(1) はじめに
地球の表面積の約 71% を占める海洋には、豊富な資源が含まれています。 海を開発し、利用し、海を私たちの莫大な富の源にすることは、長年にわたる人々の努力の方向の1つになっています。 しかし、海水は約 3.5% の塩分を含んでいるため、腐食性があります。 さらに、海洋の生物汚染によっても、海水の腐食が加速されます。
チタンは優れた物理的性質と安定した化学的性質を持つ素材です。 チタンとその合金は、強度が高く、比重が小さく、海水腐食や海洋大気腐食に対する耐性があり、海洋工学における人々の用途の要件を十分に満たすことができます。 チタン産業と海洋工学応用研究者による長年の懸命な努力の結果、チタンはオフショアの石油およびガス開発、港湾建設、沿岸発電所、海水淡水化、船舶、海洋漁業、海洋熱エネルギーの分野で広く使用されています。変換。 現在、海洋工学用のチタンは、チタンの土木用途の主要分野の 1 つになっています。
(Ⅱ) 申請状況
2.1 オフショア石油・ガス開発
石油は国の経済の生命線です。 世界の可採石油埋蔵量は 3000 億トンと推定されており、そのうち海底の石油埋蔵量は約 1300 億トンです。 海底油の開発は 20 世紀初頭に始まりました。 沖合から遠海へ、浅海から深海へと発展してきました。 技術的条件と材料開発によって制限された当初は、海岸から浅瀬まで直接広がる石油と天然ガスの鉱床しか利用できませんでした。 1980 年代以降、エネルギー危機と技術進歩に刺激されて、オフショア石油探査と開発が急速に発展し、オフショア石油開発は急速に大陸棚に進出し、新しいオフショア石油産業部門が徐々に形成されました。 海洋掘削プラットフォームは、海底の石油とガスの探査と開発の作業基地であり、海底の石油とガスの開発技術のレベルを示しています。 オフショア石油生産設備には、主に石油生産プラットフォームと、原油クーラー、オイルライザー、ポンプ、バルブ、ジョイント、固定具などの補助設備が含まれます。 これらの装置は、海水や原油中の硫化物、アンモニア、塩素などの媒体と接触しています。 これらの媒体におけるチタンの優れた耐食性により、米国は 1970 年代初頭にその油田でチタン製のオフショア石油プラットフォームの柱を使用し、チタンを使用してチューブ熱交換器とプレート熱交換器を製造しました。 ヒータ。 チタン シェル アンド チューブ熱交換器は、冷却媒体として海水を使用して、油井から汲み上げられた高温の蒸気と油の混合物を冷却します。 チタンプレート熱交換器は、炭素鋼熱交換器で原油を冷却する淡水を冷却するための冷却媒体として海水も使用します。 米国では、北海の石油リグで約 100 のチタン熱交換器を使用しています。 英国スコットランドのアバディーンにある Hunting Oilfield Services が注文したチタン コンポーネントは、ノルウェーの Conoco の Heidrum プロジェクト向けの世界初のチタン製高圧ライザー シャフトと言われています。
石油チタン合金チタン掘削パイプは耐用年数が長く、重量はステンレス鋼の半分ですが、使用の柔軟性はステンレス鋼の2倍、耐用年数は鋼の10倍です。 これらの優れた特性により、チタンは困難なほぼ円形の深い井戸を掘削するための優れた材料となっています。 チタンドリルパイプを含むコンビネーション掘削ツールは、掘削時間を大幅に短縮し、全体的な掘削コストを削減できます。 2000 年に、米国の GrantPrideco、RTI Energy Systems、および Torch Drilling Services が、工業用途に初めてチタン ドリル パイプを使用しました。 GrantPrideco と RTI Energy Systems によって製造および供給されるチタン ドリル パイプには、GrantPrideco Anti-Fatigue のスチール ツール ジョイントも搭載されています。 ジョイントは軽量で柔軟に使用でき、チタンドリルパイプを頑丈で強力にします。
海水パイプライン システムは、海底石油開発の不可欠な部分です。 チタンは海水に対する耐食性が高いため、耐用年数は鋼系の10倍です。 したがって、チタンパイプラインシステムのコストは、Cu-Niシステムと比較して費用対効果が高くなります。 の。 Active Metals of America と Precision Tube Technology は共同で、大径のチタン合金チューブを製造するための Titanium Tube Technology Company を設立しました。 このパイプに使用されている合金は Ti-3Al-2.5V 合金で、直径は 650mm、肉厚は 22-25mm、長さは 350m です。 米国の別の会社は、長さ 15m、外径 600mm、肉厚 25mm のシームレス チタン合金パイプを使用して、押し出しにより長さ 500m 近くのライザー パイプを作成し、海洋掘削プラットフォームで使用されました。 ライザーチューブの重量を半分にできると言われ、バラストのコストを大幅に削減できるほか、破壊靭性が高く疲労寿命も長い。
データ報告によると、米国の北海油田開発プロジェクトでは、船の浮体装置と海底の固定装置に使用されるチタンの量が以前に比べて増加しています。 24 基の浮体装置と 64 基の海中固定装置のチタン材料の需要は、50-100t 安全保護装置、50-100t 接続装置、400-1000t 一般揚重装置、および1400-4200 ドリル パイプの場合。 海洋石油探査プラットフォームの生物付着による構造部品の腐食は非常に深刻です。 米国のある企業は、プラットフォーム上の部品を保護するために、マイニング プラットフォームにチタン パイプで作られた長いケーシングを使用しています。
過去数年間、石油掘削および海洋生産作業におけるチタン合金部品の使用が著しく増加しています。 チタン合金コンポーネントにより、石油掘削は、高温や腐食性の高い (塩分などの) 生産環境を含む、より深い海やより深い井戸にアクセスできます。
このタイプの用途には、TC4 チタン棒 (Ti-6Al-4V) ベースの合金が最適であり、包括的な性能の点で最も低コストです。 海水パイプライン システムは、海底石油開発の不可欠な部分です。 チタンは海水に対する耐食性が高いため、耐用年数は鋼系の10倍です。 したがって、チタン パイプライン システムのコストは、Cu-Ni システムよりも費用対効果が高くなります。 の。 Active Metals of America と Precision Tube Technology は共同で、大径のチタン合金チューブを製造するための Titanium Tube Technology Company を設立しました。 このパイプに使用されている合金は TA18 (Ti-3Al-2.5V) 合金で、直径 650mm、肉厚 22-25mm、長さ 350m、海底石油探査に使用される予定の80-90tのパイプ。 米国の別の会社は、長さ 15m、外径 600mm、肉厚 25mm のシームレス チタン合金パイプを使用して、押し出しにより長さ 500m 近くのライザー パイプを作成し、海洋掘削プラットフォームで使用されました。 ライザーチューブの重量を半分にできると言われ、バラストのコストを大幅に削減できるほか、破壊靭性が高く疲労寿命も長い。
Ti-6Al-4V (Gr.5_TC4) 合金がパイプの穴あけに最適な材料であることが実践で証明されています。 穴あけ用途としては、降伏強度と疲労強度が最も重要です。 したがって、侵入元素が特に少ない 2 つの Gr.5 合金は、より重要な動的吊り上げ装置に適しています。 使用温度が75～80度を超える場合、隙間腐食や応力腐食を防止するため、ルテニウム含有Gr29合金を使用します。
最も一般的に使用されるコンポーネントには、海洋掘削ホイスト、ドリル パイプ、コニカル ストレス ジョイント (TSJ)、およびチタン/スチール ハイブリッド ホイストが含まれます。
チタン製ポンプ、バルブ、ジョイント、ファスナー、クランプ、スペアパーツなどの小さなチタン製コンポーネントは、石油掘削プラットフォームで広く使用されています。 チタン合金は、海外のオフショア石油探査検層機器のシェルにも広く使用されています。
2.2 港湾施設
チタンは表面に厚さ10nm以下の酸化膜を持っています。 腐食環境で非常に安定しており、空気、海水、海洋環境に対する優れた耐食性を備えています。 現在、さまざまな海洋環境に最適な原料です。 本州と四国を結ぶ大橋、東京湾に架かる大橋、関西空港、浮体式石油備蓄基地など、日本は海洋開発を精力的に行ってきました。 建設省・日本鉄鋼倶楽部が実施した大井川海面暴露試験及び運輸省・鋼管杭協会が実施した防錆暴露試験の調査報告書砂の架台はまた、チタンが最も適した材料であることを示しました. チタンは耐食性に優れているだけでなく、海水環境への溶存イオンが少なく、毒性がなく、環境汚染の心配がないという利点もあります。 日本はまた、海水洗掘にチタン鋼複合材料を使用して、超大型の浮遊海洋構造物を建設しました。 東京湾横断道路の建設では、橋脚の防滴胴体にチタン材が採用されており、各橋脚のチタン鋼複合材の量は0.9tです。 すでに使用されている、または計画されている大型の浮体式海洋構造物には、空港、港湾物流基地、スポーツ施設などが含まれます。
2.3 沿岸発電所
海洋工学の重要なプロジェクトの一つに海水の総合利用があります。 内航発電所の復水器は、大量の海水を利用する装置です。 沿岸発電所で使用されるチタンは主に復水器で使用されるチタンです。 復水器は海水を冷却水として使用しますが、海水には大量の泥砂、浮遊物質、海洋生物、各種腐食性物質が含まれているため、海水と河川水が交互に交わる淡水ではより深刻な状況になります。 従来の復水器には銅合金管が使用されていましたが、海水中でのさまざまな腐食により損傷を受けることがよくありました。 チタンは海水、特に汚染された海水中での耐食性に優れており、特に高速エロージョン耐食性が優れています。
2.4 海水淡水化装置
「水は命の源」。 現在、水不足が世界を悩ませている問題となっています。 世界人口の約 25% は、十分な飲料水源を持っていません。 世界の陸上河川と地下水資源は、産業開発のニーズを満たすには程遠いものです。 したがって、海水の淡水化は、将来、人類が淡水資源を解決するための有効な方法になるでしょう。
国内外の海水淡水化の発展の観点から、主に蒸留と逆浸透の2つの方法があります。 前者は、海水を加熱して気化し、蒸気を凝縮して真水を得る方法です。 後者は、海水を加圧することで、海水中の淡水が特殊な膜を通過し、塩分を保持して淡水を得る方法です。 初期の海水淡水化装置は、銅合金、炭素鋼、およびその他の材料を使用していました。 これらの材料は耐海水腐食性が低く、生産効率が低いため、耐海水腐食性に優れたチタンに急速に置き換えられました。 海水淡水化におけるチタンの主な用途は淡水化プラントのヒーター伝熱管です。 淡水化プラントの主要生産国は米国と日本です。 2004 年までに、世界中で 15,000 以上の淡水化プラントが建設されたか、建設中となり、毎日約 3,200 万トンの真水が生産されました。000 この日本企業は、サウジアラビア向けに、3,200 トンのチタン チューブを使用して、1 日あたり 30,000 トンの真水を生産する 10 の蒸留装置を建設しました。 107トンのチタン。
私の国の天津、山東、その他の場所では、海水淡水化プラントが建設されているか、建設中です。 たとえば、天津の海水淡水化の予備計画では、2007 年までに 1 日あたり 500,000 トン、2010 年までに 700,000 トンの淡水を生成することになっています。約 250 トンのチタン天津と山東の海水淡水化プロジェクトで使用されます。
2.5 船
チタンとその合金は、海水や海洋大気中での腐食に強く、比重が軽く、強度が高く、耐衝撃性があり、非磁性で、音響透過性があり、膨張係数が小さいため、船舶の材料として優れています。 近年、チタンの船舶への応用が注目されています。 各国の海軍および造船業界でも、チタンの船舶への適用は非常に重要視されており、多くのグレードの船舶用チタン合金が開発されています。 チタンとその合金は、船体構造、深海調査船、潜水艦の圧力船体、パイプ、バルブ、舵、シャフト ブラケット、付属品、パワー ドライブのプロペラ、スラスターなどの船舶で広く使用されています。シャフト、熱交換器、クーラー、船体ソナーシュラウドなど。
船体に初めてチタンを適用したのは、旧ソ連のアルファ級潜水艦でした。 その後、チタンは人工または無人の深海調査および深海支援潜水艦で使用されました。 一般構造部品には工業用純チタン、圧力容器にはTi-6Al-4V合金が使用されています。 報告によると、船体構造にチタンを使用すると、船体自体の重量を軽減し、有効積載重量を増加させるだけでなく、メンテナンスを減らし、船の耐用年数を延ばすことができます。 アルミニウム合金や軟鋼などの船体構造材は一般的に10年以内のメンテナンスが必要ですが、チタン材はメンテナンスや修理がほとんど必要なく、通常の20年から30年から40年と寿命を延ばすことができます。
深海調査船用のチタン合金に関する日本の研究は実りあるものでした。 「Deep-Sea 6500」のオペレータ3名収容可能な圧力室は、ほぼすべてがチタン合金を使用しています。 これは三菱重工神戸造船所の長年の努力の賜物です。 潜水艦は大量のチタンを使用しています。 たとえば、潜水深度900mの原子力潜水艦は、最大3500tのチタンを使用しています。
2.6 海洋漁業
報告によると、日本の水産業は漁業から養殖へと変化し、ミノカサゴ、ヒラメ、ウナギなどが人工的に養殖されました。 人工飼育技術では、海水温度を一定に保つためのチタン製金網やチタン製チューブ熱交換器が広く使われています。 ハタの人工養殖は、私の国の福建省の沿岸地域で実現されており、使用されているチタンプレート型の養殖かごは、ハタの養殖に優れた利益をもたらしました。
2.7 海洋熱エネルギー変換
海には潮汐エネルギー、波エネルギー、温度差エネルギー、海流エネルギー、塩分エネルギーなど、膨大なエネルギーがあります。 世界のエネルギー不足が深刻化する中、海洋エネルギーの開発と利用に対する人々の関心はますます高まっています。 熱電および潮力発電プロジェクトが研究開発されてきました。 熱電発電の原理は、海面の高温の海水を利用してアンモニアやフロンを気化し、タービンを回して発電し、深海の低温の海水を利用して気化したアンモニアを冷却することです。またはフレオンを使用して、連続サイクル熱機関システムを形成します。
熱電発電の主な機器は、蒸発器、凝縮器、海水吸込管、ループなどで、耐食性だけでなく、アンモニアやフッ素に対する耐食性も求められます。 チタンとその合金は耐海水腐食性に優れているだけでなく、アンモニアやフッ素による腐食にも強いため、チタンは最も理想的な素材です。
チタンチューブの蒸発器と凝縮器は、米国と日本の火力発電所で使用され、良好な結果が得られています。
(iii) 見通し
チタンの新興民生市場として、海洋工学は近年急速に発展しています。 世界のエネルギー危機がさらに悪化するにつれて、世界のすべての国は海底の石油資源やその他の鉱物資源を開発するために多くの人力と物的資源を投資します。 淡水が世界的に不足する傾向にあるため、すべての沿岸国は淡水を生産するために海水を使用します。 さまざまな軍事力の海軍装備のますます激しい競争は、チタンおよびチタン合金材料と切り離すことはできません。 したがって、船舶工学におけるチタンとその合金の用途はますます広範になります。 船舶工学用チタンは、チタン材料のより大きなアプリケーション市場になると予想されます。
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