低于鋼、銅、鎳。但比強(qiáng)度位于金屬之首，是不銹鋼的 3 倍，是鋁合金的 1.3 倍；
5.1.2 、耐腐蝕性能好
鈦是一種非常活潑的金屬， 其平衡電位很低， 在介質(zhì)中的熱力學(xué)腐蝕傾向大。 但實(shí)際上鈦在許多介質(zhì)中很穩(wěn)定， 如鈦在氧化性、 中性和弱還原性等介質(zhì)中是耐腐蝕的。 這是因?yàn)殁伜脱跤泻艽蟮挠H和力，在空氣中或含氧的介質(zhì)中， 鈦表面生成一層致密的、 附著力強(qiáng)、 惰性大的氧化膜， 保護(hù)了鈦基體不被腐蝕。 即使由于機(jī)械磨損也會(huì)很快自愈或重新再生。 這表明了鈦是具有強(qiáng)烈鈍化傾向的金屬。介質(zhì)溫度在 315℃以下鈦的氧化膜始終保持這一特性。
5.1.3 、換熱性能好
金屬鈦的導(dǎo)熱系數(shù)雖然比碳鋼和銅低， 但由于鈦優(yōu)異的耐腐蝕性能， 所以壁厚可以大大減薄，而且表面與蒸汽的換熱方式為滴狀冷凝，減少了熱組，太表面不結(jié)垢也可減少熱阻，使鈦的換熱性能顯著提高。
5.1.4 、耐熱性能好
新型鈦合金可在 600℃或更高的溫度下長(zhǎng)期使用。
5.1.5 、化工耐低溫性能好
鈦合金 TA7（Ti-5Al-2.5Sn ）,TC4(Ti-6Al-4V) 和 Ti-2.5Zr-1.5Mo 等為代表的低溫鈦合金 ,其強(qiáng)度隨溫度的降低而提高 , 但塑性變化卻不大。 5.1.6 、抗拉強(qiáng)度與其屈服強(qiáng)度接近鈦的這一性能說(shuō)明了其屈強(qiáng)比 （抗拉強(qiáng)度 / 屈服強(qiáng)度） 高，表示了金屬鈦材料在成形時(shí)塑性變形差。由于鈦的屈服極限與彈性模量的比值大，使鈦成型時(shí)的回彈能力大。
5.2 海水淡化設(shè)備中鈦管將逐漸替代原來(lái)的銅合金管，兩者相比，鈦管具有以下優(yōu)點(diǎn)：
5.2.1 、同樣作業(yè)條件下，鈦管的壁厚更薄，管材用量更少。一般，銅合金管等壁厚為0.9mm-1.2mm ；用鈦管代替，在腐蝕性小的地方，可用壁厚為 0.5mm 的薄壁管。
5.2.2、鈦管的導(dǎo)熱性好。鈦熱導(dǎo)率為 17W／(m·k)，鋁黃銅的為 lOOW/ （m·k），70／30 白銅的為 29W／(m·k)，鈦的熱導(dǎo)率最?。褂帽”阝伖?，導(dǎo)熱性雖然比鋁黃銅差，但與 90／10白銅相當(dāng) ，比 70/30 白銅的要好。
5.2.3、使用鈦管的性價(jià)比更高。鈦管價(jià)格可與銅合金管抗衡，由于鈦的密度低，壁厚相同時(shí)，同等長(zhǎng)度的鈦管質(zhì)量只是銅合金管的 50％，當(dāng)鈦管壁厚為銅合金管的 50％時(shí)，相同傳熱面積的鈦管質(zhì)量?jī)H為銅合金管的 1／4．可見，鈦管在價(jià)格方面是有競(jìng)爭(zhēng)力的。
5.2.4、鈦管的使用壽命更長(zhǎng)。由于海水常混有泥沙、 海生物，它們?cè)趥鳠峁軆?nèi)及管端附著，會(huì)侵蝕銅合金管，銅合金還會(huì)受海水中 Bｒ-的腐蝕。而鈦管就不會(huì)出現(xiàn)這種問(wèn)題，特別是為了殺死海水中的細(xì)菌，不得不注入氧時(shí)，更需使用耐蝕性好的鈦管。
5.3 國(guó)外鈦材的開發(fā)和應(yīng)用
日立，三菱及東芝生產(chǎn)的電站冷凝器，使用了厚 0．5mm的鈦焊管，三菱、川崎、日立，三井以及神戶制鋼等公司生產(chǎn)的海水淡化裝置，使用了厚 0．5ｍｍ－ 0．7ｍｍ的鈦焊管。到 1983 年，在 16 年的時(shí)間里，日本生產(chǎn)了用于世界各地海水淡化設(shè)備的薄壁鈦焊管4038ｔ，至今未發(fā)生因海水腐蝕而損壞的現(xiàn)象。
(1) 通風(fēng)凝結(jié)器和噴射壓氣機(jī)
日本真正的海水淡化設(shè)備是 1967 年由松島碳礦株式會(huì)社建成的 2650ｔ/ ｄ海水淡化設(shè)備。該裝置的通風(fēng)凝結(jié)器及噴射壓氣機(jī)的傳熱管和管板，由于受海水中 Bｒ- 的腐蝕，不能用銅合金，換用鈦后，沒發(fā)生過(guò)因腐蝕導(dǎo)致的故障。
(2) 熱放出部冷凝器
多級(jí)閃蒸冷凝器是將海水作冷卻水，冷卻各級(jí)閃速室產(chǎn)生的水蒸氣，由于海水常混有泥沙、海生物，它們?cè)趥鳠峁軆?nèi)及管端附著，侵蝕銅合金管。因此，現(xiàn)在幾乎所有的 MSF型海水淡化設(shè)備的傳熱冷凝器上都使用了鈦管。特別是為了殺死海水中的細(xì)菌，不得不注入氧時(shí)，更需使用耐蝕性好的鈦管。
(3) 熱回收部冷凝器
熱回收部冷凝器傳熱面積較大，由于經(jīng)濟(jì)原因，現(xiàn)通常使用銅合金管，僅在特殊場(chǎng)合使用鈦管，如含有氨或硫化氫等污染物的介質(zhì)對(duì)銅合金的腐蝕劇烈。 1977 年，向德國(guó)出口的 3600ｔ/ ｄ的 MSF型淡化裝置，由于它是氨的附屬設(shè)備，不能用銅合金，而采用了鈦；由于硫化氧的腐蝕，秘魯?shù)?3120ｔ/ ｄMSP型淡化設(shè)備，使用 1 年后鋁黃銅管就發(fā)生了腐蝕，最后將全部傳熱管換成了鈦管。
據(jù)報(bào)道，日產(chǎn)百噸的海水淡化裝置用鈦管達(dá) 6 萬(wàn)根．從 1967 年至 1994 年，在近 30年的時(shí)間里，共生產(chǎn)了 52 套原于能級(jí)火力發(fā)電用冷凝器和 7 套海水淡化設(shè)備，共計(jì)使用鈦焊管 11000ｔ。
5.4 國(guó)內(nèi)涉及鈦管或者海水淡化鈦管的上市公司：
攀鋼釩鈦 ( 鈦資源儲(chǔ)量全國(guó)最大，生產(chǎn)鈦材和鈦精礦 ) ，未來(lái)受益于鈦需求的大幅放量和鈦材的投產(chǎn)；
久立特材 (17.50,-0.30,-1.69%)( 海水淡化鈦管 1000 噸) ，受益于海水淡化鈦管的逐步應(yīng)用；
寶鈦股份 (25.53,-0.26,-1.01%)( 鈦材龍頭 ) ，鈦材和鈦管綜合實(shí)力領(lǐng)先，受益于行業(yè)未來(lái)的快速發(fā)展。
5.5 造船工業(yè)
隨著社會(huì)的發(fā)展，人類對(duì)自然資源的需求越大，開發(fā)與應(yīng)用海洋資源愈來(lái)愈受到重視，有人說(shuō)， 21 世紀(jì)是海洋開發(fā)的世紀(jì)。
開發(fā)海洋需要各種裝備， 而任何裝備功能的實(shí)現(xiàn)依賴于材料技術(shù)。 鈦材具有適應(yīng)于海洋環(huán)境的特性，如耐蝕性、 無(wú)磁性、高的綜合力學(xué)性能和機(jī)械加工性等， 是一種天然的海洋裝備結(jié)構(gòu)材料。 鈦材的這些特性， 給研發(fā)新的船舶產(chǎn)品、 海洋工程機(jī)械和裝置提供了重要的材料技術(shù)平臺(tái)， 因此從上世紀(jì) 50 年代末開始， 鈦材在船舶和海洋工程中的應(yīng)用， 不僅領(lǐng)域逐步拓寬，而且用量也隨之增大。
中國(guó)船舶行業(yè)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， 經(jīng)長(zhǎng)期應(yīng)用研究， 已形成船用鈦合金材料技術(shù)體系。在本行業(yè)中使用鈦材冶金半成品主要有各種不同規(guī)格的板材、 鍛件、鑄件、絲材和管材， 其中板材用量最大，約占 70 ％以上，鍛件次之，約為 15 ％，鑄件 12 ％，其余是絲材和管材。要保證船舶和海洋工程裝備的建造質(zhì)量， 各類不同規(guī)格鈦材的各向同性、 組織形態(tài)和晶粒大小適中、 板材生產(chǎn)、 彎曲、 沖壓成型、 焊接， 鍛件與鑄件的制備， 制造工藝技術(shù)是關(guān)鍵，此外， 國(guó)內(nèi)船用鈦合金研發(fā)經(jīng)驗(yàn)還表明， 一種新的鈦合金材料用于船舶制品， 必須進(jìn)行大型結(jié)構(gòu)模擬的驗(yàn)證性試驗(yàn)，以考察其使用性，建立相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。
船用鈦材由于應(yīng)用領(lǐng)域范圍廣泛， 除要求耐海洋環(huán)境腐蝕的共性外， 其它研究重點(diǎn)則是：①高性能 （較高強(qiáng)度、 抗沖擊韌性、 抗疲勞性）、高功能 （高透聲性） ，且適應(yīng)使用環(huán)境工況；②材料建造工藝適應(yīng)性、 使用安全可靠性；③品種／規(guī)格系列化、 材料的配套性（如相應(yīng)的焊絲材料）、實(shí)用性；低成本。船舶及海洋工程是靠它的性能和質(zhì)量，更要看它的價(jià)格是否可以接受， 低成本是當(dāng)前船用鈦合金材料及制造工藝研究的重要目標(biāo)， 國(guó)內(nèi)外對(duì)鈦合金低成本研究相當(dāng)活躍。
