وضعیت کاربرد و چشم انداز آلیاژهای تیتانیوم در مهندسی اقیانوس

(1. مقدمه

اقیانوس که حدود 71 درصد از مساحت زمین را تشکیل می دهد، دارای منابع فراوانی است. این یکی از مسیرهای تلاش مردم برای توسعه و استفاده از اقیانوس و تبدیل اقیانوس به منبع ثروت عظیم ما شده است. با این حال، آب دریا به دلیل محتوای نمک آن تقریباً 3.5 درصد خورنده است. علاوه بر این، برخی از آلودگی های زیستی در اقیانوس ها نیز خوردگی آب دریا را تسریع می کند.

تیتانیوم ماده ای با خواص فیزیکی عالی و خواص شیمیایی پایدار است. تیتانیوم و آلیاژهای آن دارای استحکام بالا، وزن مخصوص کوچک و مقاوم در برابر خوردگی آب دریا و خوردگی اتمسفر دریا هستند که به خوبی می تواند نیازهای کاربردهای مردم در مهندسی دریا را برآورده کند. پس از سال ها تلاش سخت توسط افراد در صنعت تیتانیوم و محققان کاربرد مهندسی اقیانوس، تیتانیوم به طور گسترده در زمینه های توسعه نفت و گاز دریایی، ساخت بندر دریایی، نیروگاه های برق ساحلی، نمک زدایی آب دریا، کشتی ها، شیلات دریایی و انرژی حرارتی دریایی استفاده شده است. تبدیل. اکنون، تیتانیوم برای مهندسی دریایی به یکی از زمینه های اصلی کاربرد عمرانی تیتانیوم تبدیل شده است.

(II) وضعیت درخواست

2.1 توسعه نفت و گاز فراساحلی

نفت مایه حیات اقتصاد یک کشور است. تخمین زده می شود که ذخایر نفت قابل استحصال جهان 300 میلیارد تن است که ذخایر نفت بستر دریا حدود 130 میلیارد تن است. توسعه نفت زیردریایی در اوایل قرن بیستم آغاز شد. توسعه آن از طریق فراساحل به دریای دور، از دریای کم عمق تا دریای عمیق طی شده است. محدود به شرایط فنی و توسعه مواد، در ابتدا تنها ذخایر نفت و گاز طبیعی که مستقیماً از ساحل تا دریای کم عمق گسترش می‌یابند قابل بهره‌برداری بودند. از دهه 1980، با تحریک بحران انرژی و پیشرفت تکنولوژی، اکتشاف و توسعه نفت در دریا به سرعت توسعه یافته است و توسعه نفت دریایی به سرعت به سمت فلات قاره پیش رفته است و به تدریج بخش جدیدی از صنعت نفت فراساحلی را تشکیل می دهد. سکوی حفاری دریایی، پایگاه کاری برای اکتشاف و بهره برداری از نفت و گاز زیر دریا است و سطح فناوری توسعه نفت و گاز زیر دریا را نشان می دهد. تجهیزات تولید نفت فراساحلی عمدتاً شامل سکوهای تولید نفت و تجهیزات کمکی مانند کولرهای نفت خام، رایزرهای نفت، پمپ ها، شیرها، اتصالات و وسایل است. این دستگاه ها با سولفید، آمونیاک، کلر و سایر رسانه های موجود در آب دریا و نفت خام در تماس هستند. به دلیل مقاومت عالی در برابر خوردگی تیتانیوم در این رسانه ها، ایالات متحده در اوایل دهه 1970 از ستون های سکوی نفتی فراساحلی ساخته شده از تیتانیوم در میادین نفتی خود استفاده کرد و از تیتانیوم برای ساخت مبدل های حرارتی لوله ای و مبدل های حرارتی صفحه ای استفاده کرد. بخاری. مبدل حرارتی پوسته و لوله تیتانیوم از آب دریا به عنوان یک محیط خنک کننده برای خنک کردن مخلوط بخار/روغن با دمای بالا که از چاه نفت پمپ می شود استفاده می کند. مبدل حرارتی صفحه تیتانیوم نیز از آب دریا به عنوان یک محیط خنک کننده برای خنک کردن آب شیرین که نفت خام موجود در مبدل حرارتی فولاد کربنی را خنک می کند، استفاده می کند. ایالات متحده از حدود 100 مبدل حرارتی تیتانیوم در سکوهای نفتی در دریای شمال استفاده می کند. گفته می‌شود که قطعه تیتانیوم سفارش‌شده توسط Hunting Oilfield Services در آبردین، اسکاتلند، بریتانیا، اولین شفت بالابر فشار قوی تیتانیوم برای پروژه Heidrum شرکت Conoco در نروژ است.

لوله حفاری تیتانیوم با آلیاژ تیتانیوم نفت عمر مفید بالایی دارد، وزن آن فقط نصف فولاد ضد زنگ است، اما انعطاف پذیری استفاده از آن دو برابر فولاد ضد زنگ است و عمر مفید آن 10 برابر فولاد است. این ویژگی‌های عالی، تیتانیوم را به ماده‌ای عالی برای حفاری چاه‌های نزدیک دایره‌ای و عمیق تبدیل می‌کند. ابزارهای حفاری ترکیبی از جمله لوله های مته تیتانیوم می توانند زمان حفاری را تا حد زیادی کاهش دهند و هزینه های کلی حفاری را کاهش دهند. در سال 2000، GrantPrideco، RTI Energy Systems و Torch Drilling Services در ایالات متحده برای اولین بار از لوله های مته تیتانیوم برای کاربردهای صنعتی استفاده کردند. لوله مته تیتانیوم، تولید و عرضه شده توسط GrantPrideco و RTI Energy Systems، دارای اتصالات ابزار فولادی GrantPrideco Anti-Fatigue نیز می باشد. اتصالات از نظر وزن سبک، انعطاف پذیر در استفاده هستند و لوله های مته تیتانیوم را محکم و محکم می کنند.

سیستم خط لوله آب دریا بخشی ضروری از بهره برداری نفت زیر دریا است. از آنجایی که تیتانیوم در برابر خوردگی مقاومت بالایی در برابر آب دریا دارد، عمر مفید آن 10 برابر سیستم فولادی است. بنابراین، هزینه سیستم خط لوله تیتانیوم در مقایسه با سیستم Cu-Ni مقرون به صرفه است. از. Active Metals of America و Precision Tube Technology به طور مشترک یک شرکت فناوری لوله تیتانیوم را برای تولید یک لوله آلیاژ تیتانیوم با قطر بزرگ تأسیس کرده اند. آلیاژ استفاده شده در این لوله آلیاژ Ti-3Al-2.5 ولت، قطر 650 میلی متر، ضخامت دیواره 22-25 میلی متر و طول آن 350 متر است. شرکت دیگری در ایالات متحده از لوله‌های آلیاژ تیتانیوم بدون درز با طول 15 متر، قطر بیرونی 600 میلی‌متر و ضخامت دیواره 25 میلی‌متر برای ساخت یک لوله رایزر به طول نزدیک به 500 متر با اکستروژن استفاده کرد که در سکوی حفاری دریایی استفاده شده است. گفته می شود که وزن لوله رایزر را می توان به نصف کاهش داد، که می تواند هزینه بالاست را تا حد زیادی کاهش دهد، علاوه بر این، دارای چقرمگی شکست بالا و عمر خستگی طولانی است.

بر اساس گزارشات، در پروژه توسعه میدان نفتی دریای شمال در ایالات متحده، میزان تیتانیوم استفاده شده در دستگاه بدنه شناور کشتی و دستگاه ثابت در بستر دریا نسبت به قبلی افزایش یافته است. تقاضا برای مواد تیتانیوم برای 24 دستگاه بدنه شناور و 64 دستگاه ثابت زیر دریا عبارت است از: 50-100t برای دستگاه های حفاظت ایمنی، 50-100t برای دستگاه های اتصال، 400-1000t برای تجهیزات بالابر عمومی، و 1400-4200t برای لوله های حفاری. خوردگی قطعات ساختاری ناشی از رسوب بیولوژیکی سکوهای اکتشاف نفت در دریا بسیار جدی است. یک شرکت در ایالات متحده از پوشش های بلند ساخته شده از لوله های تیتانیوم بر روی سکوهای استخراج برای محافظت از قطعات روی سکو استفاده می کند.

در چند سال گذشته افزایش قابل توجهی در استفاده از اجزای آلیاژ تیتانیوم در حفاری نفت و عملیات تولید دریایی مشاهده شده است. اجزای آلیاژ تیتانیوم به حفاری نفت اجازه می دهد تا به آب های عمیق تر و چاه های عمیق تر، از جمله دماهای بالاتر و محیط های تولید بسیار خورنده (یعنی شور) دسترسی پیدا کند.

برای این نوع کاربرد، آلیاژ مبتنی بر میله تیتانیوم TC4 (Ti-6Al{-4V) مناسب ترین و کمترین هزینه از نظر عملکرد جامع است. سیستم خط لوله آب دریا بخشی ضروری از بهره برداری نفت زیر دریا است. از آنجایی که تیتانیوم در برابر خوردگی مقاومت بالایی در برابر آب دریا دارد، عمر مفید آن 10 برابر سیستم فولادی است. بنابراین، هزینه سیستم خط لوله تیتانیوم مقرون به صرفه تر از سیستم Cu-Ni است. از. Active Metals of America و Precision Tube Technology به طور مشترک یک شرکت فناوری لوله تیتانیوم را برای تولید یک لوله آلیاژ تیتانیوم با قطر بزرگ تأسیس کرده اند. آلیاژ مورد استفاده برای این لوله آلیاژ TA18 (Ti-3Al-2.5V) با قطر 650 میلی متر، ضخامت دیواره 22-25 میلی متر، طول 350 متر و یک لوله با وزن 80-90t، که قرار است برای اکتشاف نفت زیر دریا استفاده شود. شرکت دیگری در ایالات متحده از لوله‌های آلیاژ تیتانیوم بدون درز با طول 15 متر، قطر بیرونی 600 میلی‌متر و ضخامت دیواره 25 میلی‌متر برای ساخت یک لوله رایزر به طول نزدیک به 500 متر با اکستروژن استفاده کرد که در سکوی حفاری دریایی استفاده شده است. گفته می شود که وزن لوله رایزر را می توان به نصف کاهش داد، که می تواند هزینه بالاست را تا حد زیادی کاهش دهد، علاوه بر این، دارای چقرمگی شکست بالا و عمر خستگی طولانی است.

تمرین ثابت کرده است که آلیاژ Ti-6Al-4V (Gr.5_TC4) بهترین ماده برای حفاری لوله است. به عنوان کاربردهای حفاری، استحکام تسلیم و استحکام خستگی مهم ترین هستند. بنابراین، دو آلیاژ Gr.5 با عناصر بینابینی پایین برای دستگاه‌های بالابر دینامیکی مهم‌تر مناسب هستند. هنگامی که دمای عملیاتی بیش از 75 تا 80 درجه باشد، به منظور جلوگیری از خوردگی شکاف یا خوردگی تنشی، از آلیاژ Gr29 حاوی روتنیم استفاده می شود.

متداول ترین اجزای مورد استفاده شامل بالابرهای حفاری دریایی، لوله های حفاری، اتصالات تنش مخروطی (TSJs) و بالابرهای هیبریدی تیتانیوم/فولاد است.

قطعات تیتانیوم کوچک مانند پمپ های تیتانیوم، شیرها، اتصالات، اتصال دهنده ها، گیره ها و قطعات یدکی به طور گسترده در سکوهای حفاری نفت استفاده می شود. آلیاژهای تیتانیوم نیز به طور گسترده در پوسته ابزارهای ثبت اکتشاف نفت در خارج از کشور استفاده می شود.

2.2 ساختمان های بندر

تیتانیوم دارای یک لایه اکسیدی با ضخامت بیش از 10 نانومتر بر روی سطح است. در محیط های خورنده بسیار پایدار است و در برابر هوا، آب دریا و محیط های دریایی مقاومت بسیار خوبی در برابر خوردگی دارد. در حال حاضر مناسب ترین ماده اولیه برای محیط های مختلف دریایی است. ژاپن به شدت توسعه دریایی را انجام داده است، مانند پل هونسو به شیکوکو، پل روی خلیج توکیو، فرودگاه کانسای و پایگاه ذخیره نفت شناور. آزمایش نوردهی انجام شده توسط وزارت ساخت و ساز و باشگاه آهن و فولاد ژاپن در سطح اقیانوس رودخانه اویگاوا و گزارش های تحقیقاتی آزمایش های مختلف قرار گرفتن در معرض ضد خوردگی انجام شده توسط وزارت حمل و نقل و انجمن شمع لوله های فولادی بر روی شناور بوزاکی پایه شنی نیز نشان داد که تیتانیوم مناسب ترین ماده است. علاوه بر خواص ضد خوردگی عالی، تیتانیوم دارای مزایای بسیار کمی یون های محلول در محیط آب دریا، عدم سمیت و عدم نگرانی در مورد آلودگی محیط زیست است. ژاپن همچنین یک ساختار دریایی شناور فوق العاده بزرگ ساخته است که از مواد کامپوزیت تیتانیوم-فولاد در آبشستگی آب دریا استفاده می کند. در ساخت بزرگراه سراسری خلیج توکیو، از مواد تیتانیوم به عنوان بالاتنه ضد پاشش پایه های پل استفاده شده است و مواد کامپوزیت تیتانیوم-فولاد هر پایه پل به میزان 0.9 تن می باشد. سازه‌های بزرگ دریایی شناور که قبلاً مورد استفاده قرار گرفته یا برنامه‌ریزی شده‌اند شامل فرودگاه‌ها، پایگاه‌های لجستیکی بندر، امکانات ورزشی و غیره می‌شوند.

2.3 نیروگاه های برق ساحلی

بهره برداری همه جانبه از آب دریا یکی از پروژه های مهم در مهندسی دریا است. کندانسور نیروگاه ساحلی دستگاهی است که از مقدار زیادی آب دریا استفاده می کند. تیتانیوم مورد استفاده در نیروگاه های ساحلی عمدتاً تیتانیوم مورد استفاده در کندانسورها است. از آنجایی که کندانسور از آب دریا به عنوان آب خنک کننده استفاده می کند و آب دریا حاوی مقدار زیادی ماسه گل، مواد معلق، موجودات دریایی و مواد خورنده مختلف است، وضعیت در آب نمک شیرین که آب دریا و آب رودخانه متناوب می شوند، جدی تر است. کندانسورهای سنتی از لوله های آلیاژ مس استفاده می کنند که اغلب به دلیل خوردگی های مختلف در آب دریا به شدت آسیب می بینند. تیتانیوم مقاومت خوبی در برابر خوردگی در آب دریا به خصوص آب دریاهای آلوده دارد و مقاومت در برابر خوردگی با سرعت بالا در برابر خوردگی آن بسیار برجسته است.

2.4 دستگاه نمک زدایی آب دریا

"آب منبع حیات است". در حال حاضر، کمبود آب به مشکلی در جهان تبدیل شده است. حدود 25 درصد از جمعیت جهان منابع آب آشامیدنی کافی ندارند. رودخانه های زمینی و منابع آب زیرزمینی جهان با نیازهای توسعه صنعتی فاصله زیادی دارند. بنابراین نمک زدایی آب دریا روشی موثر برای انسان در حل منابع آب شیرین در آینده خواهد بود.

از منظر توسعه نمک زدایی آب دریا در داخل و خارج از کشور، عمدتاً دو روش تقطیر و اسمز معکوس وجود دارد. اولی گرم کردن آب دریا برای تبخیر آن و سپس متراکم کردن بخار برای به دست آوردن آب شیرین است. دومی برای تحت فشار قرار دادن آب دریا است، به طوری که آب شیرین موجود در آن از یک غشاء خاص عبور می کند و نمک را برای به دست آوردن آب شیرین نگه می دارد. دستگاه‌های نمک‌زدایی اولیه آب دریا از آلیاژهای مس، فولاد کربن و مواد دیگر استفاده می‌کردند. از آنجایی که این مواد در برابر خوردگی آب دریا مقاوم نیستند و راندمان تولید پایینی دارند، به سرعت با تیتانیوم با مقاومت عالی در برابر خوردگی آب دریا جایگزین شدند. در نمک زدایی آب دریا، کاربرد اصلی تیتانیوم، لوله انتقال حرارت هیتر کارخانه آب شیرین کن است. تولید کنندگان عمده کارخانه های آب شیرین کن ایالات متحده و ژاپن هستند. تا سال 2004، بیش از 15،000 کارخانه آب شیرین کن در جهان ساخته یا در دست ساخت بود که تولید روزانه آنها حدود 32 میلیون تن آب شیرین بود. شرکت ژاپنی 10 واحد تقطیر برای عربستان سعودی با تولید روزانه 30،000 تن آب شیرین، با استفاده از 3200 تن لوله تیتانیوم، و متوسط ​​تولید روزانه 10،000 تن ساخته است. 107 تن تیتانیوم.

تیانجین، شاندونگ و جاهای دیگر کشور من کارخانه‌های نمک‌زدایی آب دریا ساخته یا در حال ساخت هستند. به عنوان مثال، برنامه اولیه برای نمک زدایی آب دریا در تیانجین تولید 500،{1}} تن آب شیرین در روز تا سال 2007 و 700،000 تن تا سال 2010 است. تخمین زده می شود که حدود 250 تن تیتانیوم در پروژه های نمک زدایی آب دریا در تیانجین و شاندونگ استفاده خواهد شد.

2.5 کشتی

تیتانیوم و آلیاژهای آن در برابر خوردگی در آب دریا و اتمسفر دریایی مقاوم هستند و به دلیل وزن مخصوص سبک، استحکام بالا، مقاومت در برابر ضربه، غیر مغناطیسی، انتقال صدا و ضریب انبساط کم، مواد خوبی برای کشتی محسوب می شوند. در سال های اخیر کاربرد تیتانیوم در کشتی ها توجه زیادی را به خود جلب کرده است. نیروی دریایی و صنایع کشتی سازی کشورهای مختلف نیز به کاربرد تیتانیوم در کشتی ها اهمیت زیادی می دهند و درجات زیادی از آلیاژهای تیتانیوم دریایی را توسعه داده اند. تیتانیوم و آلیاژهای آن به طور گسترده در کشتی‌ها استفاده می‌شود، مانند ساختارهای بدنه، کشتی‌های بررسی اعماق دریا و بدنه فشار زیردریایی، لوله‌ها، شیرها، سکان‌ها، براکت‌های شفت، لوازم جانبی، پروانه‌ها و رانشگرها در محرکه‌های قدرت، شفت‌ها، مبدل‌های حرارتی، خنک‌کننده‌ها، بدنه کفن های سونار و موارد دیگر.

اولین کاربرد تیتانیوم بر روی بدنه یک کشتی، زیردریایی کلاس آلفا اتحاد جماهیر شوروی سابق بود. پس از آن، تیتانیوم در تحقیقات مصنوعی یا بدون سرنشین در اعماق دریا و زیردریایی های کمکی در اعماق دریا استفاده شد. تیتانیوم خالص صنعتی برای قطعات ساختاری عمومی و آلیاژ Ti{3}}Al-4V برای مخازن تحت فشار استفاده می شود. بر اساس گزارش ها، استفاده از تیتانیوم در ساختار بدنه نه تنها می تواند وزن بدنه را کاهش دهد، وزن بار موثر را افزایش دهد، بلکه باعث کاهش تعمیر و نگهداری و افزایش طول عمر کشتی می شود. آلیاژ آلومینیوم، فولاد نرم و سایر مواد ساختاری بدنه عموماً در عرض 10 سال نیاز به تعمیر و نگهداری دارند، در حالی که مواد تیتانیوم به سختی نیاز به تعمیر و نگهداری و تعمیر دارند و طول عمر آنها را می توان از 20 سال معمول به 30 تا 40 سال افزایش داد.

تحقیقات ژاپن در مورد آلیاژهای تیتانیوم برای کشتی های بررسی اعماق دریا مثمر ثمر بوده است. تقریباً تمام محفظه های فشار «Deep-Sea 6500» که می توانند 3 اپراتور را در خود جای دهند از آلیاژهای تیتانیوم استفاده می کنند. این نتیجه تلاش های طولانی مدت در کشتی سازی کوبه صنایع سنگین میتسوبیشی است. زیردریایی ها از مقدار زیادی تیتانیوم استفاده می کنند. به عنوان مثال، یک زیردریایی هسته ای با عمق غواصی 900 متر از 3500 تن تیتانیوم استفاده می کند.

2.6 ماهیگیری دریایی

بر اساس گزارش ها، صنعت شیلات ژاپن از ماهیگیری به پرورش ماهی تبدیل شده و شیرماهی، ماهی دست و پا، مارماهی و... به صورت مصنوعی پرورش داده شده است. در فناوری پرورش مصنوعی، مش فلزی تیتانیوم و مبدل حرارتی لوله تیتانیوم برای حفظ دمای معین آب دریا به طور گسترده ای استفاده می شود. کشت مصنوعی هامور در مناطق ساحلی فوجیان در کشور من محقق شده است و سبد کشت از نوع صفحه تیتانیوم استفاده شده مزایای بسیار خوبی برای فرهنگ هامور به ارمغان آورده است.

2.7 تبدیل انرژی گرمایی اقیانوس

انرژی عظیمی در اقیانوس وجود دارد، مانند انرژی جزر و مد، انرژی موج، انرژی اختلاف دما، انرژی جریان اقیانوس و انرژی اختلاف نمک و غیره. با کمبود روزافزون انرژی در جهان، مردم علاقه بیشتری به توسعه و استفاده از انرژی اقیانوس خواهند داشت. پروژه های تولید برق ترموالکتریک و جزر و مدی مورد تحقیق و توسعه قرار گرفته اند. اصل تولید برق ترموالکتریک این است که از آب دریا با دمای بالا در سطح اقیانوس برای تبخیر آمونیاک یا فریون برای به حرکت درآوردن توربین برای چرخش و تولید برق استفاده شود و سپس از آب دریا با دمای پایین در اعماق اقیانوس برای خنک کردن آمونیاک تبخیر شده استفاده شود. یا فریون برای تشکیل یک سیستم موتور حرارتی سیکل پیوسته.

تجهیزات اصلی برای تولید برق ترموالکتریک اواپراتورها، کندانسورها، لوله های مکش آب دریا، حلقه ها و غیره هستند که نه تنها به مقاومت در برابر خوردگی، بلکه به مقاومت در برابر خوردگی آمونیاک و فلوئور نیز نیاز دارند. تیتانیوم و آلیاژهای آن نه تنها در برابر خوردگی آب دریا مقاومت خوبی دارند، بلکه در برابر خوردگی توسط آمونیاک و فلوئور نیز مقاوم هستند، بنابراین تیتانیوم ایده آل ترین ماده است.

اواپراتورها و کندانسورهای لوله تیتانیوم در نیروگاه های ترموالکتریک در ایالات متحده و ژاپن استفاده می شود و نتایج خوبی حاصل شده است.

(iii) چشم انداز

به عنوان یک بازار مدنی در حال ظهور تیتانیوم، مهندسی دریایی در سال های اخیر به سرعت توسعه یافته است. با تشدید بیشتر بحران انرژی جهان، همه کشورهای جهان نیروی انسانی و منابع مادی زیادی را برای بهره برداری از منابع نفتی بستر دریا و سایر منابع معدنی سرمایه گذاری خواهند کرد. در روند کمبود جهانی آب شیرین، همه کشورهای ساحلی از آب دریا برای تولید آب شیرین استفاده خواهند کرد. رقابت شدید فزاینده تجهیزات دریایی قدرت های مختلف نظامی از تیتانیوم و مواد آلیاژ تیتانیوم جدایی ناپذیر است. بنابراین، کاربرد تیتانیوم و آلیاژهای آن در مهندسی دریا روز به روز گسترده تر خواهد شد. انتظار می رود که تیتانیوم برای مهندسی دریایی به بازار کاربردی بزرگتری برای مواد تیتانیوم تبدیل شود.

برای اطلاعات بیشتر با ما تماس بگیرید. متشکرم

نیکول

شرکت: Baoji Jimiyun Dynamic Co., Ltd

کشور: چین

اضافه کردن: جاده بائوتی، جینتای، شهر بائوجی، شانشی، چین

Cel: به علاوه 86 13369210920

جیمیل:nicole@jmyunti.com

وب سایت: www.jm-titanium.com