中国工程院院刊系列：深海装备耐压结构用钛合(2)

此外，法国的“鹦鹉螺”号和俄罗斯的两艘“和平”号载人深潜器也采用了钛合金材料进行建造。世界钛合金载人深潜器发展情况见表 1。

（三）油气开采

能源是人类生存和发展所需的最重要资源。由于石化能源的日益消耗，寻找新的可替代能源已经成为关注焦点。地球表面约70%的区域是海洋，海洋中蕴藏着丰富的油气资源，因此加快勘探和开发深海资源迫在眉睫。我国也明确提出“加快建设海洋强国”的发展战略目标。

海洋开发离不开海上钻井平台、深海探测器等重要作业装备，这些装备服役工况恶劣，长期承受海水腐蚀与海浪冲击。钛合金材料因其独特优势，有望广泛应用于上述装备制造领域，但成本问题一直阻碍应用范围的扩展。随着钛合金制备技术的成熟和提升，以及低成本钛合金的研究突破，关于成本因素的顾虑明显降低。美国已将钛合金大范围应用于近海石油平台支柱、板式换热器等；1991年应用到海洋平台提升装置，较好解决了海水条件下的结构腐蚀和疲劳问题；经过综合评估，使用钛合金件已经具有良好的成本经济性。我国在西南油气开采装备研制过程中，较大数量地采用高耐H2S+CO2介质腐蚀的钛合金材料，保证耐蚀性的同时大幅减轻装备重量，取得很好的综合收益。

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材料发展水平

（一）材料研究现状

钛及钛合金作为优秀的海洋工程用材料，各国对其研究与应用十分重视，先后研制出了一系列的海洋工程用钛合金。苏联/俄罗斯和美国是最早专门从事海洋工程用钛合金研究的国家，各自形成了海洋工程用钛合金体系。俄罗斯海洋工程用钛合金研究及实际应用水平居世界前列，拥有专门的海洋工程用钛合金系列，形成490 MPa、585 MPa、686 MPa、785 MPa等一系列强度级别的海洋工程用钛合金产品。美国于20世纪60年代开始研究海洋工程用钛合金技术，研制出钛合金材料系列，建立了完整的海洋工程用钛合金应用考核体系。

（二）应对服役环境和结构特征的性能需求

深海装备长期浸泡在海水中，需要承受极高的海水压力载荷、经受住海水腐蚀的考验。深海装备因其长期服役于深海与海面之间，还需要同时承受进港时的近岸海域以及出海时的浅海与深海等多种类型海洋环境的考验，进而对结构的安全可靠性、耐久性、可维修性提出更高要求。在较长的自持条件下还需考虑可能承受的超常规工况，如风暴拍击、物理撞击乃至爆炸冲击等。因此，全海域、全海深、全天候和长时间的运行和极端环境需求，对钛合金材料的性能提出了极高要求。

深海装备的设计既要遵循结构力学、流体力学等基础原理，还要结合工程技术发展现状，适应当前的工业化材料制备技术和造船工艺技术。依据深海装备工况特征，立足材料技术体系现状，钛合金材料应满足如下基本要求。

（1）材料强度级别满足结构设计要求。根据设计单位的分析结果，耐压结构材料的强度随着下潜深度的增加需要适度提高。综合考虑结构制造、材料塑韧性和工艺性，材料的强度不宜过高，合金选材设计以近α型钛合金为主。

（2）材料在海洋腐蚀环境（如海水、海洋大气等）下具有良好的塑韧性和抗应力腐蚀特性，抗低周疲劳性能好，满足装备长期使用的安全可靠性以及特殊工况要求。

（3）材料工艺适应性好。匹配船体及船用设备的加工特点，如铸造、锻造、冷热成型，满足低成本钛合金结构件制造工艺要求，可焊性好，焊后一般无须热处理强化。材料及工艺性能满足舰船设备大型化需求，配套有成型、无损检测等技术。

（三）材料韧性问题制约装备安全性

早期的焊接船体因脆性破坏导致的灾难事故并不少见，这促使设计师采用力学和金属学等方法去分析解决脆性问题。20世纪50年代初，船舶大国即开展了针对船体材料的落锤、动态撕裂、裂纹源爆炸、系列温度的冲击试验等研究，分析材料随环境变化的韧性，评定能否用于制造船体。

目前评价钛合金材料断裂韧性的方法主要有：

平面应变断裂韧性、J积分、裂纹张开位移δ、夏比冲击断裂韧性Ak 等。通常，材料的临界应力强度因子KIc与试样厚度B、裂纹长度和韧带宽度有关，只有试样厚度满足B ≥2.5(KIc/σs)2 时，才能获得稳定的KIc。与α+β两相钛合金和亚稳β钛合金相比，由于近α钛合金的屈服强度σs 较低，而KIc又较高，导致要求的试样厚度较大，不仅耗费大量材料，还要使用大型试验设备。因此，较多通过测量材料的J积分临界值JIc = K2Ic (1–ν2)/E，或裂纹尖端张开位移临界值δc = K2Ic/(Eσs)，然后转换为KIc。通过测量或来获得材料的试验周期长、费用高，工程应用上为了快速评价材料的断裂韧性性能，通常采用夏比冲击断裂韧性Ak，或根据经验公式由夏比吸收功Ak = (4K2Ic + σs2)/(20σs) 转换成KIc来快速评价材料的断裂韧性。

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