Status de aplicação e perspectiva de ligas de titânio na engenharia oceânica

(1) Introdução

O oceano, que representa cerca de 71% da superfície terrestre, contém recursos abundantes. Tornou-se uma das direções dos esforços das pessoas durante muitos anos desenvolver e utilizar o oceano para torná-lo a fonte da nossa enorme riqueza. No entanto, a água do mar é corrosiva devido ao seu teor de sal de aproximadamente 3,5%. Além disso, alguma poluição biológica no oceano também acelera a corrosão da água do mar. O titânio é um material com excelentes propriedades físicas e propriedades químicas estáveis. O titânio e suas ligas têm alta resistência, pequena gravidade específica e são resistentes à corrosão da água do mar e à corrosão da atmosfera marinha, o que pode atender bem aos requisitos das aplicações humanas na engenharia naval. Após anos de trabalho árduo de pessoas da indústria de titânio e pesquisadores de aplicações de engenharia oceânica, o titânio tem sido amplamente utilizado nas áreas de desenvolvimento offshore de petróleo e gás, construção de portos marítimos, usinas costeiras, dessalinização de água do mar, navios, pesca marítima e energia térmica marinha. conversão. Agora, o titânio para engenharia naval tornou-se um dos principais campos de aplicação civil do titânio.

(2) Status do pedido

2.1 Desenvolvimento offshore de petróleo e gás O petróleo é a tábua de salvação económica de um país. Estima-se que as reservas recuperáveis ​​de petróleo do mundo sejam de 300 mil milhões de toneladas, das quais as reservas de petróleo do fundo do mar são de cerca de 130 mil milhões de toneladas. O desenvolvimento do petróleo submarino começou no início do século XX. O seu desenvolvimento passou pelo processo do offshore ao mar distante, do mar raso ao mar profundo. Restringidos pelas condições técnicas e pelo desenvolvimento material, inicialmente apenas os depósitos de petróleo e gás natural que se estendessem directamente da costa até ao mar raso poderiam ser explorados. Desde a década de 1980, estimulada pela crise energética e pelo progresso tecnológico, a exploração e desenvolvimento de petróleo offshore desenvolveu-se rapidamente, e o desenvolvimento de petróleo offshore avançou rapidamente para a plataforma continental, formando gradualmente um novo sector da indústria petrolífera offshore. A plataforma de perfuração offshore é a base de trabalho para a exploração e exploração de petróleo e gás submarino e marca o nível da tecnologia de desenvolvimento de petróleo e gás submarino. Os equipamentos de produção de petróleo offshore incluem principalmente plataformas de produção de petróleo e equipamentos auxiliares, como resfriadores de petróleo bruto, risers de óleo, bombas, válvulas, juntas e acessórios. Esses dispositivos estão em contato com sulfeto, amônia, cloro e outros meios na água do mar e no petróleo bruto. Devido à excelente resistência à corrosão do titânio nesses meios, os Estados Unidos usaram pilares de plataformas de petróleo offshore feitos de titânio em seus campos de petróleo no início da década de 1970 e usaram titânio para fabricar trocadores de calor de tubos e trocadores de calor de placas. Aquecedor. O trocador de calor de casco e tubo de titânio usa água do mar como meio de resfriamento para resfriar a mistura de vapor/óleo de alta temperatura bombeada do poço de petróleo. O trocador de calor de placas de titânio também usa água do mar como meio de resfriamento para resfriar a água doce que resfria o petróleo bruto no trocador de calor de aço carbono. Os Estados Unidos usam cerca de 100 trocadores de calor de titânio em plataformas de petróleo no Mar do Norte. O componente de titânio encomendado pela Hunting Oilfield Services em Aberdeen, Escócia, Reino Unido, é considerado o primeiro eixo riser de alta pressão de titânio do mundo para o projeto Heidrum da Conoco na Noruega. O tubo de perfuração de titânio de liga de titânio de petróleo tem uma longa vida útil, seu peso é apenas metade do peso do aço inoxidável, mas sua flexibilidade de uso é duas vezes maior que a do aço inoxidável e sua vida útil é 10 vezes maior que a do aço. Essas excelentes propriedades tornam o titânio um excelente material para a perfuração de poços profundos, quase circulares e difíceis. Ferramentas de perfuração combinadas, incluindo tubos de perfuração de titânio, podem reduzir significativamente o tempo de perfuração e os custos gerais de perfuração. Em 2000, GrantPrideco, RTI Energy Systems e Torch Drilling Services nos Estados Unidos usaram pela primeira vez tubos de perfuração de titânio para aplicações industriais. O tubo de perfuração de titânio, produzido e fornecido pela GrantPrideco e RTI Energy Systems, também possui juntas de ferramentas de aço da GrantPrideco Anti-Fatigue. As juntas são leves, flexíveis no uso e tornam os tubos de perfuração de titânio resistentes e fortes. O sistema de dutos de água do mar é uma parte indispensável da exploração submarina de petróleo. Como o titânio possui alta resistência à corrosão pela água do mar, sua vida útil é 10 vezes maior que a do sistema de aço. Portanto, o custo do sistema de tubulação de titânio é econômico em comparação com o sistema Cu-Ni. de. A Active Metals of America e a Precision Tube Technology estabeleceram em conjunto uma Titanium Tube Technology Company para produzir um tubo de liga de titânio de grande diâmetro. A liga usada neste tubo é a liga Ti-3Al-2.5V, o diâmetro é 650mm, a espessura da parede é 22-25mm e o comprimento é 350m. Outra empresa nos Estados Unidos usou tubos de liga de titânio sem costura com comprimento de 15 m, diâmetro externo de 600 mm e espessura de parede de 25 mm para fazer um tubo ascendente de quase 500 m de comprimento por extrusão, que foi usado em uma plataforma de perfuração offshore. Diz-se que o peso do tubo ascendente pode ser reduzido pela metade, o que pode reduzir bastante o custo do lastro, além disso, também possui alta tenacidade à fratura e longa vida à fadiga. Segundo relatos, no projeto de desenvolvimento do campo petrolífero do Mar do Norte, nos Estados Unidos, a quantidade de titânio utilizada no dispositivo de corpo flutuante e no dispositivo fixo no fundo do mar aumentou em comparação com o anterior. A demanda por materiais de titânio para 24 dispositivos de corpo flutuante e 64 dispositivos fixos submarinos é: 50-100t para dispositivos de proteção de segurança, 50-100t para dispositivos de conexão, 400-1000t para equipamentos de elevação em geral, e 1400-4200t para tubos de perfuração. A corrosão de peças estruturais causada por incrustações biológicas de plataformas offshore de exploração de petróleo é bastante grave. Uma empresa nos Estados Unidos usa longos invólucros feitos de tubos de titânio nas plataformas de mineração para proteger as peças da plataforma. Nos últimos anos, assistimos a um aumento acentuado na utilização de componentes de liga de titânio em operações de perfuração de petróleo e produção offshore. Os componentes de liga de titânio permitem que a perfuração de petróleo acesse águas e poços mais profundos, incluindo temperaturas mais altas e ambientes de produção altamente corrosivos (ou seja, salgados). Para este tipo de aplicação, a liga à base de haste de titânio TC4 (Ti-6Al-4V) é a mais adequada e de menor custo em termos de desempenho geral. O sistema de dutos de água do mar é uma parte indispensável da exploração submarina de petróleo. Como o titânio possui alta resistência à corrosão pela água do mar, sua vida útil é 10 vezes maior que a do sistema de aço. Portanto, o custo do sistema de tubulação de titânio é mais econômico do que o do sistema Cu-Ni. de. A Active Metals of America e a Precision Tube Technology estabeleceram em conjunto uma Titanium Tube Technology Company para produzir um tubo de liga de titânio de grande diâmetro. A liga usada para este tubo é a liga TA18 (Ti-3Al-2.5V), com diâmetro de 650mm, espessura de parede de 22-25mm, comprimento de 350m e tubo pesando 80-90t, que está planejado para ser usado na exploração submarina de petróleo. Outra empresa nos Estados Unidos usou tubos de liga de titânio sem costura com comprimento de 15 m, diâmetro externo de 600 mm e espessura de parede de 25 mm para fazer um tubo ascendente de quase 500 m de comprimento por extrusão, que foi usado em uma plataforma de perfuração offshore. Diz-se que o peso do tubo ascendente pode ser reduzido pela metade, o que pode reduzir bastante o custo do lastro, além disso, também possui alta tenacidade à fratura e longa vida à fadiga. A prática provou que a liga Ti-6Al-4V (Gr.5_TC4) é o melhor material para perfuração de tubos. Como aplicações de perfuração, a resistência ao escoamento e a resistência à fadiga são as mais importantes. Portanto, duas ligas Gr.5 com elementos intersticiais particularmente baixos são adequadas para dispositivos de elevação dinâmica mais críticos. Quando a temperatura operacional excede 75 ~ 80 graus, para evitar corrosão em fendas ou corrosão sob tensão, é usada uma liga Gr29 contendo rutênio. Os componentes mais comumente usados ​​incluem talhas de perfuração offshore, tubos de perfuração, juntas de tensão cônicas (TSJs) e talhas híbridas de titânio/aço. Pequenos componentes de titânio, como bombas, válvulas, juntas, fixadores, braçadeiras e peças sobressalentes de titânio, já são amplamente utilizados em plataformas de perfuração de petróleo. As ligas de titânio também são amplamente utilizadas nos cascos de instrumentos de registro de exploração de petróleo offshore no exterior.

2.2 Existe uma película de óxido com espessura não superior a 10nm na superfície do material de titânio para edifícios portuários. É muito estável em ambientes corrosivos e possui excelente resistência à corrosão no ar, na água do mar e em ambientes marinhos. Atualmente é a matéria-prima mais adequada para diversos ambientes marinhos. O Japão realizou vigorosamente o desenvolvimento marinho, como a ponte de Honsu a Shikoku, a ponte sobre a Baía de Tóquio, o Aeroporto de Kansai e a base flutuante de armazenamento de petróleo. O teste de exposição conduzido pelo Ministério da Construção e pelo Clube de Ferro e Aço do Japão na superfície oceânica do Rio Oigawa e os relatórios de investigação de vários testes de exposição anticorrosão conduzidos pelo Ministério dos Transportes e pela Steel Pipe Pile Association no rio flutuante Bosaki cavalete de areia também mostrou que o titânio é o material mais adequado. Além de suas excelentes propriedades anticorrosivas, o titânio também tem as vantagens de ter poucos íons dissolvidos no ambiente da água do mar, nenhuma toxicidade e não há necessidade de se preocupar em poluir o meio ambiente. O Japão também construiu uma estrutura marinha flutuante supergrande, usando materiais compósitos de titânio e aço na lavagem da água do mar; na construção da rodovia que abrange a Baía de Tóquio, materiais de titânio foram usados ​​como o torso à prova de respingos dos pilares da ponte, e os materiais compósitos de titânio-aço de cada pilar da ponte são A quantidade é de 0,9 t. Grandes estruturas marítimas flutuantes já em uso ou planejadas incluem aeroportos, bases logísticas portuárias, instalações esportivas e muito mais.

2.3 A utilização abrangente da água do mar em centrais eléctricas costeiras é um dos projectos importantes da engenharia naval. Os condensadores em usinas costeiras são equipamentos que utilizam grande quantidade de água do mar. O titânio utilizado nas centrais eléctricas costeiras é principalmente o titânio utilizado em condensadores. Como o condensador utiliza água do mar como água de resfriamento e a água do mar contém uma grande quantidade de areia lamacenta, matéria em suspensão, organismos marinhos e diversas substâncias corrosivas, a situação é mais grave na salmoura doce, onde a água do mar e a água do rio se alternam. Os condensadores tradicionais usam tubos de liga de cobre, que muitas vezes são gravemente danificados devido a diversas corrosões na água do mar. O titânio tem boa resistência à corrosão na água do mar, especialmente na água do mar poluída, e sua resistência à corrosão por erosão em alta velocidade é particularmente notável.

2.4 Usina de dessalinização “A água é fonte de vida”. Atualmente, a escassez de água tornou-se um problema que assola o mundo. Cerca de 25% da população mundial não dispõe de fontes adequadas de água potável. Os rios terrestres e os recursos hídricos subterrâneos do mundo estão longe de satisfazer as necessidades do desenvolvimento industrial. Portanto, a dessalinização da água do mar será um método eficaz para os seres humanos resolverem os recursos de água doce no futuro. Do ponto de vista do desenvolvimento da dessalinização da água do mar no país e no exterior, existem principalmente dois métodos: destilação e osmose reversa. A primeira consiste em aquecer a água do mar para vaporizá-la e depois condensar o vapor para obter água doce. Este último consiste em pressurizar a água do mar, para que a água doce nela contida passe por uma membrana especial e retenha o sal para obter água doce. Os primeiros dispositivos de dessalinização da água do mar usavam ligas de cobre, aço carbono e outros materiais. Como estes materiais não são resistentes à corrosão da água do mar e têm baixa eficiência de produção, foram rapidamente substituídos por titânio com excelente resistência à corrosão da água do mar. Na dessalinização da água do mar, a principal aplicação do titânio é o tubo de transferência de calor do aquecedor da usina de dessalinização. Os principais produtores de usinas de dessalinização são os Estados Unidos e o Japão. Em 2004, havia mais de 15{5}} usinas de dessalinização construídas ou em construção no mundo, com uma produção diária de cerca de 32 milhões de toneladas de água doce. A empresa japonesa construiu 10 unidades de destilação para a Arábia Saudita com uma produção diária de 30,000 toneladas de água doce, usando 3.200 toneladas de tubos de titânio, e uma produção média diária de 10,000 toneladas, exigindo 107 toneladas de titânio. Tianjin, Shandong e outros lugares do meu país construíram ou estão construindo usinas de dessalinização de água do mar. Por exemplo, o plano preliminar para a dessalinização da água do mar em Tianjin é produzir 500,{16}} toneladas de água doce por dia até 2007 e 700,{19}} toneladas até 2010. Estima-se que cerca de 250 toneladas de titânio será usado em projetos de dessalinização de água do mar em Tianjin e Shandong.

2.5 O titânio para navios e suas ligas são resistentes à corrosão na água do mar e na atmosfera marinha e são considerados bons materiais para navios devido à sua gravidade específica leve, alta resistência, resistência ao impacto, não magnético, transmissão de som e pequeno coeficiente de expansão. Nos últimos anos, a aplicação do titânio em navios tem atraído muita atenção. As marinhas e as indústrias de construção naval de vários países também atribuem grande importância à aplicação de titânio em navios e desenvolveram muitos tipos de ligas de titânio marinho. O titânio e suas ligas são amplamente utilizados em navios, como estruturas de cascos, embarcações de pesquisa em alto mar e cascos de pressão submarina, tubos, válvulas, lemes, suportes de eixo, acessórios, hélices e propulsores em acionamentos de energia Eixos, trocadores de calor, resfriadores, casco mortalhas de sonar e muito mais. A primeira aplicação de titânio no casco de um navio foi no submarino da classe alfa da antiga União Soviética. Posteriormente, o titânio foi usado em pesquisas artificiais ou não tripuladas em alto mar e em submarinos de assistência em alto mar. O titânio puro industrial é usado para peças estruturais em geral, e a liga Ti-6Al-4V é usada para vasos de pressão. Segundo relatos, o uso de titânio na estrutura do casco pode não só reduzir o peso do próprio casco, aumentar o peso efetivo da carga, mas também reduzir a manutenção e prolongar a vida útil do navio. Liga de alumínio, aço macio e outros materiais estruturais do casco geralmente requerem manutenção dentro de 10 anos, enquanto os materiais de titânio dificilmente requerem manutenção e reparos, e sua vida útil pode ser estendida dos habituais 20 anos para 30 a 40 anos. A pesquisa japonesa sobre ligas de titânio para navios de pesquisa em águas profundas tem sido frutífera. Quase todas as câmaras de pressão "Deep-Sea 6500" que podem acomodar 3 operadores usam ligas de titânio. Este é o resultado de esforços de longo prazo no Estaleiro Mitsubishi Heavy Industries Kobe. Os submarinos usam uma grande quantidade de titânio. Por exemplo, um submarino nuclear com profundidade de mergulho de 900 m utiliza até 3.500 toneladas de titânio.

2.6 Pesca marinha É relatado que a pesca no Japão mudou da pesca para a piscicultura, e peixes-leão, linguados, enguias, etc. foram cultivados artificialmente. Na tecnologia de reprodução artificial, a malha metálica de titânio e o trocador de calor de tubo de titânio para manter uma certa temperatura da água do mar são amplamente utilizados. A cultura artificial da garoupa foi realizada nas áreas costeiras de Fujian, no meu país, e a cesta de cultura tipo placa de titânio utilizada trouxe excelentes benefícios para a cultura da garoupa.

2.7 Conversão de energia térmica do oceano Há uma enorme quantidade de energia no oceano, como energia das marés, energia das ondas, energia da diferença de temperatura, energia das correntes oceânicas e energia da diferença de sal e assim por diante. Com a crescente escassez de energia no mundo, as pessoas estarão mais interessadas no desenvolvimento e utilização da energia oceânica. Projetos de geração de energia termelétrica e maremotriz têm sido pesquisados ​​e desenvolvidos. O princípio da geração de energia termoelétrica é usar a água do mar com alta temperatura na superfície do oceano para vaporizar amônia ou freon para acionar a turbina para girar e gerar eletricidade e, em seguida, usar a água do mar de baixa temperatura nas profundezas do oceano para resfriar a amônia vaporizada ou freon para formar um sistema de motor térmico de ciclo contínuo. Os principais equipamentos para geração de energia termoelétrica são evaporadores, condensadores, tubos de sucção de água do mar, loops, etc., que exigem não apenas resistência à corrosão, mas também resistência à corrosão por amônia e flúor. O titânio e suas ligas não só apresentam boa resistência à corrosão pela água do mar, como também são resistentes à corrosão por amônia e flúor, portanto o titânio é o material mais ideal. Evaporadores e condensadores de tubo de titânio têm sido usados ​​em usinas termelétricas nos Estados Unidos e no Japão, e bons resultados foram alcançados.

(3) Perspectivas

Sendo um mercado civil emergente de titânio, a engenharia naval desenvolveu-se rapidamente nos últimos anos. Com o agravamento da crise energética mundial, todos os países do mundo investirão muitos recursos humanos e materiais para explorar os recursos petrolíferos dos fundos marinhos e outros recursos minerais; na tendência de escassez global de água doce, todos os países costeiros utilizarão a água do mar para produzir água doce; A competição cada vez mais acirrada entre equipamentos navais de diversas potências militares é inseparável do titânio e dos materiais de liga de titânio. Portanto, a aplicação do titânio e suas ligas na engenharia naval se tornará cada vez mais extensa. Espera-se que o titânio para engenharia naval se torne um mercado de aplicação maior para materiais de titânio.