本文由中國有色金屬協會鈦業分會友情提供。該文章對大口徑鈦合金管材在海洋工程中的應用進行了闡述。鈦合金的優異特點使其擁有廣泛的應用前景，未來在海洋工程裝備、海洋油氣田勘探開發、艦船等領域中會有更多的應用；對大口徑鈦合金無縫管的生產工藝、產品特點、市場應用情況進行了對比分析，并對推進大口徑鈦合金無縫管的工程化產業化應用方面進行了展望。
近年來，我國實施了大量海洋艦艇、海洋石油鉆井平臺、海水淡化、人工島礁建設等重大工程，對上述領域中大型裝備使用的各類高強耐蝕金屬管材的需求呈大幅增長趨勢。由于金屬管材需要在復雜惡劣海洋環境（強腐蝕、臺風、強對流、高溫、高壓、生物附著）中應用，對其耐蝕性能有極高要求，鈦及鈦合金具有髙強韌性、無磁、低密度及優異的耐蝕性能等獨特優勢，成為上述領域大型裝備中最為理想的材料。大量使用經驗證實，低合金鋼管路系統使用壽命為1?2年，Cu/Ni管路系統使用壽命也僅有6?8年，遠達不到海水管路設計壽命要求。鈦具有高強、高韌性、比強度高、質輕、無磁、耐海水腐蝕和海洋大氣腐蝕等特點，鈦及鈦合金管道的腐蝕壽命大于12萬小時，服役期限60年以上，在惡劣的海洋工況條件下，鈦合金材料的全壽命是其他金屬材料無法比擬的，在裝備壽命結束之后無害化回收。因此，是海洋裝備的最佳選材。
海洋裝備的特點
①海洋裝備屬大型金屬建筑物，體形噸位大，投資費用高，破壞損失大。
②系統結構復雜、功能齊全，工況條件復雜惡劣，對可靠性要求高，建造技術難度大。
③材料延壽對保障海洋裝備和結構物完整性、可靠性和安全性，促進資源保護和可持續發展具有重要的意義。
④提高海洋裝備性能主要涉及提高耐腐蝕性、輕量化、高強高韌材料應用、可靠性和全壽命周期產品經濟性。
鈦合金管材的優勢
鈦合金具有熔點高、密度小、強度大、耐腐蝕、超導、形狀記憶和儲氫等一系列重要特性，廣泛應用于航空、航天、艦船、核電、醫療、化工、冶金、電子、體育休閑、建筑等領域，被人們譽為“第三金屬”、“空中金屬”和“海洋金屬”。管材用于氣態、液態介質的傳輸通道，是國民經濟各領域的基礎性產品，鈦合金管材由于其本身的質輕、耐腐蝕性能好的優異特點，在航空發動機、航天飛行器、石油輸送管路、化工設備、海洋環境施工及海上各種作業平臺等有著廣泛的應用，諸如沿海電站、海上油氣開采輸送、海水淡化、海洋化工生產、制堿制鹽、石油精煉設備等，前景十分廣闊。
推廣應用鈦材料是船舶與海洋工程裝備最重要的技術發展方向之一。鈦合金管材已被發達國家廣泛應用于船舶與海洋工程裝備中，大量采用鈦材，使其裝備的安全可靠性能得以提高，設備體積減小，質量減輕，設備破損事故和維修保養次數明顯減少，極大延長了使用壽命。
鈦合金管材加工性能特點
鈦合金室溫塑性較低，變形抗力大，但其在α+β兩相區和β相區具有良好的塑性和較低的變形抗力，因此，鈦合金材料的成型制造或各種型材制備（板、棒、管等）均需加熱至相變點附近進行。
由于鈦合金在高溫下易于與氧、氮、碳等發生化學反應且易于吸氫，導致鈦合金變形性能急劇下降并影響材料的服役性能，加之鈦合金導熱系數低，大型坯料加熱時，往往會導致截面溫差大，極易導致變形過程開裂；此外，鈦合金變形區溫度范圍較窄，且對應變速率較為敏感，一般須在較低速率下變形；同時，由于變形后冷卻速度直接影響其室溫平衡態組織和構件的服役性能，因此，變形過程中應保持變形溫度的恒定或采取措施降低其溫降的速率以使其具有足夠的塑性。
我國大口徑鈦合金管材制備技術分析
傳統的鈦合金無縫管生產工藝為擠壓穿孔、斜軋穿孔+多道次冷軋、鉆鏜孔工藝。目前，國內利用傳統工藝可以制備小規格鈦合金管材，并在航空、航天、船舶以及石油化工領域應用，有力支撐了武器裝備和國民經濟的發展。
（1）傳統鉆鏜孔、擠壓工藝：鉆鏜孔加工是直接利用鈦合金棒材經鉆鏜加工，無需加熱工序及壓延成型，材料利用率極低，一般不足50%，因此，綜合成本很高。同時，不適合加工長徑比較大以及薄壁管材。
擠壓成型技術可獲得較大的變形量，晶粒細小，毛管壁厚均勻度控制較難。擠壓成型通常采用玻璃粉潤滑或包銅套潤滑，玻璃粉潤滑擠壓鈦合金管工藝在我國尚不成熟，在擠壓后段潤滑效果不理想，極易造成模具和擠壓管材的表面嚴重損傷，制造成本高，生產效率和產品質量低；包銅套潤滑效果較好，可以得到較好的鈦合金管表面質量，但包銅套材料消耗較大，去除附著在鈦合金管表面的包銅套耗酸比較多，容易造成環境污染。
（2）傳統穿孔（曼式）+冷軋工藝：冷軋工序繁多，生產效率極低，需要進行多道次軋制，道次變形小，道次間退火能耗高，且酸洗污染環境。該工藝只適合軋制純鈦和變形抗力低的合金管材，不能軋制高強度的鈦合金管（如：TC4）。該工藝成材率在75%左右。
隨著我國高端裝備的發展，對大規格鈦合金管材有著明確的需求，鑫鵬源智能裝備集團有限公司集多年無縫管技術研發和生產實踐，突破了高耐蝕鈦及鈦合金管材制造技術難題，獨創了海水管路系統用大口徑鈦合金管材制造技術集成，采用鋼—鈦結合生產模式、縮短工藝流程，提高成材率和生產效率，形成具有自主知識產權的研究成果。其中《海水管路系統用大口徑鈦及鈦合金管材制造技術集成》由中國有色工業協會組織的專家組評審，專家組長由原中國工程院副院長干勇院士擔任，著名航空鈦合金專家曹春曉院士任副組長。專家組成員還有北京有色金屬研究院張國成院士，西北有色金屬研究院副院長顏學柏教授，有色工業協會原秘書長馬世光教授。專家組成是有色工業協會歷年來級別最高的一次。經過近5個小時的資料評審和答辯，專家們一致認為成果為顛覆性創新，開創了大口徑鈦管材軋制的先河，最終評定成果達到了世界領先水平。
針對鈦合金材料的特性，通過控制開軋溫度、總直徑壓下率、橢圓度系數、變形速率、頂前壓下率及孔腔控制等工藝參數，保障全工藝過程的穩定進行，內外表面質量、尺寸精度及各項性能指標完全滿足工藝要求。該制備技術具有以下優點：
①該技術針對鈦合金變形抗力大的特點，通過對斜軋穿孔機、多功能軋機和雙系列微張力減徑機等設備的創新性提升，增加主電機軋制力，通過一次環形爐加熱，在穿孔、熱軋、定徑、矯正工序間采用智能溫控系統和快速移送裝置，最大限度降低坯料的溫降速率以保證其具有足夠的塑性，適應鈦合金變形溫度范圍窄的特點。
②該工藝特別適用于大口徑鈦合金管材軋制成型，外徑規格達到φ530mm，壁厚涵蓋5-36mm，產品長度可達12米以上。相對于擠壓+冷軋工藝和鉆鏜孔加工工藝，其加工成本降低50%以上；相對于傳統鉆鏜孔加工，鈦合金管材利用率提高40%以上；相對于傳統擠壓成型工藝，生產效率成倍提高。實現了高效率、低成本，攻克了鈦合金兩輥斜軋壓延成型生產大口徑鈦合金管材的技術瓶頸，基于工藝的先進性和技術的成熟性，成材率最高可達95%。
大口徑鈦合金管材的應用及發展前景
目前，國內艦船裝備用鈦主要包括: 潛艇的主冷凝器、鈦合金魚雷發射水缸、核動力壓水堆一回路系統危急冷卻器、聲納導流罩、鈦合金螺旋槳、柴油機排煙管道及通海管路系統、相關管路及泵閥系統、深潛器耐壓殼體及輔助系統。其中海水管路典型規格：φ308x4mm，φ285x5mm；艦船主海水配管系統：φ12.7~304.8mm。
由于鈦及鈦合金的密度低、耐腐蝕、強度高，可以大大降低設備的重量，所以盡管從單價上講，鈦及鈦合金會貴一些，但設備的總體重量降低后，鈦及鈦合金一次性投入反而不會過高于其它材料，甚至于會低于其它材料。鈦及鈦合金管應用前景巨大，隨著高效、短流程、低成本生產技術的成熟和推廣，許多銅及銅合金管應用的領域都能被鈦及鈦合金管替代。
①船舶制造方面，艦船及大型油輪用的管材是銅合金管應用重要領域。艦船用銅合金管主要有BFe30-1-1、BFe10-1-1白銅管和HAl77-2鋁黃銅管。由于在海上接觸介質多為海水，所以要求管材具有優異的耐海水腐蝕能力和較高的力學性能、工藝性能。海洋工程熱交換裝置運用銅及銅合金管，如其他船用熱交換管主要包括：柴油發動機和發電機以及其他輔助系統等的冷油器、水冷卻器和給水加熱器等的傳熱管，該類產品規格各異。
②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用及采油平臺等無縫白銅排水管的最大直徑已達到φ520mm以上。
隨著我國海洋強國戰略的逐步深化，在海工裝備、海洋油氣田勘探開發、艦船等領域，大口徑高強高耐蝕的無縫管管材需求不斷增加。大口徑鈦合金無縫管的規模化生產和高效、短流程、低成本制備技術的產業化推廣應用將進一步滿足市場對鈦及鈦合金產品的低成本化需求。同時，目前鈦產業集中度不高，各生產廠商應積極與國家標準的制定和設計單位、高等院校，下游用戶及其他相關配套裝備生產企業精誠合作建立國家級鈦技術經濟網絡服務平臺，形成合力，共同推動鈦合金的市場開發，并爭取國家給予政策和金融支持，進一步推動鈦合金管材的更廣泛應用。
（作者系鑫鵬源智能裝備集團有限公司）
近年來，我國實施了大量海洋艦艇、海洋石油鉆井平臺、海水淡化、人工島礁建設等重大工程，對上述領域中大型裝備使用的各類高強耐蝕金屬管材的需求呈大幅增長趨勢。由于金屬管材需要在復雜惡劣海洋環境（強腐蝕、臺風、強對流、高溫、高壓、生物附著）中應用，對其耐蝕性能有極高要求，鈦及鈦合金具有髙強韌性、無磁、低密度及優異的耐蝕性能等獨特優勢，成為上述領域大型裝備中最為理想的材料。大量使用經驗證實，低合金鋼管路系統使用壽命為1?2年，Cu/Ni管路系統使用壽命也僅有6?8年，遠達不到海水管路設計壽命要求。鈦具有高強、高韌性、比強度高、質輕、無磁、耐海水腐蝕和海洋大氣腐蝕等特點，鈦及鈦合金管道的腐蝕壽命大于12萬小時，服役期限60年以上，在惡劣的海洋工況條件下，鈦合金材料的全壽命是其他金屬材料無法比擬的，在裝備壽命結束之后無害化回收。因此，是海洋裝備的最佳選材。
海洋裝備的特點
①海洋裝備屬大型金屬建筑物，體形噸位大，投資費用高，破壞損失大。
②系統結構復雜、功能齊全，工況條件復雜惡劣，對可靠性要求高，建造技術難度大。
③材料延壽對保障海洋裝備和結構物完整性、可靠性和安全性，促進資源保護和可持續發展具有重要的意義。
④提高海洋裝備性能主要涉及提高耐腐蝕性、輕量化、高強高韌材料應用、可靠性和全壽命周期產品經濟性。
鈦合金管材的優勢
鈦合金具有熔點高、密度小、強度大、耐腐蝕、超導、形狀記憶和儲氫等一系列重要特性，廣泛應用于航空、航天、艦船、核電、醫療、化工、冶金、電子、體育休閑、建筑等領域，被人們譽為“第三金屬”、“空中金屬”和“海洋金屬”。管材用于氣態、液態介質的傳輸通道，是國民經濟各領域的基礎性產品，鈦合金管材由于其本身的質輕、耐腐蝕性能好的優異特點，在航空發動機、航天飛行器、石油輸送管路、化工設備、海洋環境施工及海上各種作業平臺等有著廣泛的應用，諸如沿海電站、海上油氣開采輸送、海水淡化、海洋化工生產、制堿制鹽、石油精煉設備等，前景十分廣闊。
推廣應用鈦材料是船舶與海洋工程裝備最重要的技術發展方向之一。鈦合金管材已被發達國家廣泛應用于船舶與海洋工程裝備中，大量采用鈦材，使其裝備的安全可靠性能得以提高，設備體積減小，質量減輕，設備破損事故和維修保養次數明顯減少，極大延長了使用壽命。
鈦合金管材加工性能特點
鈦合金室溫塑性較低，變形抗力大，但其在α+β兩相區和β相區具有良好的塑性和較低的變形抗力，因此，鈦合金材料的成型制造或各種型材制備（板、棒、管等）均需加熱至相變點附近進行。
由于鈦合金在高溫下易于與氧、氮、碳等發生化學反應且易于吸氫，導致鈦合金變形性能急劇下降并影響材料的服役性能，加之鈦合金導熱系數低，大型坯料加熱時，往往會導致截面溫差大，極易導致變形過程開裂；此外，鈦合金變形區溫度范圍較窄，且對應變速率較為敏感，一般須在較低速率下變形；同時，由于變形后冷卻速度直接影響其室溫平衡態組織和構件的服役性能，因此，變形過程中應保持變形溫度的恒定或采取措施降低其溫降的速率以使其具有足夠的塑性。
我國大口徑鈦合金管材制備技術分析
傳統的鈦合金無縫管生產工藝為擠壓穿孔、斜軋穿孔+多道次冷軋、鉆鏜孔工藝。目前，國內利用傳統工藝可以制備小規格鈦合金管材，并在航空、航天、船舶以及石油化工領域應用，有力支撐了武器裝備和國民經濟的發展。
（1）傳統鉆鏜孔、擠壓工藝：鉆鏜孔加工是直接利用鈦合金棒材經鉆鏜加工，無需加熱工序及壓延成型，材料利用率極低，一般不足50%，因此，綜合成本很高。同時，不適合加工長徑比較大以及薄壁管材。
擠壓成型技術可獲得較大的變形量，晶粒細小，毛管壁厚均勻度控制較難。擠壓成型通常采用玻璃粉潤滑或包銅套潤滑，玻璃粉潤滑擠壓鈦合金管工藝在我國尚不成熟，在擠壓后段潤滑效果不理想，極易造成模具和擠壓管材的表面嚴重損傷，制造成本高，生產效率和產品質量低；包銅套潤滑效果較好，可以得到較好的鈦合金管表面質量，但包銅套材料消耗較大，去除附著在鈦合金管表面的包銅套耗酸比較多，容易造成環境污染。
（2）傳統穿孔（曼式）+冷軋工藝：冷軋工序繁多，生產效率極低，需要進行多道次軋制，道次變形小，道次間退火能耗高，且酸洗污染環境。該工藝只適合軋制純鈦和變形抗力低的合金管材，不能軋制高強度的鈦合金管（如：TC4）。該工藝成材率在75%左右。
隨著我國高端裝備的發展，對大規格鈦合金管材有著明確的需求，鑫鵬源智能裝備集團有限公司集多年無縫管技術研發和生產實踐，突破了高耐蝕鈦及鈦合金管材制造技術難題，獨創了海水管路系統用大口徑鈦合金管材制造技術集成，采用鋼—鈦結合生產模式、縮短工藝流程，提高成材率和生產效率，形成具有自主知識產權的研究成果。其中《海水管路系統用大口徑鈦及鈦合金管材制造技術集成》由中國有色工業協會組織的專家組評審，專家組長由原中國工程院副院長干勇院士擔任，著名航空鈦合金專家曹春曉院士任副組長。專家組成員還有北京有色金屬研究院張國成院士，西北有色金屬研究院副院長顏學柏教授，有色工業協會原秘書長馬世光教授。專家組成是有色工業協會歷年來級別最高的一次。經過近5個小時的資料評審和答辯，專家們一致認為成果為顛覆性創新，開創了大口徑鈦管材軋制的先河，最終評定成果達到了世界領先水平。
針對鈦合金材料的特性，通過控制開軋溫度、總直徑壓下率、橢圓度系數、變形速率、頂前壓下率及孔腔控制等工藝參數，保障全工藝過程的穩定進行，內外表面質量、尺寸精度及各項性能指標完全滿足工藝要求。該制備技術具有以下優點：
①該技術針對鈦合金變形抗力大的特點，通過對斜軋穿孔機、多功能軋機和雙系列微張力減徑機等設備的創新性提升，增加主電機軋制力，通過一次環形爐加熱，在穿孔、熱軋、定徑、矯正工序間采用智能溫控系統和快速移送裝置，最大限度降低坯料的溫降速率以保證其具有足夠的塑性，適應鈦合金變形溫度范圍窄的特點。
②該工藝特別適用于大口徑鈦合金管材軋制成型，外徑規格達到φ530mm，壁厚涵蓋5-36mm，產品長度可達12米以上。相對于擠壓+冷軋工藝和鉆鏜孔加工工藝，其加工成本降低50%以上；相對于傳統鉆鏜孔加工，鈦合金管材利用率提高40%以上；相對于傳統擠壓成型工藝，生產效率成倍提高。實現了高效率、低成本，攻克了鈦合金兩輥斜軋壓延成型生產大口徑鈦合金管材的技術瓶頸，基于工藝的先進性和技術的成熟性，成材率最高可達95%。
大口徑鈦合金管材的應用及發展前景
目前，國內艦船裝備用鈦主要包括: 潛艇的主冷凝器、鈦合金魚雷發射水缸、核動力壓水堆一回路系統危急冷卻器、聲納導流罩、鈦合金螺旋槳、柴油機排煙管道及通海管路系統、相關管路及泵閥系統、深潛器耐壓殼體及輔助系統。其中海水管路典型規格：φ308x4mm，φ285x5mm；艦船主海水配管系統：φ12.7~304.8mm。
由于鈦及鈦合金的密度低、耐腐蝕、強度高，可以大大降低設備的重量，所以盡管從單價上講，鈦及鈦合金會貴一些，但設備的總體重量降低后，鈦及鈦合金一次性投入反而不會過高于其它材料，甚至于會低于其它材料。鈦及鈦合金管應用前景巨大，隨著高效、短流程、低成本生產技術的成熟和推廣，許多銅及銅合金管應用的領域都能被鈦及鈦合金管替代。
①船舶制造方面，艦船及大型油輪用的管材是銅合金管應用重要領域。艦船用銅合金管主要有BFe30-1-1、BFe10-1-1白銅管和HAl77-2鋁黃銅管。由于在海上接觸介質多為海水，所以要求管材具有優異的耐海水腐蝕能力和較高的力學性能、工藝性能。海洋工程熱交換裝置運用銅及銅合金管，如其他船用熱交換管主要包括：柴油發動機和發電機以及其他輔助系統等的冷油器、水冷卻器和給水加熱器等的傳熱管，該類產品規格各異。
②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用及采油平臺等無縫白銅排水管的最大直徑已達到φ520mm以上。
隨著我國海洋強國戰略的逐步深化，在海工裝備、海洋油氣田勘探開發、艦船等領域，大口徑高強高耐蝕的無縫管管材需求不斷增加。大口徑鈦合金無縫管的規模化生產和高效、短流程、低成本制備技術的產業化推廣應用將進一步滿足市場對鈦及鈦合金產品的低成本化需求。同時，目前鈦產業集中度不高，各生產廠商應積極與國家標準的制定和設計單位、高等院校，下游用戶及其他相關配套裝備生產企業精誠合作建立國家級鈦技術經濟網絡服務平臺，形成合力，共同推動鈦合金的市場開發，并爭取國家給予政策和金融支持，進一步推動鈦合金管材的更廣泛應用。
（作者系鑫鵬源智能裝備集團有限公司）