海工用管系材料的现状和趋势

周环球

摘 要：近几年，海洋工程中，铜合金和钛合金是管系材料中应用最多的材料。双相不锈钢也开始在海洋工程中应用起来，属于刚刚起步阶段船舶动力装置中热交换器、海水淡化器、冷凝器、冷却器等制造这些设备时，大程度的使用钛合金。铜合金在海洋工程的热交换用管和管道装置用管广泛使用。双相不锈钢材料具有较强的抗海水腐蚀性能，已经开始应用到了海洋工程中来。

关键词：海洋工程；关系材料；现状；趋势

一、舰船用管系材料发展现状及特点

1.1铜合金

铜及铜合金具有良好的耐腐蚀性、高的换热系数和优良的机械性能、焊接性能、抑制海洋微生物附着等特性，被广泛应用于海洋工程的热交换用管和管系管道装置用管。根据水流速度的不同，民用船舶长期运行的取水系统，一般使用M3C铜管、MHЖ5-1铜合金管（相当于我国BFe5-1-1白铜管），而阀门、泵、热交换器则使用铜合金。在船舶运行条件下，铜合金管道和设备不能保证所需的统一寿命，在船体 25年服役期限内只有105h（约 11.5年）的使用寿命。尤其是铜合金管道，经过6～8年使用，就会因为抗水流冲刷腐蚀性能差而出现大面积损坏现象；特别是在分流系统的工作条件下，这些部位以及三通、弯头等所谓的“薄弱”部位中的实际水流速度大大超过计算流速，这种情况迫使人们加厚管道的管壁、擴大管道的直径，从而增大了金属用量及系统造价。

传统的铜管生产工艺因诸多弊端而难以适应现代市场对铜管的需求，一些新技术的应用为铜管生产注入了新的活力。连续挤压技术以其材料利用率高、成品率高、生产率高、投资少等一系列高效、节能优点而成为铜管生产的理想工艺，并将给铜材加工行业带来一场技术革命。使用游动芯头拉伸定位，通过外表面带有螺旋沟槽的芯头与行星式圆球滚动旋轧生产内螺旋线管的方法，可以快速、连续地加工出薄壁内螺旋线管。水平连铸和行星轧制技术是一种短流程的高效生产技术，可以实现Bl0和B30铜管的水平连铸、行星轧制和直接拉拔。计算机模拟技术、专家数据库及优化技术和生产质量信息管理技术也在铜管铸轧工艺设计和生产中得到了应用，进行了铜及铜合金管坯水平电磁连续铸造技术研究。自蔓延高温合成技术与离心铸造技术结合开发出的陶瓷内衬复合铜管技术，可在铜管内表面涂敷耐磨性和耐蚀性优良的陶瓷涂层。

1.2钛合金

与铜镍合金相比，金属钛具有质量轻、强度大、比强度高等许多优良特性。钛冷凝管与B30冷凝管相比，密度降低近 1/2，因此采用钛材可使冷凝器的质量大幅度减小。船舶制造业将钛合金用于海中取水系统特别有效。军舰使用BT1-0、ПT-7M、3M、ПT-3B等钛合金管道和设备的经验表明，钛合金材料无论是在机械强度方面，还是在耐海水腐蚀方面都有很高的可靠性。钛合金产品研究与使用经验证明，钛合金管道、阀门、泵、热交换器等产品的腐蚀寿命不小于1.2×105h，服役期限不少于 40年。因此，当全部使用钛材制造舰船取水系统时，可显著延长系统寿命并提高使用可靠性。日本神钢公司197年在一台五万机组的冷凝器上用焊接钛管进行工业性试用后，焊接钛管代替无缝钛管在冷凝器上普遍推广使用。新日铁公司 1983年开始供应民用钛材，包括冷凝器焊接钛管钛板。我国1984年也开始供应无缝钛冷凝器管，装机使用多年性能良好，1986年开始供应焊接钛管，但价格都要比国外供应的高。

钛管成形加工技术包括一次压扁成形工艺、胀管、密封焊接、钛合金无缝T型管件液压胀形。液压胀形技术是制造T型管件较为先进的生产方法，其最大的优点是可成形其它工艺无法成形的薄壁T型管件 ；同时，采用液压胀形法由等直径、等壁厚的无缝管材成形同规格的T型管件，与以往采用热拔或插焊工艺生产的同类产品相比，不仅材料利用率高、表面质量优良、成品率高，而且主管向支管分流处变为弧形光滑过渡，避免了管路因局部腐蚀而过早失效现象。另外，旋压技术是一项非常有前途的无余量和近无余量精密特种制备技术，采用旋压技术制造钛及其合金结构件是降低钛合金使用成本的有效途径之一。

二、舰船用管系材料的未来发展趋势

2.1铜合金

世界海洋工程大型化、高度自给自救和造船业的大吨位、核动力化发展，对其相关配套材料提出了更高要求。高耐蚀、高效换热、大口径、高精度，体现了当今海洋工程用铜合金管发展的主要趋势。海洋工程和大吨位舰船的建设，要求配套更高精度和更大口径的耐蚀管道装置用管，以提高一次传输量和排水量，同时还要以高的尺寸精度保证管道装配的高密封性。据了解，目前德国、韩国等国家的大口径船及采油平台等用无缝白铜排水管的最大直径已达到520mm以上。

大约有近 20种铜及铜合金在舰船上得到应用，且用量有逐渐增加的趋势。在一般军用和商用船上，铜及铜合金的用量可占到舰船自重的2%～3%。其中，铜合金类冷凝管在目前中国造船工业中的用量最大，每年约为6万t。但是，海水用管材有高合金不锈钢、铜镍合金、镍-铬-钼合金、钛合金，其中，六钼高合金不锈钢和铜镍合金是最激烈的竞争者。六钼高合金不锈钢强度高，在高速海水、污染海水（特别是硫化物）中的耐海水腐蚀性能都很好，价格比镍-铬-钼合金和钛合金便宜，与铜镍合金相当，是最引人注目的钢种。因此，近几年来随着冶金技术的提高，造船工业采用的铜合金管正在被不锈钢管替代。

2.2 钛合金

船舶管路材料在向多元化发展，双相金属材料、复合材料、合金材料等都不断地得到使用。钛合金机械性能高、耐腐蚀性好，所能带来的直接好处就是可以减小管道壁厚的腐蚀设计余量，在水流量保持不变的情况下可通过增大水流速度来缩小管道直径。当全部使用钛材制造舰船取水系统时，可显著延长系统寿命并提高使用可靠性。但是，为了达到这一目的，还需要制作钛及钛合金的各种设备、零部件和元器件，设计并制造适合船舶使用的、具有更高使用性能指标的其他钛设备（包括钛泵、钛阀），解决钛合金设备与其他材质设备一起使用时出现的接触腐蚀问题。

因海水腐蚀，美国海军每年需要更换舰船上热交换器用的铜镍合金管约 97km。若用钛合金制造该管，不仅可延长使用寿命，还可以大量节省维修和维护费用。实践也证明，钛合金管系材料是一种经过长期海洋考验的理想船用材料，是潜艇一回路、二回路系统及声纳导流罩等设备的理想用材。钛合金在舰船上应用具有明显的社会效益和经济效益，值得进一步应用推广，以利于我国海军装备建设事业的发展。

三、结束语

随着我国经济社会的发展，材料科学技术也在不断进步，尤其是在前沿领域的材料科学技术有了惊人的发展。近些年来，我国材料技术由以往的经验性科学转变为现在的实验性科学。对此，我们应该牢牢把握机会，对材料科学技术的新成果进行利用，为我国材料行业的发展作出贡献。

参考文献：

[1]张雅楠.海洋工程材料腐蚀监测与防护技术[J].科技创新与应用，2016（29）