摘 要：本文闡述了鈦合金作為艦船管路材料的優(yōu)勢，分析了近年來海綿鈦市場價格走勢，探討了鈦合金管路的成本，并建立了鈦合金管路采購價格與海綿鈦市場價格的參照關系式。

　　關鍵詞：海綿鈦；鈦合金；管路系統(tǒng)；價格

　　Abstract： This paper expounds the advantages of titanium alloy as the ship piping material， analyzes the sponge titanium market price in recent years， and the cost of titanium alloy pipe is discussed， and establish relationships the titanium alloy pipe purchase price and the price of sponge titanium.

　　Key words： Navy ship； Titanium alloy； piping system；price

　　鈦合金因具有密度低、比強度高、優(yōu)良的耐蝕性、韌性好、形狀記憶、可焊、中溫性能好、無磁等優(yōu)點，在航空、航天、艦船及海洋工程等軍用及民用領域應用廣泛。

　　由于鈦合金對海水具有很強的抗蝕性和很高的比強度，是一種理想的艦船管路系統(tǒng)材料。各國對鈦合金在艦船上的應用研究十分重視，并在艦船管路系統(tǒng)中大量采用鈦合金，以提高艦船設備運行的可靠性和使用壽命，從而提高艦船的技術、戰(zhàn)術性能。

　　1 鈦合金管材的優(yōu)勢

　　鈦合金由于具有優(yōu)異的性能，特別適用于工作介質(zhì)為高壓、高流速、動海水的通海管路系統(tǒng)和動力裝置排氣管路系統(tǒng)。用鈦合金制造艦船的管路及附件（包括管子、彎頭、三通、閥門等），不但可以減少艦船管路系統(tǒng)管子的直徑和壁厚，而且可以減輕重量。

　　根據(jù)B10銅合金、雙相鋼和鈦合金三種材料的耐海水沖刷腐蝕的數(shù)據(jù)中可以看出：B10銅合金在流速大于5 mm/s時已經(jīng)有了較為明顯的腐蝕，所以只能用于海水流速小于5 mm/s的管路系統(tǒng)中；雙相不銹鋼是一種耐海水腐蝕的材料，但由于焊接工藝若控制不好，焊接接頭容易發(fā)生相變，大幅降低焊接接頭的耐蝕性；鈦合金是三種材料中是耐海水沖刷腐蝕性能最好的材料，在10～25 m/s的沖刷條件下不腐蝕，甚至在36 m/s的沖刷條件下腐蝕速度也僅為0.008 mm/a。

　　根據(jù)鈦合金管材和其他船用耐蝕材料管材的全壽期費用可以看出：銅合金管道的平均服役期限為10年，而鈦合金的服役期限為3O年。如果按30年計算，則銅合金管材需要更換2次，全壽命內(nèi)銅合金管材投入的材料費是鈦合金管材的近3倍，還沒有把檢修和更換期間所引起的損失費用考慮進去，包括設備加工費、運輸費、安裝費，以及由于設備更換而導致艦船在役時間的縮短等。

　　美、俄等國早在上世紀60年代初就已開始用鈦合金逐步代替銅合金、不銹鋼等常規(guī)耐海水腐蝕材料，應用范圍包括海水冷卻系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、熱交換器設備、管系、噴水推進裝置等。俄羅斯核潛艇二回路和通海管系已全部采用鈦合金制造，僅二回路系統(tǒng)減重效果達到40%以上，且服役期限達到了與艇體同壽命，實現(xiàn)了全壽命周期的低成本。

　　在2004年，美國推出了NGMTI計劃（Next Generation Manufacturing Technology Initiative），新興工藝技術是該計劃的首要重點領域。在該計劃中，將低成本鈦生產(chǎn)列為該領域的第二大方向。隨著美國低成本鈦生產(chǎn)技術的發(fā)展，鈦在艦艇上的應用會更加廣泛。

　　2 海綿鈦市場價格分析

　　圖1為2006年10月～2014年6月海綿鈦價格走勢圖。由圖1可以看出，2006年海綿鈦價格處于20萬元/ t以上的高位，但隨后震蕩下行，由于產(chǎn)能過剩等原因，至2014年6月，已跌至 4.6萬元/ t左右，。

　　隨著經(jīng)營壓力的增大，生產(chǎn)企業(yè)不得不挖潛增效、改進工藝、提高技術、降低成本，更加優(yōu)良的冶煉工藝和技術，必將對海綿鈦市場價格穩(wěn)定起到支撐作用。

　　3 鈦合金管材和管路附件價格分析

　　鈦合金管材價格由材料費和制造費兩大部分組成。

　　工業(yè)純鈦由海綿鈦直接真空熔煉而成，其原材料費較低。而鈦合金由于添加了合金元素，材料費相應提高，特別是添加了稀貴合金元素的鈦合金材料費將大幅提升。

　　鈦合金管分為無縫管和焊接管。鈦合金在高溫下容易吸氧和吸氫，熔煉需要在真空環(huán)境中進行。當合金元素含量較高時，為保證成分均勻，熔煉次數(shù)一般不低于三次。鈦合金鑄錠一般要經(jīng)過切除冒口和扒皮之后才能進行后續(xù)的開坯鍛造工序，這導致材料存在一定量的損失，鑄錠熔煉工序的材料收得率約為80%～95%。

　　鈦合金屬于難變形材料，成形工藝窗口窄，且微觀組織對工藝參數(shù)特別敏感，而微觀組織形貌又直接決定了鈦合金管件的機械性能。鑄錠開坯鍛造和方坯改鍛階段一般要進行5～10火次鍛造，嚴格控制每火次變形溫度、變形量和應變速率，以達到破碎粗大魏氏組織、細化晶粒和調(diào)控性能的目的。目前，單火次鍛造費用約為5～10元/kg。在鍛造過程中邊角部位容易開裂，要對開裂部位進行切除打磨處理，另外還會出現(xiàn)表面氧化形成氧化皮。這些因素都會導致材料損失，在開坯鍛造和方坯改鍛環(huán)節(jié)材料的收得率約為75%～85%。

　　圖2給出了25×2和25×0.7兩種鈦合金無縫管2013年市場價格波動情況。2014年1月海綿鈦價格同比下降25%，而25×2和25×0.7兩種管價格分別同比降低10%和15%，市場價格分別是海綿鈦價格的2.8倍和2.9倍。這是因為原材料價格在鈦管價格中所占比例僅為34%-36%，海綿鈦價格下降但鈦管制造費用并沒有降低，這導致鈦無縫管價格降幅較小。鈦合金無縫管制造費用更高，這是由于鈦合金相比純鈦來說變形抗力大、成形溫度高、各工藝流程中材料收得率較低等因素導致。 　　合金化程度高或口徑較大的鈦合金管材及管路附件只能采用焊接結構。焊接管制造工藝流程中的有些工序和無縫管相同，但方坯改鍛之后要進行板材的軋制，鈦合金一般采用熱軋成形，軋制成本較高。軋板一般需要3～5火次，每火次軋制費用約為15～20元/kg。每火次軋制后板坯尺寸要進行修整，這使得軋制過程中材料的收得率在70%-80%之間。

　　軋制板材經(jīng)噴砂和酸洗等輔助工序后進行坡口加工、卷板、焊接等工序。鈦合金在焊接過程中會與空氣發(fā)生化學反應，如處理不當就會吸收空氣中的雜質(zhì)，使鈦合金材料變脆。為避免出現(xiàn)這樣的情況，在焊接鈦合金管過程中需采取一系列控制措施，如使用輔助氬氣保護拖罩或采用側面氬氣保護等措施。這些保護措施會降低鈦合金管焊接的生產(chǎn)效率，增大氬氣等耗材的使用量，這些因素無疑會增加鈦合金管的焊接成本。

　　艦船管路附件一般包括彎頭、三通和變徑管等，是在管材的基礎上進行深加工制造的。與銅合金管件室溫成型不同，鈦合金管件往往需要在再結晶溫度以上進行高溫成型，這就造成鈦合金管件制造成本高，一般為銅合金的3倍以上。

　　鈦合金管路一般由鈦合金管材與管路附件焊接而成的。因此鈦合金管路采購價格由材料費和各環(huán)節(jié)的制造費用組成，即

　　F=（a+b）/（k1?k2?k3）+ g1?n1 /（k1?k2?k3） +g2?n2/（k2?k3） + g3?n3/ k3+Σ +? （1）

　　式中：F為焊接管路的采購價格（元/kg）；a為海綿鈦市場價格（元/kg）；b為海綿鈦添加合金元素費（元/kg）；g1為鑄錠熔煉費（10～15元/kg）；g2為鍛造費（5～10元/kg）；g3為板材軋制費（15～20元/kg）；n1、n2、n3分別為熔煉、鍛造和軋制火次（次）；k1、k2、k3分別是分別為熔煉、鍛造和軋制過程的材料收得率（%）；Σ為焊接費用和其他輔助工序費用（元/kg）；?為管路附件附加費（（元/kg））。

　　由上述分析可知，鈦合金屬于難變形材料，制造過程中各工序費用較高、材料收得率較低，雖然近年來海綿鈦價格處于低位，但管路系統(tǒng)采購價格并不會有明顯的降低。

　　5 結論

　　鈦合金管路系統(tǒng)在全壽命周期內(nèi)的經(jīng)濟性具有顯著的優(yōu)勢，鈦合金管路系統(tǒng)在國外艦船通海管路和排煙管路等管路系統(tǒng)中獲得了成功的應用。海綿鈦近兩年價格持續(xù)走低，隨著海綿鈦生產(chǎn)工藝的提高和生產(chǎn)企業(yè)的競爭，海綿鈦價格將長期處于低位，鈦合金管路系統(tǒng)的采購價格將不會有較大的波動，這為我國造船及海洋工程選用鈦合金提供了更大的空間。

　　參考文獻

　　[1] 王向東，逯福生，賈?，郝斌. 2013年中國鈦工業(yè)發(fā)展報告[J].中國鈦業(yè)，2013，（1）.

　　[2] 威爾德[譯]. 美國海軍采用艦船管系新材料 [J].中外船舶科技.2003（4）.