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海水管路钛合金应用技术研究

来源:      2020-6-16 15:50:58      点击:

      船舶建造是系统工程,船舶材料的研发也是系统工程,需要经过材料研制、应用研究、建造工艺研究等系列研究工作,为船舶应用提供足够的材料及配套技术支撑。钛合金在船舶海水管路中的应用也不例外。目前,我国在钛合金管材等管路用产品方面具备较强的技术基础,在应用技术如钛合金与其他金属连接使用的电偶腐蚀、钛合金的现场焊接、钛合金的防海生物污损技术以及钛合金的经济性等方面仍需开展系统的研究工作。

结合国内外应用情况和经验,针对海水管路中钛合金的应用技术研究进行系统阐述。

       1、 选材研究

       船舶海水管路的选材首先应充分考虑材料的成熟性、通用性与系列性、先进性、经济性、匹配性。

       材料成熟性是指材料的研制、应用研究应充分, 相应的配套材料应完备,施工工艺应成熟。针对海水管路选材,首先应考选用的材料是否经过系统的研制和应用研究,除了管材本身外,配套的管件、法兰、接头、焊丝等产品是否配套齐全,相应的标准、技术条件是否完备,是否具备上舰经验或已完成上舰工艺研究。鉴于上述因素,海水管路用钛合金一般从船舶钛合金牌号中进行选择。

       材料的通用性与系列性要求选用的钛合金针对船舶海水管路不同的系统具有通用性,同时产品的规格和种类也应满足设计中的所有要求;材料的先进性与经济性则要求材料具有优良的服役性能和合适的价格;材料匹配性是指选用的新材料与现役常用材料搭配使用时的兼容性;

       船舶海水管路选用的钛合金多为低强度牌号。首先是因为系统一般压力不太高,因此无需太高的材料强度;系统对振动噪声控制有要求,因此钛合金管材需要具有合适的壁厚,这也为采用低强度材料提供了条件;低强度的钛合金材料通常具有更好的塑韧性和冲击韧性,便于加工,特殊工况下安全性高;此外, 低强度钛合金的成熟度相对较高、经济性较好。 

      2、 工艺性能研究

      船舶海水管路用钛合金均需经过系统的工艺性能研究。即在材料基本性能考核的基础上,还要开展焊接适应性、弯制工艺等与现场应用有关的研究工作。也可以说在钛合金管材上舰应用之前,其弯制工艺、焊接工艺规范必须具备。

       国内如七二五所、西北有色金属研究院等单位, 对钛管弯制工艺开展了系统的研究工作。对小规格、薄壁的低强度纯钛和钛合金主要采用冷弯工艺进行弯管制备,椭圆度和壁厚减薄均能满足 CB/Z-210 的标准规定,采用温弯工艺进行纯钛管的弯制成形。

        大规格的管材因其壁厚较大,采用冷弯工艺难度较大,通常采用热弯工艺。目前,国内已完成最大规格 Φ324 mm 的钛管 2D 热弯制工艺研究工作,壁厚减薄率为 4.3%, 其他尺寸公差也能够满足使用要求。

       船舶材料必须具有良好的焊接性能,钛合金也不例外。目前钛合金材料焊接工艺以 TIG 焊工艺最为常用,可以适应较多的工况。国内多家单位针对船用钛合金焊接开展了系统的研究,包括焊接材料选用、焊接工艺适应性、缺陷控制、焊接接头性能评价考核等大量工作。在焊接接头性能方面研究了不同区域的组织、性能变化特点, 焊接接头的疲劳性能、断裂韧性、抗应力腐蚀性能以及接头形式对服役性能的影响等。在这些研究的基础上制定了钛合金焊接的船舶标准(CB1216),对焊接工艺的选用、焊接工艺评定、施工工况等给出具体的要求。如焊接施工条件规定:一般对焊接条件的要求是温度不低于 5 ℃、相对湿度不超过 80%、风速不大于1.5 m/s、无灰尘、烟雾以及雨、雪情况。同时,考虑船上空间有限,焊接接头检测方法的选用要充分考虑可操作性。3、 腐蚀防护技术研究钛合金材料具有优异的耐蚀性,在海洋坏境中几乎不发生腐蚀。但是,钛合金与关联非钛设备存在较大的电位差,在海水环境中可能引发非钛设备发生电偶腐蚀。钛合金海水管路的应用需要解决的关键问题之一就是如何避免海水管路系统的电偶腐蚀,其电偶腐蚀原理图。解决电偶腐蚀的手段主要是采取绝缘防护隔断电路导通。目前船舶钛合金的电绝缘防护主要采取如下 3 种方式:(1) 借助干绝缘材料实现异种金属间电绝缘,即切断阳极与阴极直接接触;(2) 为避免海水侵蚀,借助密封胶料对金属接头处进行密封处理, 在缝隙处填满粘稠润滑剂;(3) 对钛合金部件进行氧化处理。目前,上述 3 种手段在船舶海水管路系统中均得到了应用,并根据不同的部位特点,采用不同的组合方式,确保了管路系统的安全运行。
       国内外大量研究表明:钛材的防污性能较差。钛合金海水管路污损的危害性主要表现为:(1) 因微生物附着而积聚的有机物和泥沙会增加管路摩擦系数导致污垢热阻增加,影响换热效率;(2) 宏观生物污损导致管道内径减小(甚至完全堵塞),降低流速,增加动力消耗;管道内污损生物脱落,堵塞阀门,使管道内部监检设备失灵。国内多家单位对钛合金在我国不同海域的海生物污损情况进行了对比研究,不同海域具有明显的差别。目前,国内也开发出了钛防污技术,试验结果表明可以有效解决钛合金海生物污损问题。海生物的防护方法种类繁多,按照作用机理不同, 可分为化学方法、物理方法和生物方法。表 1 对比了1种防污方法的作用机制、优缺点以及常见的技术手段。从表 1 中可以看出,化学防污方法是通过选择有效的化学物质毒杀袍子或幼虫,是目前技术最成熟的方法。化学防污方法中的电解防污技术是目前船舶海水管路内部最重要的防污手段。主要包括:电解海水、电解铜-铝和电解氯-铜铝联用 3 种手段。目前, 七二五所已开发了多种电解防污电极装置,其中复合防污电极在钛管路试验台架中运行试验一年多, 经过拆解滤器周边管路、焊缝处未观察到异常腐蚀现象。目前,我国船舶海水管路钛合金应用较少,相应的电解防污技术验证较少,对可能存在的未知影响, 尚需开展系统的验证和设计研究工作。