Status Penerapan dan Prospek Paduan Titanium dalam Teknik Kelautan

(1) Pendahuluan

Lautan, yang mencakup sekitar 71% permukaan bumi, mengandung sumber daya yang melimpah. Hal ini menjadi salah satu arah upaya masyarakat selama bertahun-tahun untuk mengembangkan dan memanfaatkan laut untuk menjadikan laut sebagai sumber kekayaan kita yang sangat besar. Namun air laut bersifat korosif karena kandungan garamnya sekitar 3,5%. Selain itu, beberapa pencemaran biologis di lautan juga mempercepat korosi air laut. Titanium merupakan material dengan sifat fisik yang sangat baik dan sifat kimia yang stabil. Titanium dan paduannya memiliki kekuatan tinggi, berat jenis kecil, dan tahan terhadap korosi air laut dan korosi atmosfer laut, yang dapat memenuhi persyaratan aplikasi masyarakat di bidang teknik kelautan. Setelah bertahun-tahun kerja keras oleh orang-orang di industri titanium dan peneliti aplikasi teknik kelautan, titanium telah banyak digunakan di bidang pengembangan minyak dan gas lepas pantai, konstruksi pelabuhan, pembangkit listrik pesisir, desalinasi air laut, kapal, perikanan laut, dan energi panas laut. konversi. Saat ini, titanium untuk teknik kelautan telah menjadi salah satu bidang utama aplikasi sipil titanium.

(2) Status permohonan

2.1 Pengembangan minyak dan gas lepas pantai Minyak merupakan sumber kehidupan perekonomian suatu negara. Diperkirakan cadangan minyak dunia yang dapat diperoleh kembali berjumlah 300 miliar ton, dan cadangan minyak dasar laut berjumlah sekitar 130 miliar ton. Pengembangan minyak bawah laut dimulai pada awal abad ke-20. Perkembangannya telah melalui proses dari lepas pantai hingga laut jauh, dari laut dangkal hingga laut dalam. Karena dibatasi oleh kondisi teknis dan pengembangan material, pada awalnya hanya cadangan minyak dan gas alam yang terbentang langsung dari pantai hingga laut dangkal yang dapat dieksploitasi. Sejak tahun 1980-an, didorong oleh krisis energi dan kemajuan teknologi, eksplorasi dan pengembangan minyak lepas pantai telah berkembang pesat, dan pengembangan minyak lepas pantai telah berkembang pesat hingga ke landas kontinen, secara bertahap membentuk sektor industri minyak lepas pantai yang baru. Anjungan pengeboran lepas pantai merupakan basis kerja eksplorasi dan eksploitasi migas bawah laut, sekaligus menandai tingkat teknologi pengembangan migas bawah laut. Peralatan produksi minyak lepas pantai terutama mencakup platform produksi minyak dan peralatan tambahan, seperti pendingin minyak mentah, penambah minyak, pompa, katup, sambungan dan perlengkapan. Perangkat ini bersentuhan dengan sulfida, amonia, klorin, dan media lain dalam air laut dan minyak mentah. Karena ketahanan korosi titanium yang sangat baik pada media ini, Amerika Serikat menggunakan pilar anjungan minyak lepas pantai buatan titanium di ladang minyaknya pada awal tahun 1970-an, dan menggunakan titanium untuk membuat penukar panas tabung dan penukar panas pelat. Pemanas. Penukar panas cangkang dan tabung titanium menggunakan air laut sebagai media pendingin untuk mendinginkan campuran uap/minyak bersuhu tinggi yang dipompa dari sumur minyak. Penukar panas pelat titanium juga menggunakan air laut sebagai media pendingin untuk mendinginkan air tawar yang mendinginkan minyak mentah pada penukar panas baja karbon. Amerika Serikat menggunakan sekitar 100 penukar panas titanium pada anjungan minyak di Laut Utara. Komponen titanium yang dipesan oleh Hunting Oilfield Services di Aberdeen, Skotlandia, Inggris, dikatakan sebagai poros penambah tekanan tinggi titanium pertama di dunia untuk proyek Heidrum Conoco di Norwegia. Pipa bor titanium paduan titanium minyak bumi memiliki masa pakai yang lama, beratnya hanya setengah dari baja tahan karat, namun fleksibilitas penggunaannya dua kali lipat dari baja tahan karat, dan masa pakainya 10 kali lipat dari baja. Sifat luar biasa ini menjadikan titanium bahan yang sangat baik untuk mengebor sumur dalam dan hampir berbentuk lingkaran yang sulit. Alat pengeboran kombinasi termasuk pipa bor titanium dapat sangat mengurangi waktu pengeboran dan mengurangi biaya pengeboran secara keseluruhan. Pada tahun 2000, GrantPrideco, RTI Energy Systems, dan Torch Drilling Services di Amerika Serikat pertama kali menggunakan pipa bor titanium untuk aplikasi industri. Pipa bor titanium, diproduksi dan dipasok oleh GrantPrideco dan RTI Energy Systems, juga dilengkapi sambungan perkakas baja dari GrantPrideco Anti-Fatigue. Sambungannya ringan, fleksibel dalam penggunaan, dan membuat pipa bor titanium kokoh dan kuat. Sistem perpipaan air laut merupakan bagian tak terpisahkan dari eksploitasi minyak bawah laut. Karena titanium memiliki ketahanan korosi yang tinggi terhadap air laut, masa pakainya 10 kali lipat dari sistem baja. Oleh karena itu, biaya sistem pipa titanium lebih hemat biaya dibandingkan dengan sistem Cu-Ni. dari. Active Metals of America dan Precision Tube Technology bersama-sama mendirikan Perusahaan Teknologi Tabung Titanium untuk memproduksi tabung paduan titanium berdiameter besar. Paduan yang digunakan pada pipa ini adalah paduan Ti-3Al-2.5V, diameter 650mm, tebal dinding 22-25mm, dan panjang 350m. Perusahaan lain di Amerika Serikat menggunakan pipa paduan titanium mulus dengan panjang 15m, diameter luar 600mm dan ketebalan dinding 25mm untuk membuat pipa riser sepanjang hampir 500m dengan cara ekstrusi, yang telah digunakan dalam platform pengeboran lepas pantai. Dikatakan bahwa berat tabung riser dapat dikurangi setengahnya, yang dapat sangat mengurangi biaya pemberat, selain itu juga memiliki ketangguhan patah yang tinggi dan umur kelelahan yang lama. Menurut laporan, dalam proyek pengembangan ladang minyak Laut Utara di Amerika Serikat, jumlah titanium yang digunakan pada perangkat badan terapung dan perangkat tetap di dasar laut telah meningkat dibandingkan sebelumnya. Permintaan material titanium untuk 24 perangkat badan terapung dan 64 perangkat tetap bawah laut adalah: 50-100t untuk perangkat pelindung keselamatan, 50-100t untuk perangkat penghubung, 400-1000t untuk peralatan pengangkat umum, dan 1400-4200t untuk pipa bor. Korosi bagian struktural yang disebabkan oleh pengotoran biologis pada anjungan eksplorasi minyak lepas pantai cukup serius. Sebuah perusahaan di Amerika menggunakan selubung panjang yang terbuat dari pipa titanium pada platform pertambangan untuk melindungi bagian-bagian platform. Beberapa tahun terakhir telah terjadi peningkatan yang nyata dalam penggunaan komponen paduan titanium dalam pengeboran minyak dan operasi produksi lepas pantai. Komponen paduan titanium memungkinkan pengeboran minyak mengakses perairan yang lebih dalam dan sumur yang lebih dalam, termasuk suhu yang lebih tinggi dan lingkungan produksi yang sangat korosif (yaitu asin). Untuk jenis aplikasi ini, paduan berbasis batang titanium TC4 (Ti-6Al{-4V) adalah yang paling cocok dan memiliki biaya terendah dalam hal kinerja keseluruhan. Sistem perpipaan air laut merupakan bagian tak terpisahkan dari eksploitasi minyak bawah laut. Karena titanium memiliki ketahanan korosi yang tinggi terhadap air laut, masa pakainya 10 kali lipat dari sistem baja. Oleh karena itu, biaya sistem pipa titanium lebih hemat biaya dibandingkan sistem Cu-Ni. dari. Active Metals of America dan Precision Tube Technology bersama-sama mendirikan Perusahaan Teknologi Tabung Titanium untuk memproduksi tabung paduan titanium berdiameter besar. Paduan yang digunakan untuk pipa ini adalah paduan TA18 (Ti-3Al-2.5V), dengan diameter 650mm, tebal dinding 22-25mm, panjang 350m, dan a pipa seberat 80-90t, yang rencananya akan digunakan untuk eksplorasi minyak bawah laut . Perusahaan lain di Amerika Serikat menggunakan pipa paduan titanium mulus dengan panjang 15m, diameter luar 600mm dan ketebalan dinding 25mm untuk membuat pipa riser sepanjang hampir 500m dengan cara ekstrusi, yang telah digunakan dalam platform pengeboran lepas pantai. Dikatakan bahwa berat tabung riser dapat dikurangi setengahnya, yang dapat sangat mengurangi biaya pemberat, selain itu, ia juga memiliki ketangguhan patah yang tinggi dan umur kelelahan yang lama. Praktek telah membuktikan bahwa paduan Ti-6Al-4V (Gr.5_TC4) adalah material terbaik untuk mengebor pipa. Sebagai aplikasi pengeboran, kekuatan luluh dan kekuatan lelah adalah yang paling penting. Oleh karena itu, dua paduan Gr.5 dengan elemen interstisial rendah cocok untuk perangkat pengangkat dinamis yang lebih kritis. Ketika suhu pengoperasian melebihi 75 ~ 80 derajat, untuk mencegah korosi celah atau korosi tegangan, digunakan paduan Gr29 yang mengandung rutenium. Komponen yang paling umum digunakan meliputi kerekan pengeboran lepas pantai, pipa bor, sambungan tegangan kerucut (TSJ) dan kerekan hibrida titanium/baja. Komponen titanium kecil seperti pompa titanium, katup, sambungan, pengencang, klem dan suku cadang sudah banyak digunakan pada platform pengeboran minyak. Paduan titanium juga banyak digunakan pada cangkang instrumen logging eksplorasi minyak lepas pantai di luar negeri.

2.2 Terdapat lapisan oksida dengan ketebalan tidak lebih dari 10nm pada permukaan bahan titanium untuk bangunan pelabuhan. Ini sangat stabil di lingkungan korosif dan memiliki ketahanan korosi yang sangat baik terhadap lingkungan udara, air laut, dan laut. Saat ini merupakan bahan mentah yang paling cocok untuk berbagai lingkungan laut. Jepang gencar melakukan pembangunan kelautan, seperti jembatan Honsu ke Shikoku, jembatan melintasi Teluk Tokyo, Bandara Kansai, dan pangkalan penyimpanan minyak terapung. Uji paparan yang dilakukan oleh Kementerian Konstruksi dan Klub Besi dan Baja Jepang di permukaan laut Sungai Oigawa dan laporan investigasi berbagai uji paparan anti korosi yang dilakukan oleh Kementerian Transportasi dan Asosiasi Tiang Pipa Baja pada kapal terapung Bosaki trestle pasir juga menunjukkan bahwa titanium adalah material yang paling cocok. Selain sifat anti korosi yang sangat baik, titanium juga memiliki keunggulan ion terlarut yang sangat sedikit di lingkungan air laut, tidak beracun, dan tidak perlu khawatir mencemari lingkungan. Jepang juga telah membangun struktur laut terapung super besar, menggunakan material komposit baja titanium dalam gerusan air laut; dalam pembangunan jalan raya yang membentang di Teluk Tokyo, bahan titanium telah digunakan sebagai badan tiang jembatan yang tahan percikan, dan bahan komposit baja titanium pada setiap tiang jembatan adalah Jumlahnya 0,9t. Struktur laut terapung besar yang sudah digunakan atau direncanakan mencakup bandara, pangkalan logistik pelabuhan, fasilitas olahraga, dan banyak lagi.

2.3 Pemanfaatan air laut secara komprehensif pada pembangkit listrik pesisir merupakan salah satu proyek penting dalam rekayasa kelautan. Kondensor pada pembangkit listrik pesisir merupakan peralatan yang memanfaatkan air laut dalam jumlah besar. Titanium yang digunakan pada pembangkit listrik pesisir sebagian besar adalah titanium yang digunakan dalam kondensor. Karena kondensor menggunakan air laut sebagai air pendingin, dan air laut mengandung sejumlah besar pasir lumpur, bahan tersuspensi, organisme laut dan berbagai zat korosif, situasi yang lebih serius terjadi pada air garam segar dimana air laut dan air sungai bergantian. Kondensor tradisional menggunakan tabung paduan tembaga, yang seringkali rusak parah akibat berbagai korosi pada air laut. Titanium memiliki ketahanan korosi yang baik pada air laut, terutama air laut yang tercemar, dan ketahanan korosi erosi berkecepatan tinggi sangat luar biasa.

2.4 Instalasi desalinasi “Air adalah sumber kehidupan”. Saat ini, kelangkaan air telah menjadi permasalahan yang melanda dunia. Sekitar 25% penduduk dunia tidak memiliki sumber air minum yang memadai. Sumber daya sungai dan air tanah di dunia masih jauh dari memenuhi kebutuhan pembangunan industri. Oleh karena itu, desalinasi air laut akan menjadi metode yang efektif bagi manusia untuk mengatasi masalah sumber daya air tawar di masa depan. Dari perspektif perkembangan desalinasi air laut di dalam dan luar negeri, terdapat dua metode utama: distilasi dan reverse osmosis. Cara pertama adalah memanaskan air laut untuk menguapkannya, kemudian mengembunkan uap tersebut untuk memperoleh air tawar. Yang terakhir adalah memberi tekanan pada air laut, sehingga air tawar di dalamnya melewati membran khusus dan menahan garam untuk memperoleh air tawar. Perangkat desalinasi air laut awal menggunakan paduan tembaga, baja karbon, dan bahan lainnya. Karena bahan ini tidak tahan terhadap korosi air laut dan memiliki efisiensi produksi yang rendah, bahan tersebut dengan cepat digantikan oleh titanium dengan ketahanan korosi air laut yang sangat baik. Dalam desalinasi air laut, aplikasi utama titanium adalah tabung perpindahan panas pemanas di pabrik desalinasi. Produsen utama pabrik desalinasi adalah Amerika Serikat dan Jepang. Pada tahun 2004, terdapat lebih dari 15.000 pabrik desalinasi yang dibangun atau sedang dibangun di dunia, dengan produksi harian sekitar 32 juta ton air tawar. Perusahaan Jepang ini membangun 10 unit penyulingan untuk Arab Saudi dengan keluaran harian sebesar 30,000 ton air tawar, menggunakan 3.200 ton tabung titanium, dan keluaran harian rata-rata sebesar 10,000 ton, yang membutuhkan 107 ton titanium. Tianjin, Shandong, dan tempat lain di negara saya telah membangun atau sedang membangun pabrik desalinasi air laut. Misalnya, rencana awal desalinasi air laut di Tianjin adalah menghasilkan 500,{16}} ton air tawar per hari pada tahun 2007 dan 700,{19}} ton pada tahun 2010. Diperkirakan sekitar 250 ton titanium akan digunakan dalam proyek desalinasi air laut di Tianjin dan Shandong.

2.5 Titanium kapal dan paduannya tahan korosi di air laut dan atmosfer laut, dan dianggap sebagai material kapal yang baik karena berat jenisnya yang ringan, kekuatan tinggi, ketahanan benturan, non-magnetik, transmisi suara, dan koefisien muai yang kecil. Dalam beberapa tahun terakhir, penerapan titanium pada kapal telah menarik banyak perhatian. Industri angkatan laut dan pembuatan kapal di berbagai negara juga sangat mementingkan penerapan titanium pada kapal, dan telah mengembangkan banyak tingkatan paduan titanium laut. Titanium dan paduannya banyak digunakan di kapal, seperti struktur lambung kapal, kapal survei laut dalam dan lambung bertekanan bawah laut, pipa, katup, kemudi, braket poros, aksesori, baling-baling dan pendorong pada penggerak listrik Poros, penukar panas, pendingin, lambung kapal selubung sonar, dan banyak lagi. Penerapan titanium pertama pada lambung kapal adalah kapal selam kelas alfa bekas Uni Soviet. Selanjutnya, titanium digunakan dalam penelitian laut dalam buatan atau tak berawak serta kapal selam bantuan laut dalam. Titanium murni industri digunakan untuk bagian struktural umum, dan paduan Ti-6Al-4V digunakan untuk bejana bertekanan. Menurut laporan, penggunaan titanium pada struktur lambung tidak hanya dapat mengurangi bobot lambung itu sendiri, meningkatkan bobot muatan efektif, tetapi juga mengurangi perawatan dan memperpanjang umur kapal. Paduan aluminium, baja ringan, dan material struktur lambung lainnya umumnya memerlukan perawatan dalam waktu 10 tahun, sedangkan material titanium hampir tidak memerlukan perawatan dan perbaikan, dan masa pakainya dapat diperpanjang dari biasanya 20 tahun menjadi 30 hingga 40 tahun. Penelitian Jepang mengenai paduan titanium untuk kapal survei laut dalam telah membuahkan hasil. Hampir semua ruang tekanan "Deep-Sea 6500" yang dapat menampung 3 operator menggunakan paduan titanium. Hal ini merupakan hasil upaya jangka panjang di Galangan Kapal Mitsubishi Heavy Industries Kobe. Kapal selam menggunakan titanium dalam jumlah besar. Misalnya, kapal selam nuklir dengan kedalaman menyelam 900m menggunakan hingga 3500t titanium.

2.6 Perikanan laut Dilaporkan bahwa perikanan Jepang telah berubah dari penangkapan ikan menjadi budidaya ikan, dan lionfish, flounder, belut, dll. telah dibudidayakan secara buatan. Dalam teknologi pemuliaan buatan, mesh logam titanium dan penukar panas tabung titanium banyak digunakan untuk mempertahankan suhu air laut tertentu. Budidaya ikan kerapu buatan telah diwujudkan di daerah pesisir Fujian di negara saya, dan keranjang budidaya jenis pelat titanium yang digunakan telah membawa manfaat yang sangat baik bagi budidaya ikan kerapu.

2.7 Konversi energi panas laut Terdapat sejumlah besar energi di lautan, seperti energi pasang surut, energi gelombang, energi perbedaan suhu, energi arus laut, energi perbedaan garam, dan sebagainya. Dengan semakin meningkatnya kekurangan energi di dunia, masyarakat akan semakin tertarik pada pengembangan dan pemanfaatan energi laut. Proyek pembangkit listrik termoelektrik dan pasang surut telah diteliti dan dikembangkan. Prinsip pembangkit listrik termoelektrik adalah menggunakan air laut bersuhu tinggi di permukaan laut untuk menguapkan amonia atau freon untuk menggerakkan turbin agar berputar dan menghasilkan listrik, kemudian menggunakan air laut bersuhu rendah di laut dalam untuk mendinginkan amonia yang menguap. atau freon untuk membentuk sistem mesin panas siklus berkelanjutan. Peralatan utama pembangkit listrik termoelektrik adalah evaporator, kondensor, pipa hisap air laut, loop, dll., yang tidak hanya memerlukan ketahanan terhadap korosi, tetapi juga ketahanan terhadap korosi amonia dan fluor. Titanium dan paduannya tidak hanya memiliki ketahanan korosi air laut yang baik, tetapi juga tahan terhadap korosi amonia dan fluor, sehingga titanium merupakan material yang paling ideal. Evaporator dan kondensor tabung titanium telah digunakan di pembangkit listrik termoelektrik di Amerika Serikat dan Jepang, dan hasil yang baik telah dicapai.

(3) Prospek

Sebagai pasar sipil titanium yang sedang berkembang, teknik kelautan telah berkembang pesat dalam beberapa tahun terakhir. Dengan semakin memburuknya krisis energi dunia, semua negara di dunia akan menginvestasikan banyak tenaga kerja dan sumber daya material untuk mengeksploitasi sumber daya minyak dasar laut dan sumber daya mineral lainnya; dalam tren kekurangan air bersih global, semua negara pesisir akan menggunakan air laut untuk memproduksi air bersih; Persaingan peralatan angkatan laut berbagai kekuatan militer yang semakin ketat tidak terlepas dari bahan titanium dan paduan titanium. Oleh karena itu, penerapan titanium dan paduannya dalam teknik kelautan akan semakin luas. Titanium untuk teknik kelautan diharapkan menjadi pasar aplikasi yang lebih besar untuk bahan titanium.