استخدام التيتانيوم وسبائك التيتانيوم في المعدات البحرية

التيتانيوم هو المادة الأكثر مثالية في البيئة البحرية. يمكن أن يؤدي استخدام التيتانيوم إلى تحسين فعالية القتال للسفن والمعدات البحرية بشكل كبير، وتقليل تكاليف الصيانة، وإطالة عمر الخدمة، وتحسين التخفي. استخدمت القوات البحرية الروسية والأمريكية والصينية التيتانيوم على نطاق واسع في هياكل الضغط وأنظمة خطوط أنابيب مياه البحر والهياكل الفوقية والمكونات الأخرى للغواصات والغواصات تحت الماء والسفن السطحية والسفن والمعدات الأخرى.

1. هيكل الضغط
الدرجات التيتانيوم المستخدمة للكرات المأهولة للغواصات في أعماق البحار في الداخل والخارج هي بشكل أساسي Ti-6Al-4V و Ti-6Al-4VELI (المقابلة للدرجات المحلية TC4 و TC4ELI). تم تصنيع العديد من الكرات المأهولة للغواصات في أعماق البحار من الفولاذ في المرحلة المبكرة، ولكن تم استخدام التيتانيوم بدلاً من ذلك في المرحلة اللاحقة، مما يمكن أن يقلل الوزن ويزيد من عمق الغوص ويحسن عمر الخدمة. على سبيل المثال: ① تم بناء الغواصة الأمريكية Alvin في عام 1964 باستخدام فولاذ HYl00 عالي القوة (سمك اللوحة 33.8 مم) بعمق غوص 2000 متر. عندما أعيد بناؤها في عام 1973، تم استبدال هيكل الضغط بسبيكة التيتانيوم (سمك اللوحة 49 مم)، وزاد عمق الغوص إلى 3600 متر. كما استخدم صندوقها المساعد ومولد الغاز عالي الضغط Ti-6Al-4VELI؛ ② تم تصنيع الغلاف الكروي المأهول "Deepsea 2000" الياباني من الفولاذ، وتم استخدام التيتانيوم لإعداد الغلاف الكروي المأهول عندما تم بناء "Deepsea 6500" لزيادة عمق الغوص.

من حيث تطبيق هياكل الضغط للغواصات، كانت روسيا أول من استخدم التيتانيوم. وهي حاليًا الدولة ذات التكنولوجيا الأكثر تقدمًا ونضجًا في العالم لاستخدام التيتانيوم لتصنيع هياكل الضغط. الدرجة الوحيدة من التيتانيوم المستخدمة في تصنيع الغواصات النووية المصنوعة بالكامل من التيتانيوم هي سبائك التيتانيوم IIT-3B (المقابلة للدرجة المحلية TA17). في السنوات الأخيرة، فضلت الصين أيضًا استخدام مواد التيتانيوم عند بناء الغواصات، وتتركز الدرجات بشكل أساسي في TA17 وTC4 وTC4ELI وTC11 والتيتانيوم النقي، إلخ.

بالإضافة إلى ذلك، تقوم العديد من البلدان حاليًا ببناء غواصات مأهولة في أعماق البحار وأسلحة ومعدات من التيتانيوم بالكامل في أعماق البحار. نجحت الغواصة المأهولة بالكامل "Struggler" التي تم بناؤها في الصين في تحدي أعمق جزء من محيط العالم - خندق ماريانا في 10 نوفمبر 2020، بعمق 10909 مترًا، محققة حلم الشعب الصيني في أعماق البحار. مادة الغلاف الكروي المأهول للغواصة هي سبيكة تيتانيوم عالية القوة وعالية الصلابة ومقاومة للتلف من إنتاج شركة Baoti المحدودة؛ بدأت الصين في بناء معدات أعماق البحار بالكامل من التيتانيوم.

2. نظام خطوط أنابيب مياه البحر
إن نظام خطوط أنابيب مياه البحر معقد وله العديد من مواصفات القطر. يجب أن تتمتع المواد المختارة بخصائص مقاومة التآكل في مياه البحر والقوة العالية والأداء الجيد للتعب. يمكن أن يلبي التيتانيوم كل هذه المتطلبات. تتمتع الأنابيب المصنوعة من سبائك التيتانيوم بمزايا كبيرة مقارنة بالمواد التقليدية (الفولاذ الكربوني والفولاذ المقاوم للصدأ وسبائك النحاس).

(1) تحسين عمر الخدمة، إلى نفس عمر السفينة نفسها. قارنت روسيا عمر خدمة أنظمة الأنابيب المصنوعة من المواد التقليدية والتيتانيوم. تظهر النتائج أن التيتانيوم له نفس عمر خدمة السفينة، ولا يحتاج إلا إلى الاستثمار مرة واحدة، ولا يتطلب سوى صيانة بسيطة أثناء الاستخدام؛ عمر خدمة المواد التقليدية حوالي 2 إلى 10 سنوات، ويجب إصلاحه بانتظام أو حتى استبداله أثناء عمر الخدمة، وخاصة تحت تأثير بيئة القيادة عالية السرعة، ستنتج المفاصل المختلفة تآكلًا محليًا. وفقًا لبيانات تطبيق سفن البحرية الأمريكية، فإن عمر خدمة أنابيب التيتانيوم هو 40 عامًا، وعمر خدمة أنابيب سبائك النحاس والنيكل هو 6 إلى 8 سنوات فقط.
أجرت الصين اختبارات التحقق والتقييم على استخدام "سبائك التيتانيوم" لتحل محل "سبائك النحاس" في تصنيع أنظمة خطوط أنابيب مياه البحر. بعد تشغيل أنابيب التيتانيوم TA2 الملحومة وتركيبات الأنابيب الداعمة وحواف التيتانيوم التي قدمتها شركة باوتي لمدة 3 سنوات تقريبًا، تم تفكيك خطوط الأنابيب والمواد الداعمة وتفتيشها، ولم يتم العثور على أي ظروف غير طبيعية مثل الشقوق والثقوب والتآكل.

(2) تقليل التكاليف. على الرغم من أن تكلفة الاستثمار لمرة واحدة لأجزاء سبائك التيتانيوم أعلى، إلا أن الاستثمار لمرة واحدة يمكن أن يفي بالاستخدام الكامل، ولا يتطلب سوى صيانة بسيطة أثناء الاستخدام، مما يوفر بشكل كبير تكاليف الإصلاح والصيانة. تحتاج أنابيب سبائك النحاس والنيكل المستخدمة في المبادلات الحرارية لسفن البحرية الأمريكية إلى الاستبدال حوالي 97 كم سنويًا، بينما يتم اختيار أنابيب التيتانيوم النقي من الفئة 2 لنظامي الأنابيب الرئيسيين لمياه البحر لسفينة النقل البرمائية LPD17، مع حوالي 1، 000 أنبوب وطول إجمالي يزيد عن 3350 مترًا، مما يوفر ما يصل إلى 17 مليون دولار في التكاليف على مدار دورة الحياة بأكملها. باختصار، لا يمكن لاستخدام التيتانيوم في أنظمة الأنابيب تقليل الوزن فحسب، بل يحقق أيضًا نفس عمر الجسم الرئيسي، مع تقليل التكاليف. في السنوات الأخيرة، تم تطبيقه على دفعات على العديد من أنواع المعدات البحرية مثل قارب 022 في الصين.

3. البنية الفوقية
في الوقت الحاضر، هناك أيضًا أمثلة على استخدام التيتانيوم في البنية الفوقية للسفن المحلية، مثل Ti70 (TA23) للصواري، وقضبان TA5 وTA7 لهوائيات الرادار، ولوحات TA2 وTA5 لجلود الحظائر وهياكل الإطار. كما استخدمت البحرية الأمريكية كمية كبيرة من التيتانيوم في منطقة البنية الفوقية الرئيسية لسفينة النقل البرمائية LPD17، مما قلل من كتلتها بنحو 50٪ وحسن بشكل كبير من استقرار السفينة.

4. التطبيق في مجالات أخرى
بالإضافة إلى هياكل الضغط وأنظمة الأنابيب والهياكل الفوقية المذكورة أعلاه والتي تستخدم كمية كبيرة من التيتانيوم، هناك أجزاء أخرى من المعدات البحرية المحلية والأجنبية تستخدم أيضًا التيتانيوم.