本文由中国有色金属协会钛业分会友情提供。该文章对大口径钛合金管材在海洋工程中的应用进行了阐述。钛合金的优异特点使其拥有广泛的应用前景，未来在海洋工程装备、海洋油气田勘探开发、舰船等领域中会有更多的应用；对大口径钛合金无缝管的生产工艺、产品特点、市场应用情况进行了对比分析，并对推进大口径钛合金无缝管的工程化产业化应用方面进行了展望。
近年来，我国实施了大量海洋舰艇、海洋石油钻井平台、海水淡化、人工岛礁建设等重大工程，对上述领域中大型装备使用的各类高强耐蚀金属管材的需求呈大幅增长趋势。由于金属管材需要在复杂恶劣海洋环境（强腐蚀、台风、强对流、高温、高压、生物附着）中应用，对其耐蚀性能有极高要求，钛及钛合金具有髙强韧性、无磁、低密度及优异的耐蚀性能等独特优势，成为上述领域大型装备中最为理想的材料。大量使用经验证实，低合金钢管路系统使用寿命为1〜2年，Cu/Ni管路系统使用寿命也仅有6〜8年，远达不到海水管路设计寿命要求。钛具有高强、高韧性、比强度高、质轻、无磁、耐海水腐蚀和海洋大气腐蚀等特点，钛及钛合金管道的腐蚀寿命大于12万小时，服役期限60年以上，在恶劣的海洋工况条件下，钛合金材料的全寿命是其他金属材料无法比拟的，在装备寿命结束之后无害化回收。因此，是海洋装备的最佳选材。
海洋装备的特点
①海洋装备属大型金属建筑物，体形吨位大，投资费用高，破坏损失大。
②系统结构复杂、功能齐全，工况条件复杂恶劣，对可靠性要求高，建造技术难度大。
③材料延寿对保障海洋装备和结构物完整性、可靠性和安全性，促进资源保护和可持续发展具有重要的意义。
④提高海洋装备性能主要涉及提高耐腐蚀性、轻量化、高强高韧材料应用、可靠性和全寿命周期产品经济性。
钛合金管材的优势
钛合金具有熔点高、密度小、强度大、耐腐蚀、超导、形状记忆和储氢等一系列重要特性，广泛应用于航空、航天、舰船、核电、医疗、化工、冶金、电子、体育休闲、建筑等领域，被人们誉为“第三金属”、“空中金属”和“海洋金属”。管材用于气态、液态介质的传输通道，是国民经济各领域的基础性产品，钛合金管材由于其本身的质轻、耐腐蚀性能好的优异特点，在航空发动机、航天飞行器、石油输送管路、化工设备、海洋环境施工及海上各种作业平台等有着广泛的应用，诸如沿海电站、海上油气开采输送、海水淡化、海洋化工生产、制碱制盐、石油精炼设备等，前景十分广阔。
推广应用钛材料是船舶与海洋工程装备最重要的技术发展方向之一。钛合金管材已被发达国家广泛应用于船舶与海洋工程装备中，大量采用钛材，使其装备的安全可靠性能得以提高，设备体积减小，质量减轻，设备破损事故和维修保养次数明显减少，极大延长了使用寿命。
钛合金管材加工性能特点
钛合金室温塑性较低，变形抗力大，但其在α+β两相区和β相区具有良好的塑性和较低的变形抗力，因此，钛合金材料的成型制造或各种型材制备（板、棒、管等）均需加热至相变点附近进行。
由于钛合金在高温下易于与氧、氮、碳等发生化学反应且易于吸氢，导致钛合金变形性能急剧下降并影响材料的服役性能，加之钛合金导热系数低，大型坯料加热时，往往会导致截面温差大，极易导致变形过程开裂；此外，钛合金变形区温度范围较窄，且对应变速率较为敏感，一般须在较低速率下变形；同时，由于变形后冷却速度直接影响其室温平衡态组织和构件的服役性能，因此，变形过程中应保持变形温度的恒定或采取措施降低其温降的速率以使其具有足够的塑性。
我国大口径钛合金管材制备技术分析
传统的钛合金无缝管生产工艺为挤压穿孔、斜轧穿孔+多道次冷轧、钻镗孔工艺。目前，国内利用传统工艺可以制备小规格钛合金管材，并在航空、航天、船舶以及石油化工领域应用，有力支撑了武器装备和国民经济的发展。
（1）传统钻镗孔、挤压工艺：钻镗孔加工是直接利用钛合金棒材经钻镗加工，无需加热工序及压延成型，材料利用率极低，一般不足50%，因此，综合成本很高。同时，不适合加工长径比较大以及薄壁管材。
挤压成型技术可获得较大的变形量，晶粒细小，毛管壁厚均匀度控制较难。挤压成型通常采用玻璃粉润滑或包铜套润滑，玻璃粉润滑挤压钛合金管工艺在我国尚不成熟，在挤压后段润滑效果不理想，极易造成模具和挤压管材的表面严重损伤，制造成本高，生产效率和产品质量低；包铜套润滑效果较好，可以得到较好的钛合金管表面质量，但包铜套材料消耗较大，去除附着在钛合金管表面的包铜套耗酸比较多，容易造成环境污染。
（2）传统穿孔（曼式）+冷轧工艺：冷轧工序繁多，生产效率极低，需要进行多道次轧制，道次变形小，道次间退火能耗高，且酸洗污染环境。该工艺只适合轧制纯钛和变形抗力低的合金管材，不能轧制高强度的钛合金管（如：TC4）。该工艺成材率在75%左右。
随着我国高端装备的发展，对大规格钛合金管材有着明确的需求，鑫鹏源智能装备集团有限公司集多年无缝管技术研发和生产实践，突破了高耐蚀钛及钛合金管材制造技术难题，独创了海水管路系统用大口径钛合金管材制造技术集成，采用钢—钛结合生产模式、缩短工艺流程，提高成材率和生产效率，形成具有自主知识产权的研究成果。其中《海水管路系统用大口径钛及钛合金管材制造技术集成》由中国有色工业协会组织的专家组评审，专家组长由原中国工程院副院长干勇院士担任，著名航空钛合金专家曹春晓院士任副组长。专家组成员还有北京有色金属研究院张国成院士，西北有色金属研究院副院长颜学柏教授，有色工业协会原秘书长马世光教授。专家组成是有色工业协会历年来级别最高的一次。经过近5个小时的资料评审和答辩，专家们一致认为成果为颠覆性创新，开创了大口径钛管材轧制的先河，最终评定成果达到了世界领先水平。
针对钛合金材料的特性，通过控制开轧温度、总直径压下率、椭圆度系数、变形速率、顶前压下率及孔腔控制等工艺参数，保障全工艺过程的稳定进行，内外表面质量、尺寸精度及各项性能指标完全满足工艺要求。该制备技术具有以下优点：
①该技术针对钛合金变形抗力大的特点，通过对斜轧穿孔机、多功能轧机和双系列微张力减径机等设备的创新性提升，增加主电机轧制力，通过一次环形炉加热，在穿孔、热轧、定径、矫正工序间采用智能温控系统和快速移送装置，最大限度降低坯料的温降速率以保证其具有足够的塑性，适应钛合金变形温度范围窄的特点。
②该工艺特别适用于大口径钛合金管材轧制成型，外径规格达到φ530mm，壁厚涵盖5-36mm，产品长度可达12米以上。相对于挤压+冷轧工艺和钻镗孔加工工艺，其加工成本降低50%以上；相对于传统钻镗孔加工，钛合金管材利用率提高40%以上；相对于传统挤压成型工艺，生产效率成倍提高。实现了高效率、低成本，攻克了钛合金两辊斜轧压延成型生产大口径钛合金管材的技术瓶颈，基于工艺的先进性和技术的成熟性，成材率最高可达95%。
大口径钛合金管材的应用及发展前景
目前，国内舰船装备用钛主要包括: 潜艇的主冷凝器、钛合金鱼雷发射水缸、核动力压水堆一回路系统危急冷却器、声纳导流罩、钛合金螺旋桨、柴油机排烟管道及通海管路系统、相关管路及泵阀系统、深潜器耐压壳体及辅助系统。其中海水管路典型规格：φ308x4mm，φ285x5mm；舰船主海水配管系统：φ12.7~304.8mm。
由于钛及钛合金的密度低、耐腐蚀、强度高，可以大大降低设备的重量，所以尽管从单价上讲，钛及钛合金会贵一些，但设备的总体重量降低后，钛及钛合金一次性投入反而不会过高于其它材料，甚至于会低于其它材料。钛及钛合金管应用前景巨大，随着高效、短流程、低成本生产技术的成熟和推广，许多铜及铜合金管应用的领域都能被钛及钛合金管替代。
①船舶制造方面，舰船及大型油轮用的管材是铜合金管应用重要领域。舰船用铜合金管主要有BFe30-1-1、BFe10-1-1白铜管和HAl77-2铝黄铜管。由于在海上接触介质多为海水，所以要求管材具有优异的耐海水腐蚀能力和较高的力学性能、工艺性能。海洋工程热交换装置运用铜及铜合金管，如其他船用热交换管主要包括：柴油发动机和发电机以及其他辅助系统等的冷油器、水冷却器和给水加热器等的传热管，该类产品规格各异。
②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用及采油平台等无缝白铜排水管的最大直径已达到φ520mm以上。
随着我国海洋强国战略的逐步深化，在海工装备、海洋油气田勘探开发、舰船等领域，大口径高强高耐蚀的无缝管管材需求不断增加。大口径钛合金无缝管的规模化生产和高效、短流程、低成本制备技术的产业化推广应用将进一步满足市场对钛及钛合金产品的低成本化需求。同时，目前钛产业集中度不高，各生产厂商应积极与国家标准的制定和设计单位、高等院校，下游用户及其他相关配套装备生产企业精诚合作建立国家级钛技术经济网络服务平台，形成合力，共同推动钛合金的市场开发，并争取国家给予政策和金融支持，进一步推动钛合金管材的更广泛应用。
（作者系鑫鹏源智能装备集团有限公司）
近年来，我国实施了大量海洋舰艇、海洋石油钻井平台、海水淡化、人工岛礁建设等重大工程，对上述领域中大型装备使用的各类高强耐蚀金属管材的需求呈大幅增长趋势。由于金属管材需要在复杂恶劣海洋环境（强腐蚀、台风、强对流、高温、高压、生物附着）中应用，对其耐蚀性能有极高要求，钛及钛合金具有髙强韧性、无磁、低密度及优异的耐蚀性能等独特优势，成为上述领域大型装备中最为理想的材料。大量使用经验证实，低合金钢管路系统使用寿命为1〜2年，Cu/Ni管路系统使用寿命也仅有6〜8年，远达不到海水管路设计寿命要求。钛具有高强、高韧性、比强度高、质轻、无磁、耐海水腐蚀和海洋大气腐蚀等特点，钛及钛合金管道的腐蚀寿命大于12万小时，服役期限60年以上，在恶劣的海洋工况条件下，钛合金材料的全寿命是其他金属材料无法比拟的，在装备寿命结束之后无害化回收。因此，是海洋装备的最佳选材。
海洋装备的特点
①海洋装备属大型金属建筑物，体形吨位大，投资费用高，破坏损失大。
②系统结构复杂、功能齐全，工况条件复杂恶劣，对可靠性要求高，建造技术难度大。
③材料延寿对保障海洋装备和结构物完整性、可靠性和安全性，促进资源保护和可持续发展具有重要的意义。
④提高海洋装备性能主要涉及提高耐腐蚀性、轻量化、高强高韧材料应用、可靠性和全寿命周期产品经济性。
钛合金管材的优势
钛合金具有熔点高、密度小、强度大、耐腐蚀、超导、形状记忆和储氢等一系列重要特性，广泛应用于航空、航天、舰船、核电、医疗、化工、冶金、电子、体育休闲、建筑等领域，被人们誉为“第三金属”、“空中金属”和“海洋金属”。管材用于气态、液态介质的传输通道，是国民经济各领域的基础性产品，钛合金管材由于其本身的质轻、耐腐蚀性能好的优异特点，在航空发动机、航天飞行器、石油输送管路、化工设备、海洋环境施工及海上各种作业平台等有着广泛的应用，诸如沿海电站、海上油气开采输送、海水淡化、海洋化工生产、制碱制盐、石油精炼设备等，前景十分广阔。
推广应用钛材料是船舶与海洋工程装备最重要的技术发展方向之一。钛合金管材已被发达国家广泛应用于船舶与海洋工程装备中，大量采用钛材，使其装备的安全可靠性能得以提高，设备体积减小，质量减轻，设备破损事故和维修保养次数明显减少，极大延长了使用寿命。
钛合金管材加工性能特点
钛合金室温塑性较低，变形抗力大，但其在α+β两相区和β相区具有良好的塑性和较低的变形抗力，因此，钛合金材料的成型制造或各种型材制备（板、棒、管等）均需加热至相变点附近进行。
由于钛合金在高温下易于与氧、氮、碳等发生化学反应且易于吸氢，导致钛合金变形性能急剧下降并影响材料的服役性能，加之钛合金导热系数低，大型坯料加热时，往往会导致截面温差大，极易导致变形过程开裂；此外，钛合金变形区温度范围较窄，且对应变速率较为敏感，一般须在较低速率下变形；同时，由于变形后冷却速度直接影响其室温平衡态组织和构件的服役性能，因此，变形过程中应保持变形温度的恒定或采取措施降低其温降的速率以使其具有足够的塑性。
我国大口径钛合金管材制备技术分析
传统的钛合金无缝管生产工艺为挤压穿孔、斜轧穿孔+多道次冷轧、钻镗孔工艺。目前，国内利用传统工艺可以制备小规格钛合金管材，并在航空、航天、船舶以及石油化工领域应用，有力支撑了武器装备和国民经济的发展。
（1）传统钻镗孔、挤压工艺：钻镗孔加工是直接利用钛合金棒材经钻镗加工，无需加热工序及压延成型，材料利用率极低，一般不足50%，因此，综合成本很高。同时，不适合加工长径比较大以及薄壁管材。
挤压成型技术可获得较大的变形量，晶粒细小，毛管壁厚均匀度控制较难。挤压成型通常采用玻璃粉润滑或包铜套润滑，玻璃粉润滑挤压钛合金管工艺在我国尚不成熟，在挤压后段润滑效果不理想，极易造成模具和挤压管材的表面严重损伤，制造成本高，生产效率和产品质量低；包铜套润滑效果较好，可以得到较好的钛合金管表面质量，但包铜套材料消耗较大，去除附着在钛合金管表面的包铜套耗酸比较多，容易造成环境污染。
（2）传统穿孔（曼式）+冷轧工艺：冷轧工序繁多，生产效率极低，需要进行多道次轧制，道次变形小，道次间退火能耗高，且酸洗污染环境。该工艺只适合轧制纯钛和变形抗力低的合金管材，不能轧制高强度的钛合金管（如：TC4）。该工艺成材率在75%左右。
随着我国高端装备的发展，对大规格钛合金管材有着明确的需求，鑫鹏源智能装备集团有限公司集多年无缝管技术研发和生产实践，突破了高耐蚀钛及钛合金管材制造技术难题，独创了海水管路系统用大口径钛合金管材制造技术集成，采用钢—钛结合生产模式、缩短工艺流程，提高成材率和生产效率，形成具有自主知识产权的研究成果。其中《海水管路系统用大口径钛及钛合金管材制造技术集成》由中国有色工业协会组织的专家组评审，专家组长由原中国工程院副院长干勇院士担任，著名航空钛合金专家曹春晓院士任副组长。专家组成员还有北京有色金属研究院张国成院士，西北有色金属研究院副院长颜学柏教授，有色工业协会原秘书长马世光教授。专家组成是有色工业协会历年来级别最高的一次。经过近5个小时的资料评审和答辩，专家们一致认为成果为颠覆性创新，开创了大口径钛管材轧制的先河，最终评定成果达到了世界领先水平。
针对钛合金材料的特性，通过控制开轧温度、总直径压下率、椭圆度系数、变形速率、顶前压下率及孔腔控制等工艺参数，保障全工艺过程的稳定进行，内外表面质量、尺寸精度及各项性能指标完全满足工艺要求。该制备技术具有以下优点：
①该技术针对钛合金变形抗力大的特点，通过对斜轧穿孔机、多功能轧机和双系列微张力减径机等设备的创新性提升，增加主电机轧制力，通过一次环形炉加热，在穿孔、热轧、定径、矫正工序间采用智能温控系统和快速移送装置，最大限度降低坯料的温降速率以保证其具有足够的塑性，适应钛合金变形温度范围窄的特点。
②该工艺特别适用于大口径钛合金管材轧制成型，外径规格达到φ530mm，壁厚涵盖5-36mm，产品长度可达12米以上。相对于挤压+冷轧工艺和钻镗孔加工工艺，其加工成本降低50%以上；相对于传统钻镗孔加工，钛合金管材利用率提高40%以上；相对于传统挤压成型工艺，生产效率成倍提高。实现了高效率、低成本，攻克了钛合金两辊斜轧压延成型生产大口径钛合金管材的技术瓶颈，基于工艺的先进性和技术的成熟性，成材率最高可达95%。
大口径钛合金管材的应用及发展前景
目前，国内舰船装备用钛主要包括: 潜艇的主冷凝器、钛合金鱼雷发射水缸、核动力压水堆一回路系统危急冷却器、声纳导流罩、钛合金螺旋桨、柴油机排烟管道及通海管路系统、相关管路及泵阀系统、深潜器耐压壳体及辅助系统。其中海水管路典型规格：φ308x4mm，φ285x5mm；舰船主海水配管系统：φ12.7~304.8mm。
由于钛及钛合金的密度低、耐腐蚀、强度高，可以大大降低设备的重量，所以尽管从单价上讲，钛及钛合金会贵一些，但设备的总体重量降低后，钛及钛合金一次性投入反而不会过高于其它材料，甚至于会低于其它材料。钛及钛合金管应用前景巨大，随着高效、短流程、低成本生产技术的成熟和推广，许多铜及铜合金管应用的领域都能被钛及钛合金管替代。
①船舶制造方面，舰船及大型油轮用的管材是铜合金管应用重要领域。舰船用铜合金管主要有BFe30-1-1、BFe10-1-1白铜管和HAl77-2铝黄铜管。由于在海上接触介质多为海水，所以要求管材具有优异的耐海水腐蚀能力和较高的力学性能、工艺性能。海洋工程热交换装置运用铜及铜合金管，如其他船用热交换管主要包括：柴油发动机和发电机以及其他辅助系统等的冷油器、水冷却器和给水加热器等的传热管，该类产品规格各异。
②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用及采油平台等无缝白铜排水管的最大直径已达到φ520mm以上。
随着我国海洋强国战略的逐步深化，在海工装备、海洋油气田勘探开发、舰船等领域，大口径高强高耐蚀的无缝管管材需求不断增加。大口径钛合金无缝管的规模化生产和高效、短流程、低成本制备技术的产业化推广应用将进一步满足市场对钛及钛合金产品的低成本化需求。同时，目前钛产业集中度不高，各生产厂商应积极与国家标准的制定和设计单位、高等院校，下游用户及其他相关配套装备生产企业精诚合作建立国家级钛技术经济网络服务平台，形成合力，共同推动钛合金的市场开发，并争取国家给予政策和金融支持，进一步推动钛合金管材的更广泛应用。
（作者系鑫鹏源智能装备集团有限公司）
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