深海裝備耐壓結構用鈦合金材料應用研究
深海裝備耐壓結構用鈦合金材料應用研究
國內外鈦合金深海裝備的發展現狀，針對深海服役環境特點對耐壓結構用鈦合金材料的性能要求進行了分 析，介紹了典型裝備耐壓結構鈦合金材料研究應用中出現的應力腐蝕和蠕變等技術問題，提出需要針對鈦合金材料長期服役 時存在的組織演變和性能衰減、沖擊環境下的動態響應等基礎科學問題開展研究，重點梳理工程應用中的大規格材料、應用 評價和高效建造等關鍵技術。文章建議針對深海領域鈦合金裝備的迫切需求，進一步加大鈦合金材料基礎研究和工程化應用 力度，推動創新應用，踐行海洋強國戰略。
深海裝備包括深海作戰軍事裝備、載人 / 無人潛水器、深海空間站與運載平臺、水下滑翔機、救生鐘等，主要用于資源勘探開發、深海監測和信息網絡構建、深海“硬”對抗作戰、立體資源補給等。以深制海，是我國踐行海洋強國戰略，建設 “海上絲綢之路”，實現海軍向“近海防衛、遠海防御”戰略轉型的基礎和保障。
深海條件下，裝備的服役工況和功能要求有很多全新特征。例如，極高海水外壓與裝備結構應力的疊加，導致耐壓結構的受力工況惡劣，甚至接近于材料的屈服點，而裝備又需要長期使用和反復上浮下潛；深海條件下的氧含量降低，對材料表面鈍化存在顯著影響，加速材料的腐蝕或增大開裂傾向。這些環境特征都對耐壓結構材料的安全可靠性設計提出了重大要求。鈦合金作為一種輕質、耐海水腐蝕性能優異的結構材料，有望解決深海裝備普遍存在的浮力儲備不足、長期水中使用時結構安全可靠性欠佳等問題。
鈦合金材料應用于耐壓結構，與傳統的鋼材相比，其彈性模量、制造工藝、失效形式都有所不同，目前還存在一些共性基礎問題有待突破。同時，在一些工程項目中也提出了許多制約設計、 建造和使用的關鍵技術問題。本文針對深海鈦合金裝備的發展現狀和存在的材料技術問題開展梳理和探討，以期促進鈦合金材料應用過程中的 基礎問題研究，通過提升材料韌性和抗蠕變性等關鍵使用性能，來推動深海裝備設計和材料技術的創新發展。
近 α 鈦合金和超低間隙 α 鈦合金由于具有高的比強度、良好的冷熱成型能力、優異的抗海水腐蝕性能和可焊性，應用方面有逐漸替代船體鋼、成為大潛深潛艇耐壓殼體的主要結構材料的趨勢。據 報道 ，蘇聯率先嘗試在潛艇耐壓殼體上大量使用鈦合金，先后建造了 K-162 號、“阿爾法”級、“麥克”級和“塞拉”級等全鈦殼體核動力潛艇。美國雖未建造全鈦殼體潛艇，但將鈦合金大量應用在潛艇桅桿、緊固件等部件上，以減少艇身重量、 優化性能。
鈦合金應用于建造載人 / 無人深潛器的耐壓殼體具有得天獨厚的優勢，尤其是高比強度和抗海水腐蝕性的特性，在減輕結構重量、降低腐蝕防護成本等方面起到極大作用。目前，許多國家開展了鈦 合金深潛器的研究和建造工作，領域研究進展顯著。
能源是人類生存和發展所需的最重要資源。由于石化能源的日益消耗，尋找新的可替代能源已經成為關注焦點。地球表面約 70% 的區域是海洋，海洋中蘊藏著豐富的油氣資源，因此加快勘探和開發深海資源迫在眉睫。我國也明確提出“加快建設海洋強國”的發展戰略目標。
海洋開發離不開海上鉆井平臺、深海探測器等重要作業裝備，這些裝備服役工況惡劣，長期承受海水腐蝕與海浪沖擊。鈦合金材料因其獨特優勢， 有望廣泛應用于上述裝備制造領域，但成本問題一 直阻礙應用范圍的擴展。隨著鈦合金制備技術的成熟和提升，以及低成本鈦合金的研究突破，關于成本因素的顧慮明顯降低。美國已將鈦合金大范圍應用于近海石油平臺支柱、板式換熱器等；1991 年應用到海洋平臺提升裝置，較好解決了海水條件下的結構腐蝕和疲勞問題；經過綜合評估，使用鈦合金件已經具有良好的成本經濟性。我國在西南油氣開采裝備研制過程中，較大數量地采用高耐 H2S+CO2 介質腐蝕的鈦合金材料，保證耐蝕性的同時大幅減輕裝備重量，取得很好的綜合收益。
鈦及鈦合金作為優秀的海洋工程用材料，各國對其研究與應用十分重視，先后研制出了一系列的海洋工程用鈦合金。蘇聯 / 俄羅斯和美國是最早專門從事海洋工程用鈦合金研究的國家，各自形成 了海洋工程用鈦合金體系。俄羅斯海洋工程用鈦合金研究及實際應用水平居世界前列，擁有專門的海洋工程用鈦合金系列，形成 490 MPa、585 MPa、686 MPa、785 MPa 等一系列強度級別的海洋工程用鈦合金產品。美國于 20 世紀 60 年代開始研究海洋工程用鈦合金技術，研制出鈦合金材料系列， 建立了完整的海洋工程用鈦合金應用考核體系。
深海裝備長期浸泡在海水中，需要承受極高的海水壓力載荷、經受住海水腐蝕的考驗。深海裝備因其長期服役于深海與海面之間，還需要同時承受進港時的近岸海域以及出海時的淺海與深海等多種 類型海洋環境的考驗，進而對結構的安全可靠性、 耐久性、可維修性提出更高要求。在較長的自持條件下還需考慮可能承受的超常規工況，如風暴拍擊、 物理撞擊乃至爆炸沖擊等。因此，全海域、全海深、全天候和長時間的運行和極端環境需求，對鈦合金 材料的性能提出了極高要求。
深海裝備的設計既要遵循結構力學、流體力學等基礎原理，還要結合工程技術發展現狀，適應當前的工業化材料制備技術和造船工藝技術。依據深海裝備工況特征，立足材料技術體系現狀，鈦合金材料應滿足如下基本要求。
（1）材料強度級別滿足結構設計要求。根據設計單位的分析結果，耐壓結構材料的強度隨著下潛深度的增加需要適度提高。綜合考慮結構制造、材料塑韌性和工藝性，材料的強度不宜過高，合金選材設計以近 α 型鈦合金為主。
（2）材料在海洋腐蝕環境（如海水、海洋大氣等） 下具有良好的塑韌性和抗應力腐蝕特性，抗低周疲勞性能好，滿足裝備長期使用的安全可靠性以及特殊工況要求。
（3）材料工藝適應性好。匹配船體及船用設備的加工特點，如鑄造、鍛造、冷熱成型，滿足低成本鈦合金結構件制造工藝要求，可焊性好， 焊后一般無須熱處理強化。材料及工藝性能滿足艦船設備大型化需求，配套有成型、無損檢測等技術。
鈦合金材料在以載人深潛器為代表的深海裝備耐壓結構上的成功使用，為深海領域的裝備選材和創新應用提供了良好示范。
面對我國未來海洋強國建設需要更多類型鈦合金深海裝備的趨勢，我們建議：行業部門深化合作與科學分工，打牢鈦合金材料基礎研究，突破用于深海耐壓結構的鈦合金材料強韌化、耐腐蝕等機理 機制，優化鈦合金板材大厚度焊接等工程化技術， 建立極端工況下的鈦合金結構考核評價體系，化解制約應用的安全可靠性風險。通過深海裝備頂層需求 – 總體設計 – 材料工藝等各個環節的共同 努力，為加速我國深海領域研究和應用創新奠定堅實基礎。
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