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钛应用 | 钛管在海洋工业中的广泛应用,为海水淡化和造船工业带来新机遇!

2023-07-07 10:53:44 来源:中冶有色技术平台
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简介:钛抗海水腐蚀的能力比其它所有金属都好,无论是在静止的或高速流动的海水中钛都具有特殊的稳定性。因此,钛是海水淡化装置的理想材料。钛在这个领域的应用数量将越来越大。钛抗海水和海洋空气腐蚀能力很强, 而且强度大,重量轻,是造船工业的理想结构材料,已广泛应用在各种舰艇、深水潜艇的许多部件中。
钛抗海水腐蚀的能力比其它所有金属都好,无论是在静止的或高速流动的海水中钛都具有特殊的稳定性。因此,钛是海水淡化装置的理想材料。钛在这个领域的应用数量将越来越大。钛抗海水和海洋空气腐蚀能力很强, 而且强度大,重量轻,是造船工业的理想结构材料,已广泛应用在各种舰艇、深水潜艇的许多部件中。

目前海水淡化已遍及全世界60多个国家和地区,全球有海水淡化厂600万多座,海水淡化日产量约3500万吨左右,并且以每年10%以上的速度在增加。海水淡化已经成为解决缺水问题最佳方法之一。目前全球主流的海水淡化方法主要有多级闪蒸法(MSF)、低温多效蒸馏法(LT-MED)和反渗透膜法(RO)三种。三种方法各有优缺点,适用的条件和范围也不同。我国主要是应用LT-MED和RO两种方法,未来几年当时中国将有多个海水淡化项目启动。未来3-5年海水淡化将有很大发展空间。

取决于现今技术对于海水淡化大规模应用已具备成本优势,相比较南水北调来说吨水成本更低,国家出台一系列鼓励政策,未来10年海水淡化规模将是现在的5倍。海水淡化设备用钛合金取代铜合金是未来趋势。钛材多方位的优势决定了未来在海水淡化管领域的广泛应用空间,预计未来十年,中国海水淡化钛管需求量约为9500-23520吨,全球约为140.63-281.25万吨。虽然国内初步测算需求量并不大,但国内需求只占国际需求总量的1.6%,可以说整体发展空间非常巨大。

钛管用于海水淡化的主要特性

1.密度小,比强度(强度/比重)高

金属钛的密度为4.51g/cm3,高于铝而低于钢、铜、镍。但比强度位于金属之首,是不锈钢的3倍,是铝合金的1.3倍;

2.耐腐蚀性能好

钛是一种非常活泼的金属,其平衡电位很低,在介质中的热力学腐蚀倾向大。但实际上钛在许多介质中很稳定,如钛在氧化性、中性和弱还原性等介质中是耐腐蚀的。这是因为钛和氧有很大的亲和力,在空气中或含氧的介质中,钛表面生成一层致密的、附着力强、惰性大的氧化膜,保护了钛基体不被腐蚀。即使由于机械磨损也会很快自愈或重新再生。这表明了钛是具有强烈钝化倾向的金属。介质温度在 315℃以下钛的氧化膜始终保持这一特性。

3.换热性能好

金属钛的导热系数虽然比碳钢和铜低,但由于钛优异的耐腐蚀性能,所以壁厚可以大大减薄,而且表面与蒸汽的换热方式为滴状冷凝,减少了热组,太表面不结垢也可减少热阻,使钛的换热性能显著提高。

4.耐热性能好

新型钛合金可在 600℃或更高的温度下长期使用。

5.化工耐低温性能好

钛合金TA7(Ti-5Al-2.5Sn),TC4(Ti-6Al-4V)和Ti-2.5Zr-1.5Mo 等为代表的低温钛合金,其强度随温度的降低而提高,但塑性变化却不大。

6.抗拉强度与其屈服强度

这一性能说明了其屈强比(抗拉强度/屈服强度)高,表示了金属钛材料在成形时塑性变形差。由于钛的屈服极限与弹性模量的比值大,使钛成型时的回弹能力大。

钛管用于海水淡化的优点

海水淡化设备中钛管将逐渐替代原来的铜合金管,两者相比,钛管具有以下优点:

1.钛管的用材少。同样作业条件下,钛管的壁厚更薄,管材用量更少。一般,铜合金管等壁厚为0.9mm-1.2mm;用钛管代替,在腐蚀性小的地方,可用壁厚为0.5mm的薄壁管。

2.钛管的导热性好。钛热导率为17W/(m·k),铝黄铜的为lOOW/(m·k),70/30白铜的为29W/(m·k),钛的热导率最小。但使用薄壁钛管,导热性虽然比铝黄铜差,但与90/10白铜相当,比70/30白铜的要好。

3.钛管的性价比更高。钛管价格可与铜合金管抗衡,由于钛的密度低,壁厚相同时,同等长度的钛管质量只是铜合金管的50%,当钛管壁厚为铜合金管的50%时,相同传热面积的钛管质量仅为铜合金管的1/4。可见,钛管在价格方面是有竞争力的。

4.钛管的使用寿命更长。由于海水常混有泥沙、海生物,它们在传热管内及管端附着,会侵蚀铜合金管,铜合金还会受海水中Br-的腐蚀。而钛管就不会出现这种问题,特别是为了杀死海水中的细菌,不得不注入氧时,更需使用耐蚀性好的钛管。

国外钛材的开发和应用

海水淡化设备中钛管将逐渐替代原来的铜合金管,两者相比,钛管具有以下优点:

1.钛管的用材少。同样作业条件下,钛管的壁厚更薄,管材用量更少。一般,铜合金管等壁厚为0.9mm-1.2mm;用钛管代替,在腐蚀性小的地方,可用壁厚为0.5mm的薄壁管。

2.钛管的导热性好。钛热导率为17W/(m·k),铝黄铜的为lOOW/(m·k),70/30白铜的为29W/(m·k),钛的热导率最小。但使用薄壁钛管,导热性虽然比铝黄铜差,但与90/10白铜相当,比70/30白铜的要好。

3.钛管的性价比更高。钛管价格可与铜合金管抗衡,由于钛的密度低,壁厚相同时,同等长度的钛管质量只是铜合金管的50%,当钛管壁厚为铜合金管的50%时,相同传热面积的钛管质量仅为铜合金管的1/4。可见,钛管在价格方面是有竞争力的。

4.钛管的使用寿命更长。由于海水常混有泥沙、海生物,它们在传热管内及管端附着,会侵蚀铜合金管,铜合金还会受海水中Br-的腐蚀。而钛管就不会出现这种问题,特别是为了杀死海水中的细菌,不得不注入氧时,更需使用耐蚀性好的钛管。

国外钛材的开发和应用

日立,三菱及东芝生产的电站冷凝器,使用了厚0.5mm的钛焊管,三菱、川崎、日立,三井以及神户制钢等公司生产的海水淡化装置,使用了厚0.5mm-0.7mm的钛焊管。到1983年,在16年的时间里,日本生产了用于世界各地海水淡化设备的薄壁钛焊管4038t,至今未发生因海水腐蚀而损坏的现象。

(1)通风凝结器和喷射压气机

日本真正的海水淡化设备是1967年由松岛碳矿株式会社建成的2650t/d海水淡化设备。该装置的通风凝结器及喷射压气机的传热管和管板,由于受海水中Br-的腐蚀,不能用铜合金,换用钛后,没发生过因腐蚀导致的故障。

(2)热放出部冷凝器

多级闪蒸冷凝器是将海水作冷却水,冷却各级闪速室产生的水蒸气,由于海水常混有泥沙、海生物,它们在传热管内及管端附着,侵蚀铜合金管。因此,现在几乎所有的MSF型海水淡化设备的传热冷凝器上都使用了钛管。特别是为了杀死海水中的细菌,不得不注入氧时,更需使用耐蚀性好的钛管。

(3)热回收部冷凝器

热回收部冷凝器传热面积较大,由于经济原因,现通常使用铜合金管,仅在特殊场合使用钛管,如含有氨或硫化氢等污染物的介质对铜合金的腐蚀剧烈。1977年,向德国出口的3600t/d的MSF型淡化装置,由于它是氨的附属设备,不能用铜合金,而采用了钛;由于硫化氧的腐蚀,秘鲁的 3120t/dMSP型淡化设备,使用1年后铝黄铜管就发生了腐蚀,最后将全部传热管换成了钛管。

据报道,日产百吨的海水淡化装置用钛管达6万根。从1967年至1994年,在近30年的时间里,共生产了52套原于能级火力发电用冷凝器和7套海水淡化设备,共计使用钛焊管11000t。

国内相关上市公司

国内涉及钛管或者海水淡化钛管的上市公司:

攀钢钒钛(钛资源储量全国最大,生产钛材和钛精矿),未来受益于钛需求的大幅放量和钛材的投产;

久立特材(17.50,-0.30,-1.69%)(海水淡化钛管1000吨),受益于海水淡化钛管的逐步应用;

宝钛股份(25.53,-0.26,-1.01%)(钛材龙头),钛材和钛管综合实力领先,受益于行业未来的快速发展。

造船工业

随着社会的发展,人类对自然资源的需求越大,开发与应用海洋资源愈来愈受到重视,有人说,21世纪是海洋开发的世纪。

开发海洋需要各种装备,而任何装备功能的实现依赖于材料技术。钛材具有适应于海洋环境的特性,如耐蚀性、无磁性、高的综合力学性能和机械加工性等,是一种天然的海洋装备结构材料。钛材的这些特性,给研发新的船舶产品、海洋工程机械和装置提供了重要的材料技术平台,因此从上世纪50年代末开始,钛材在船舶和海洋工程中的应用,不仅领域逐步拓宽,而且用量也随之增大。

中国船舶行业随着科学技术的发展,经长期应用研究,已形成船用钛合金材料技术体系。在本行业中使用钛材冶金半成品主要有各种不同规格的板材、锻件、铸件、丝材和管材,其中板材用量最大,约占70%以上,锻件次之,约为15%,铸件12%,其余是丝材和管材。要保证船舶和海洋工程装备的建造质量,各类不同规格钛材的各向同性、组织形态和晶粒大小适中、板材生产、弯曲、冲压成型、焊接,锻件与铸件的制备,制造工艺技术是关键,此外,国内船用钛合金研发经验还表明,一种新的钛合金材料用于船舶制品,必须进行大型结构模拟的验证性试验,以考察其使用性,建立相应的实验技术。

船用钛材由于应用领域范围广泛,除要求耐海洋环境腐蚀的共性外,其它研究重点则是:①高性能(较高强度、抗冲击韧性、抗疲劳性)、高功能(高透声性),且适应使用环境工况;②材料建造工艺适应性、使用安全可靠性;③品种/规格系列化、材料的配套性(如相应的焊丝材料)、实用性;低成本。船舶及海洋工程是靠它的性能和质量,更要看它的价格是否可以接受,低成本是当前船用钛合金材料及制造工艺研究的重要目标,国内外对钛合金低成本研究相当活跃。

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