海工用管系材料的現狀和趨勢

周環球

摘 要：近幾年，海洋工程中，銅合金和鈦合金是管系材料中應用最多的材料。雙相不銹鋼也開始在海洋工程中應用起來，屬于剛剛起步階段船舶動力裝置中熱交換器、海水淡化器、冷凝器、冷卻器等制造這些設備時，大程度的使用鈦合金。銅合金在海洋工程的熱交換用管和管道裝置用管廣泛使用。雙相不銹鋼材料具有較強的抗海水腐蝕性能，已經開始應用到了海洋工程中來。

關鍵詞：海洋工程；關系材料；現狀；趨勢

一、艦船用管系材料發展現狀及特點

1.1銅合金

銅及銅合金具有良好的耐腐蝕性、高的換熱系數和優良的機械性能、焊接性能、抑制海洋微生物附著等特性，被廣泛應用于海洋工程的熱交換用管和管系管道裝置用管。根據水流速度的不同，民用船舶長期運行的取水系統，一般使用M3C銅管、MHЖ5-1銅合金管（相當于我國BFe5-1-1白銅管），而閥門、泵、熱交換器則使用銅合金。在船舶運行條件下，銅合金管道和設備不能保證所需的統一壽命，在船體 25年服役期限內只有105h（約 11.5年）的使用壽命。尤其是銅合金管道，經過6～8年使用，就會因為抗水流沖刷腐蝕性能差而出現大面積損壞現象；特別是在分流系統的工作條件下，這些部位以及三通、彎頭等所謂的“薄弱”部位中的實際水流速度大大超過計算流速，這種情況迫使人們加厚管道的管壁、擴大管道的直徑，從而增大了金屬用量及系統造價。

傳統的銅管生產工藝因諸多弊端而難以適應現代市場對銅管的需求，一些新技術的應用為銅管生產注入了新的活力。連續擠壓技術以其材料利用率高、成品率高、生產率高、投資少等一系列高效、節能優點而成為銅管生產的理想工藝，并將給銅材加工行業帶來一場技術革命。使用游動芯頭拉伸定位，通過外表面帶有螺旋溝槽的芯頭與行星式圓球滾動旋軋生產內螺旋線管的方法，可以快速、連續地加工出薄壁內螺旋線管。水平連鑄和行星軋制技術是一種短流程的高效生產技術，可以實現Bl0和B30銅管的水平連鑄、行星軋制和直接拉拔。計算機模擬技術、專家數據庫及優化技術和生產質量信息管理技術也在銅管鑄軋工藝設計和生產中得到了應用，進行了銅及銅合金管坯水平電磁連續鑄造技術研究。自蔓延高溫合成技術與離心鑄造技術結合開發出的陶瓷內襯復合銅管技術，可在銅管內表面涂敷耐磨性和耐蝕性優良的陶瓷涂層。

1.2鈦合金

與銅鎳合金相比，金屬鈦具有質量輕、強度大、比強度高等許多優良特性。鈦冷凝管與B30冷凝管相比，密度降低近 1/2，因此采用鈦材可使冷凝器的質量大幅度減小。船舶制造業將鈦合金用于海中取水系統特別有效。軍艦使用BT1-0、ПT-7M、3M、ПT-3B等鈦合金管道和設備的經驗表明，鈦合金材料無論是在機械強度方面，還是在耐海水腐蝕方面都有很高的可靠性。鈦合金產品研究與使用經驗證明，鈦合金管道、閥門、泵、熱交換器等產品的腐蝕壽命不小于1.2×105h，服役期限不少于 40年。因此，當全部使用鈦材制造艦船取水系統時，可顯著延長系統壽命并提高使用可靠性。日本神鋼公司197年在一臺五萬機組的冷凝器上用焊接鈦管進行工業性試用后，焊接鈦管代替無縫鈦管在冷凝器上普遍推廣使用。新日鐵公司 1983年開始供應民用鈦材，包括冷凝器焊接鈦管鈦板。我國1984年也開始供應無縫鈦冷凝器管，裝機使用多年性能良好，1986年開始供應焊接鈦管，但價格都要比國外供應的高。

鈦管成形加工技術包括一次壓扁成形工藝、脹管、密封焊接、鈦合金無縫T型管件液壓脹形。液壓脹形技術是制造T型管件較為先進的生產方法，其最大的優點是可成形其它工藝無法成形的薄壁T型管件 ；同時，采用液壓脹形法由等直徑、等壁厚的無縫管材成形同規格的T型管件，與以往采用熱拔或插焊工藝生產的同類產品相比，不僅材料利用率高、表面質量優良、成品率高，而且主管向支管分流處變為弧形光滑過渡，避免了管路因局部腐蝕而過早失效現象。另外，旋壓技術是一項非常有前途的無余量和近無余量精密特種制備技術，采用旋壓技術制造鈦及其合金結構件是降低鈦合金使用成本的有效途徑之一。

二、艦船用管系材料的未來發展趨勢

2.1銅合金

世界海洋工程大型化、高度自給自救和造船業的大噸位、核動力化發展，對其相關配套材料提出了更高要求。高耐蝕、高效換熱、大口徑、高精度，體現了當今海洋工程用銅合金管發展的主要趨勢。海洋工程和大噸位艦船的建設，要求配套更高精度和更大口徑的耐蝕管道裝置用管，以提高一次傳輸量和排水量，同時還要以高的尺寸精度保證管道裝配的高密封性。據了解，目前德國、韓國等國家的大口徑船及采油平臺等用無縫白銅排水管的最大直徑已達到520mm以上。

大約有近 20種銅及銅合金在艦船上得到應用，且用量有逐漸增加的趨勢。在一般軍用和商用船上，銅及銅合金的用量可占到艦船自重的2%～3%。其中，銅合金類冷凝管在目前中國造船工業中的用量最大，每年約為6萬t。但是，海水用管材有高合金不銹鋼、銅鎳合金、鎳-鉻-鉬合金、鈦合金，其中，六鉬高合金不銹鋼和銅鎳合金是最激烈的競爭者。六鉬高合金不銹鋼強度高，在高速海水、污染海水（特別是硫化物）中的耐海水腐蝕性能都很好，價格比鎳-鉻-鉬合金和鈦合金便宜，與銅鎳合金相當，是最引人注目的鋼種。因此，近幾年來隨著冶金技術的提高，造船工業采用的銅合金管正在被不銹鋼管替代。

2.2 鈦合金

船舶管路材料在向多元化發展，雙相金屬材料、復合材料、合金材料等都不斷地得到使用。鈦合金機械性能高、耐腐蝕性好，所能帶來的直接好處就是可以減小管道壁厚的腐蝕設計余量，在水流量保持不變的情況下可通過增大水流速度來縮小管道直徑。當全部使用鈦材制造艦船取水系統時，可顯著延長系統壽命并提高使用可靠性。但是，為了達到這一目的，還需要制作鈦及鈦合金的各種設備、零部件和元器件，設計并制造適合船舶使用的、具有更高使用性能指標的其他鈦設備（包括鈦泵、鈦閥），解決鈦合金設備與其他材質設備一起使用時出現的接觸腐蝕問題。

因海水腐蝕，美國海軍每年需要更換艦船上熱交換器用的銅鎳合金管約 97km。若用鈦合金制造該管，不僅可延長使用壽命，還可以大量節省維修和維護費用。實踐也證明，鈦合金管系材料是一種經過長期海洋考驗的理想船用材料，是潛艇一回路、二回路系統及聲納導流罩等設備的理想用材。鈦合金在艦船上應用具有明顯的社會效益和經濟效益，值得進一步應用推廣，以利于我國海軍裝備建設事業的發展。

三、結束語

隨著我國經濟社會的發展，材料科學技術也在不斷進步，尤其是在前沿領域的材料科學技術有了驚人的發展。近些年來，我國材料技術由以往的經驗性科學轉變為現在的實驗性科學。對此，我們應該牢牢把握機會，對材料科學技術的新成果進行利用，為我國材料行業的發展作出貢獻。

參考文獻：

[1]張雅楠.海洋工程材料腐蝕監測與防護技術[J].科技創新與應用，2016（29）