海洋工学におけるチタン合金の応用状況と展望
(1) はじめに
地球表面の約71％を占める海洋には、豊富な資源が存在します。海洋を私たちの莫大な富の源とするために、海洋を開発し利用することは、長年にわたる人々の努力の方向の一つとなっています。しかし、海水には塩分が約 3.5% 含まれているため、腐食性があります。さらに、海洋の生物学的汚染によっても海水の腐食が促進されます。チタンは優れた物性と安定した化学的性質を備えた素材です。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。チタン業界の人々と海洋工学応用研究者による長年の努力の結果、チタンは海洋石油・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きました。変換。現在、海洋工学用チタンはチタン民生応用の主要分野の一つとなっています。
(2) 申請状況
2.1 海洋石油およびガス開発 石油は国の経済的ライフラインです。世界の回収可能な石油埋蔵量は3,000億トンと推定されており、そのうち海底石油埋蔵量は約1,300億トンです。海底石油の開発は 20 世紀初頭に始まりました。その発展は、沖合から遠海へ、浅海から深海へという過程を経てきました。技術的条件と材料開発による制限により、当初は海岸から浅海に直接広がる石油と天然ガスの鉱床のみが開発可能でした。 1980年代以降、エネルギー危機と技術進歩に刺激されて、海洋石油探査と開発は急速に発展し、海洋石油開発は急速に大陸棚に進出し、徐々に新しい海洋石油産業部門を形成しました。海洋掘削プラットフォームは、海底石油とガスの探査と開発のための作業基地であり、海底石油とガス開発技術のレベルを示しています。海洋石油生産設備には、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、備品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、その他の媒体と接触します。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 年代初頭に油田でチタン製の海洋石油プラットフォーム柱を使用し、チューブ熱交換器やプレート熱交換器の製造にチタンを使用しました。ヒータ。チタンシェルアンドチューブ熱交換器は、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するための冷却媒体として海水を使用します。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冷却媒体として海水を使用します。米国は、北海の石油掘削装置で約 100 台のチタン製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ハンティング・オイルフィールド・サービス社が発注したチタン部品は、ノルウェーのコノコのハイドラム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る。石油チタン合金チタンドリルパイプは長寿命で、重量はステンレス鋼の半分ですが、使用柔軟性はステンレス鋼の2倍、寿命は鋼の10倍です。これらの優れた特性により、チタンは困難な近円形の深井戸の掘削に優れた材料となります。チタンドリルパイプを含む組み合わせ穴あけ工具は、穴あけ時間を大幅に短縮し、全体的な穴あけコストを削減します。 2000 年、米国の GrantPrideco、RTI Energy Systems、Torch Drilling Services が初めてチタン ドリル パイプを産業用途に使用しました。 GrantPrideco と RTI Energy Systems によって製造および供給されているチタン ドリル パイプには、GrantPrideco Anti-Fatigue のスチール ツール ジョイントも備えています。ジョイントは軽量で柔軟性があり、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に不可欠な部分です。チタンは海水に対する耐食性が高いため、寿命はスチール系の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、大口径チタン合金チューブを製造するチタン チューブ テクノロジー会社を設立しました。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 15 メートル、外径 600 mm、肉厚 25 mm の継ぎ目なしチタン合金パイプを使用して、長さ約 500 メートルのライザーパイプを押出成形で製造し、海洋掘削プラットフォームで使用されています。ライザーチューブの重量を半分に減らすことができ、バラストコストを大幅に削減できるほか、破壊靱性が高く疲労寿命も長いという。報道によると、米国の北海油田開発プロジェクトでは、浮体装置や海底の固定装置に使用されるチタンの量が従来に比べて増加しているという。 24 個の浮体装置と 64 個の海中固定装置用のチタン材料の需要は、安全保護装置用に 50-100t、接続装置用に 50-100t、一般的な吊り上げ装置用に 400-1000t、および1400-4200t はドリルパイプ用です。海洋石油探査プラットフォームの生物学的付着によって引き起こされる構造部品の腐食は非常に深刻です。米国のある企業は、採掘プラットフォーム上の部品を保護するために、チタンパイプで作られた長いケーシングを採掘プラットフォームに使用しています。過去数年間、石油掘削や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、高温や腐食性の高い（塩分の多い）生産環境を含む、より深い海やより深い井戸への石油掘削が可能になります。このタイプの用途には、TC4 チタン棒 (Ti-6Al-4V) ベースの合金が全体的な性能の点で最も適しており、コストも最も低くなります。海水パイプラインシステムは海底石油開発に不可欠な部分です。チタンは海水に対する耐食性が高いため、寿命はスチール系の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、大口径チタン合金チューブを製造するチタン チューブ テクノロジー会社を設立しました。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、重さ80-90tのパイプ。海底石油探査に使用される予定です。米国の別の会社は、長さ 15 メートル、外径 600 mm、肉厚 25 mm の継ぎ目なしチタン合金パイプを使用して、長さ約 500 メートルのライザーパイプを押出成形で製造し、海洋掘削プラットフォームで使用されています。ライザーチューブの重量を半分に減らすことができ、バラストコストを大幅に削減できるほか、破壊靱性が高く疲労寿命も長いという。 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、特に格子間元素が少ない 2 つの Gr.5 合金は、より重要な動的リフティング装置に適しています。使用温度が75～80度を超える場合には、隙間腐食や応力腐食を防止するため、ルテニウムを含有したGr29合金が使用されます。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)、チタン/スチール ハイブリッド ホイストなどがあります。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型チタン部品は、すでに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、海外の海洋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 港湾建築用チタン材の表面には厚さ10nm以下の酸化皮膜が存在します。腐食環境において非常に安定しており、大気、海水、海洋環境に対して優れた耐食性を示します。現在、さまざまな海洋環境に最適な原料です。日本は本州から四国に架かる橋、東京湾に架かる橋、関西空港、浮体式石油貯蔵基地などの海洋開発を精力的に進めてきた。建設省、日本鉄鋼クラブが大井川海面で実施した暴露試験、運輸省、鋼管杭協会が坊崎フローティングで実施した各種防食暴露試験の調査報告書砂架台はチタンが最適な材料であることも示しました。チタンは、優れた耐食性に加え、海水環境中の溶存イオンが極めて少なく、毒性がなく、環境汚染の心配がないという利点があります。日本はまた、海水洗掘にチタン鋼複合材料を使用した超大型の浮体海洋構造物を建設した。東京湾横断高速道路の建設では、橋脚の防沫胴体にチタン材が使用されており、橋脚1本あたりのチタン鋼複合材の量は0.9tにもなります。すでに使用または計画されている大型浮体海洋構造物には、空港、港湾物流基地、スポーツ施設などが含まれます。
2.3 沿岸発電所における海水の総合的利用は海洋工学における重要なプロジェクトの 1 つである。沿岸発電所の復水器は海水を大量に利用する設備です。沿岸発電所で使用されるチタンは主に復水器に使用されるチタンです。復水器は冷却水として海水を使用しており、海水中には泥砂、浮遊物質、海洋生物、各種腐食性物質が多量に含まれているため、海水と河川水が交互に存在する淡水ではさらに深刻な状況となります。従来のコンデンサーは銅合金チューブを使用していましたが、海水中でのさまざまな腐食により深刻な損傷を受けることがよくありました。チタンは海水、特に汚染海水中での耐食性に優れており、特に高速エロージョンコロージョン耐性は優れています。
2.4 淡水化プラント 「水は生命の源」。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% には十分な飲料水源がありません。世界の陸地の河川と地下水資源は、産業発展のニーズを満たしているとは言えません。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有効な方法となるでしょう。国内外の海水淡水化の発展の観点からは、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蒸発させ、その蒸気を凝縮して真水を得る方法である。後者は、海水を加圧し、その中の淡水を特殊な膜を通過させて塩分を保持して淡水を得る方法である。初期の海水淡水化装置には、銅合金、炭素鋼、その他の材料が使用されていました。これらの材料は海水腐食に弱く、生産効率も低いため、急速に耐海水腐食性に優れたチタン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。海水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 か所以上の淡水化プラントが建設または建設中であり、毎日約 3,200 万トンの淡水が生産されていました。この日本企業はサウジアラビア向けに蒸留装置を 10 基建設し、1 日あたり 30,{9}} トンの真水を生産し、3,200 トンのチタン管を使用しました。また、1 日平均生産量は 10,{13}} トンで、チタン107トン。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暫定計画では、2007年までに1日あたり500,{16}}トン、2010年までに700,000トンの淡水を生産する予定です。チタンは約250トンと推定されています。天津と山東省の海水淡水化プロジェクトで使用される予定です。
2.5 船舶用チタンおよびその合金は、海水および海洋大気中で耐食性があり、比重が軽く、強度が高く、耐衝撃性があり、非磁性であり、音響透過性があり、膨張係数が小さいため、優れた船舶材料と考えられています。近年、チタンの船舶への応用が注目を集めています。各国の海軍や造船業界も船舶へのチタンの応用を非常に重視しており、多くのグレードの船舶用チタン合金を開発しています。チタンとその合金は、船体構造、深海調査船、潜水艦耐圧船体、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や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。船舶の船体にチタンが初めて適用されたのは、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研究や深海支援潜水艦に使用されました。一般構造部品には工業用純チタンが使用され、圧力容器にはTi-6Al-4V合金が使用されます。報告によると、船体構造にチタンを使用すると、船体自体の重量が軽減され、有効積載重量が増加するだけでなく、メンテナンスが軽減され、船の耐用年数が長くなります。アルミニウム合金や軟鋼などの船体構造材は一般に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、寿命を通常20年から30～40年に延ばすことができます。日本の深海調査船用チタン合金の研究は成果を上げている。 3名のオペレーターを収容できる「Deep-Sea 6500」圧力チャンバーのほぼすべてにチタン合金が使用されています。これは三菱重工神戸造船所の長年にわたる努力の成果です。潜水艦には大量のチタンが使用されています。例えば、潜水深度900メートルの原子力潜水艦には最大3500トンのチタンが使用されます。
2.6 海洋漁業 日本の漁業は漁業から養魚へと変化し、ミノカサゴ、ヒラメ、ウナギなどが人工養殖されるようになったと報告されている。人工繁殖技術では、海水温度を一定に保つためにチタン金属メッシュやチタンチューブ熱交換器が広く使われています。我が国の福建省沿岸地域ではハタの人工養殖が実現されており、使用されているチタン板型養殖籠はハタの養殖に優れた恩恵をもたらしています。
2.7 海洋熱エネルギー変換 海洋には、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存在します。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・利用への関心はますます高まっている。熱電発電および潮力発電プロジェクトが研究開発されています。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させてタービンを回転させて発電し、気化したアンモニアを深海の低温の海水で冷却するというものです。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、海水吸引管、ループ等であり、耐食性だけでなく、耐アンモニア性、耐フッ素性も要求されます。チタンおよびその合金は、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も腐食されにくいため、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熱電発電所で使用されており、良好な結果が得られています。
(3) 今後の展望
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。世界エネルギー危機のさらなる悪化に伴い、世界各国は海底石油資源やその他の鉱物資源の開発に多大な人的資源と物的資源を投資することになる。世界的な淡水不足の傾向の中で、すべての沿岸国は淡水を生産するために海水を使用するでしょう。さまざまな軍事大国の海軍装備品のますます熾烈な競争は、チタンおよびチタン合金材料と切り離すことができません。したがって、海洋工学におけるチタンとその合金の応用はますます広範囲になるでしょう。海洋工学用チタンは、チタン材料のより大きな応用市場となることが予想されています。
