Zastosowanie materiałów ze stopów tytanu na statkach

Tytan i materiały ze stopów tytanu są szeroko stosowane na statkach. Z wyjątkiem akcesoriów statków i wyposażenia kabin, całe duże wyposażenie i części mogą wykorzystywać tytan i materiały ze stopów tytanu, takie jak elektroniczne systemy informacyjne, systemy zasilania, systemy pomocnicze, konstrukcje kadłuba, układy napędowe itp. Obce materiały ze stopów tytanu są stosowane głównie w kadłubie materiały konstrukcyjne, pompy okrętowe, zawory, rury i inne akcesoria, urządzenia napędowe, wymienniki ciepła, skraplacze, chłodnice, parowniki, urządzenia akustyczne itp.; domowe materiały ze stopów tytanu są stosowane głównie w łodziach podwodnych, urządzeniach napędowych, radarach pokładowych, sprzęcie elektronicznym, elementach złącznych itp.

1. Powłoka (odporność na ciśnienie)
Na statkach łodzie podwodne i podwodne są wykorzystywane głównie do produkcji powłok ciśnieniowych ze stopu tytanu. Stopy tytanu charakteryzują się wysoką wytrzymałością właściwą, dobrą odpornością na korozję i właściwościami niemagnetycznymi, co czyni je wysokiej jakości materiałami do produkcji osłon ciśnieniowych sprzętu głębinowego.

Rosja jest pierwszym krajem, który zastosował w atomowych okrętach podwodnych osłony ciśnieniowe ze stopu tytanu, a także światowym liderem technologicznym. Od lat 60. XX wieku Rosja (były Związek Radziecki) wyprodukowała serię okrętów podwodnych ze stopu tytanu. Początkowo Rosja zbudowała nuklearny okręt podwodny nr 661 ze stopu tytanu, który był łodzią testową. Później Rosja zbudowała kolejno 7 okrętów podwodnych ze stopu tytanu klasy „Alpha”, 1 okręt podwodny klasy „Mike” i 4 okręty podwodne klasy „Sierra”. Te nuklearne okręty podwodne to wszystkie rodzaje ataków, wśród których okręt podwodny ze stopu tytanu klasy „Alfa” wykorzystuje 3,000 ton stopu tytanu. Wyprodukowany przez Rosję atomowy okręt podwodny klasy „Tajfun” jest największym okrętem podwodnym na świecie pod względem objętości i tonażu, a zużycie tytanu w nim sięga 9,000 ton.

Obecnie najnowsza generacja rosyjskich atomowych okrętów podwodnych klasy „Borey” również wykorzystuje kadłuby ciśnieniowe ze stopu tytanu.

Innym ważnym zastosowaniem kadłubów ciśnieniowych ze stopu tytanu są okręty podwodne głębinowe. Załogowa łódź podwodna „Jiaolong” to załogowa łódź podwodna opracowana niezależnie przez mój kraj, o projektowanej maksymalnej głębokości nurkowania większej niż 7,000 metrów. Kadłub ciśnieniowy załogowej łodzi podwodnej „Jiaolong” wykonany jest ze stopu tytanu. Obecnie większość głównych na świecie załogowych łodzi podwodnych głębinowych wykorzystuje stopy tytanu jako materiał przygotowawczy do kadłuba ciśnieniowego. Na przykład materiały powłokowe głębinowych łodzi podwodnych załogowych, takich jak amerykańskie Alvin i NewAlvin, chiński Jiaolong, francuski Nautile i japoński Shinkai 6500, są w całości wykonane ze stopów tytanu [9]. Stop tytanu stał się preferowanym materiałem na odporne na ciśnienie powłoki głębinowych łodzi podwodnych.

2. Urządzenie napędowe

Ze względu na wpływ wody morskiej i klimatu morskiego materiał śruby napędowej statku musi mieć wyższą wytrzymałość zmęczeniową na korozję i odporność na kawitację. W porównaniu ze stopami miedzi i stalą stop tytanu ma przewagę pod względem wytrzymałości zmęczeniowej na korozję i odporności na kawitację. Ponadto, ze względu na małą gęstość stopu tytanu, przy wytwarzaniu śmigieł tej samej wielkości masa śmigieł ze stopu tytanu jest mniejsza niż w przypadku innych powszechnie stosowanych materiałów. Dlatego wydajność napędu statków wykorzystujących śmigła ze stopu tytanu jest wyższa. W połączeniu z wysoką wytrzymałością zmęczeniową na korozję i odpornością na kawitację śmigieł ze stopu tytanu, ich konserwacja i pielęgnacja będą łatwiejsze, wydłużając żywotność śmigła. Stop tytanu jest idealnym materiałem na śruby napędowe statków.

Rosja, Wielka Brytania i inne kraje zaczęły próbować stosować na statkach śruby napędowe ze stopu tytanu już w latach sześćdziesiątych XX wieku. Na przykład Rosja używa śmigieł ze stopu tytanu w atomowych okrętach podwodnych klasy „Alfa” i „Mike”. Stany Zjednoczone również zastosowały na wielu statkach śmigła ze stopu tytanu. Na przykład Marynarka Wojenna Stanów Zjednoczonych używa trójłopatowego, odłączanego, superkawitującego śmigła ze stopu tytanu o średnicy 812,8 mm w swojej badawczej ścigarce łodzi podwodnych o masie 50 ton. Szybka kanonierka „Asheville” wykorzystuje czterołopatowe śmigło ze stopu tytanu o zmiennym skoku. Duży amerykański wodolot wojskowy „Plainview” wykorzystuje czterołopatowe, odłączane śmigło ze stopu tytanu superkawitującego, wykonane z materiału Ti-6Al-4V, o średnicy 1,52 m. w moim kraju z powodzeniem opracowano różnorodne śruby napędowe ze stopu tytanu i z powodzeniem zastosowano je na wielu statkach. Na przykład wodoloty ze stopu tytanu Ti-5Al-2.5Sn i Ti-6Al-4V zostały pomyślnie opracowane w 1972 r. i do tej pory były stosowane na wielu statkach . Lata użytkowania wykazały, że śmigła ze stopu tytanu mają dużą odporność na korozję, a ich żywotność jest trzykrotnie dłuższa niż w przypadku tradycyjnych śmigieł ze stopu miedzi.

Oprócz śrub okrętowych w silnikach okrętowych stosuje się również materiały ze stopów tytanu. Na przykład lodołamacze o napędzie atomowym produkowane w Rosji wykorzystują silniki parowe zawierające materiały ze stopów tytanu. Zastosowanie urządzeń napędowych ze stopu tytanu może zapobiec wpływowi na statki dużych prądów indukowanych, generowanych w wyniku przecięcia ziemskich linii magnetycznych podczas żeglugi. Ponadto w niektórych statkach do napędu strugowodnego zastosowano materiały ze stopów tytanu, np. amerykańska łódź testowa SES-100A i japońska łódź torpedowa „PT-10”. W ich urządzeniach napędu strugowodnego zastosowano odkuwki przemysłowe z czystego tytanu i stopów tytanu, co zmniejsza wagę urządzenia i poprawia wydajność urządzenia napędzającego strugę wody.

3. Pompy, zawory, rury i ich akcesoria
Rosyjskie wymagania dotyczące eksploatacji systemów rurociągów okrętowych stanowią, że trwałość materiałów konstrukcyjnych powinna wynosić od 8 do 9 lat przed pierwszą naprawą doku, a żywotność przed całkowitą wymianą systemu nie powinna być krótsza niż 15 lat. Wymóg ten może zapewnić statkom wszystkich poziomów skuteczną służbę przez 25–30 lat. Statki działają na morzu, dlatego pompy, zawory, rury i inne akcesoria na statkach poddawane są próbie w trudnych warunkach morskich.

W instalacjach rurowych rosyjskich statków cywilnych zazwyczaj stosuje się rury miedziane M3C i rury ze stopów miedzi MH-5-1 w zależności od prędkości przepływu wody, natomiast w zaworach, pompach i wymiennikach ciepła stosuje się stopy miedzi. Jeżeli rury statku wykonane są ze stopów miedzi, mogły ulec korozji i uszkodzeniu w drugim roku, co utrudnia spełnienie wyżej wymienionych wymagań użytkowych. Aby spełnić wymagania użytkowe, może być konieczne pogrubienie grubości rury, a jednocześnie zwiększenie średnicy rury, aby zapewnić prędkość przepływu wody. Wzrosła waga i koszt całego systemu rurociągów statku.

Jednak pompy, zawory, rury itp. rosyjskich okrętów wojennych wykorzystują więcej materiałów ze stopów tytanu. Okręty wojenne są w służbie od dawna, a praktyka ich użytkowania udowodniła, że ​​rury, zawory, pompy, wymienniki ciepła i inne produkty ze stopu tytanu charakteryzują się dużą odpornością na korozję w wodzie morskiej i długą żywotnością. Jeśli do produkcji układu poboru wody na statku użyte zostaną wyłącznie materiały tytanowe, można znacznie wydłużyć żywotność układu i poprawić niezawodność użytkowania.

Marynarka Wojenna Stanów Zjednoczonych używa na statkach systemów rurowych ze stopu tytanu. W porównaniu z tradycyjnymi rurami ze stopów miedzi i niklu, stop tytanu ma dużą odporność na korozję. Nawet w wodzie morskiej płynącej z dużą prędkością (przy natężeniu przepływu 13 m/s) nie zostanie ona wypłukana i skorodowana przez wodę morską. Jest szczególnie odpowiedni do rurociągów, w których czynnikiem roboczym jest poruszająca się woda morska, duże natężenie przepływu i wysokie ciśnienie. Dlatego też, pod warunkiem zapewnienia tego samego natężenia przepływu wody morskiej, wysoka odporność korozyjna stopu tytanu pozwala na zaprojektowanie cieńszego rurociągu, zmniejszenie średnicy rurociągu, zmniejszenie przestrzeni zajmowanej przez statek, elastyczność układ został udoskonalony, a koszty konserwacji również zmniejszone. Ponadto gęstość stopu tytanu jest niewielka, około połowa gęstości stopu miedzi i niklu, a jakość wytwarzanego przez niego rurociągu jest niewielka, co ogranicza ilość sprzętu używanego do podparcia rurociągu. Zmniejsza się obciążenie statku i zmniejsza się zużycie paliwa.

4. Urządzenie akustyczne statku
Materiały ze stopu tytanu można również stosować w urządzeniach akustycznych na statkach, takich jak kopuły sonarów, elementy przetworników hydroakustycznych, mikrofony, części telefonów itp. Sonar to najskuteczniejszy sprzęt stosowany na statkach do wykrywania celów pod wodą. w moim kraju stosuje się głównie stal nierdzewną i włókno szklane wzmocnione włóknem szklanym, ale w porównaniu z materiałami ze stopu tytanu jego przepuszczalność dźwięku i odporność na kolizje są stosunkowo słabe. Rosja zastosowała kopuły sonaru ze stopu tytanu w atomowym okręcie podwodnym Kursk, lotniskowcu Mińsk, lotniskowcu Kijów itp., A rzeczywisty efekt wykrywania sonaru jest dobry.