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海洋装备、舰船用铝合金材料己经成为未来轻量化的重要方向!

2021/11/23 10:01:19 人评论 次浏览 分类:国内铝业动态


随着铝合金越来越受海洋工业的重视,不少铝业巨头也进入了研发钻井平台用铝合金部件的研发当中,美铝就研发出了一种高性能铝合金钻杆。




目前,普遍使用的钢制钻杆在水平井、高腐蚀介质井、超深井等施工中经常遇到钻杆摩擦热裂、氢脆、应力腐蚀断裂、钻井速度和效率降低、大钩负载过大等问题。上述问题均是由合金钢材料本身的理化特性所决定,如要从根本上提高钻杆的性能,就必须改进钻杆管体的原材料。


 

1、提高钻深能力

  铝合金钻杆的密度大约是钢质钻杆的1/3,铝合金钻杆强度与质量之比是钢质钻杆的1.5~2.0倍,在钻机能力一定的情况下,应用铝合金钻杆能够达到钢质钻杆无法达到的井深。


2、耐腐蚀性好

  铝及其合金元素化学特性比较活跃,当其与氧反应后会在表面形成稳定的氧化膜,阻止其与周围环境进一步反应。铝合金钻杆在饱和CO2溶液里长期侵泡也不腐蚀。经过实际使用,铝合金钻杆在任何温度下都可有效防止H2S和CO2腐蚀。


  铝合金钻杆分为钢接头和铝合金接头2种。虽然铝合金钻杆钢接头不具有抗H2S和CO2的能力,但钻杆的薄弱环节在管体,接头一般不容易发生H2S应力腐蚀断裂。另外,钢接头与铝合金管体接触,后者对它会起到阴极保护的作用,因此,铝合金钻杆钢接头的腐蚀速率低。


新材料研发方向:

  1.高强、可焊、耐蚀、优良加工性能的海洋工程用铝合金材料;

  2.先进铝质船的焊接技术及高端焊接材料;

  3.高性能的牺牲阳极材料;

  4.海水淡化用铝换热管;

  5.OTEc热交换器铝合金;

  6.LNG球罐铝合金;


铝合金用于造船业已有近百年的历史。随着国内外造船业的高速发展,船舶的轻量化正日益被重视。由于铝的密度低,强度高,耐腐蚀性强,十分适合海洋的恶劣使用环境。铝的加工成本较低,因而使用铝材制造船舶更具有经济性。从船舶设计者的角度来看,使用铝合金制造的船舶在同等动力条件下能有更快的速度,并且还具有更长的使用寿命。因而船舶用铝合金在近年来技术突飞猛进,并为大量铝材提供了广阔的市场。


船舶用铝合金以铝-镁系合金、铝-镁-硅系合金和铝-锌-镁系合金为主,依据所用的位置,分为上层舾装用铝合金、船体结构用铝合金,其中栖装包括桅杆、舷窗、烟筒、操舵室等,船体结构包括隔壁、肋板、龙骨、船底外板以及船侧等。船舶上层结构中舷窗常用的铝合金型材为6063铝合金,桅杆、舷梯常使用6063与6061铝合金型材。另外,壁板使用挤压成型的铝-镁合金,可防止焊接中变形的同时,确保应力分布更加合理。船体结构中铝-镁系合金应用率较高,其中5454、5052铝合金是制造甲板的主要材料。


铝及铝合金上的氧化膜对其电极电位影响很大,4N铝在5.3%NaCl+0.3%H2O2溶液中对甘汞电极的电位为-0.87+0.0lV,凡是对氧化膜有影响的因素都对电位有影响。因此,氧化膜对铝及铝合金的抗蚀性有着决定性的意义:凡是能改善氧化膜致密性、增加氧化膜厚度、提高氧化膜绝缘性能的因素都有助抗蚀性的提高。为此,在海洋环境中应用的一切铝材都必须经过适当的表面处理。


铝及铝合金在海水中的抗蚀性按递降次序排列如下:铝-镁合金(5xxx系)、铝(1xxx系)、铝-锰合金(3xxx系)、铝-镁-硅合金(6xxx系)、铝-锌-镁合金(7xxx系)、铝-硅合金(4xxx系)、铝-锌-铜-镁合金(7xxx系)、铝-铜-镁合金(2xxx系)及铝-铜合金(2xxx系)。因此,在选择海洋结构材料时,应首选5xxx系合金,同时,合金的镁含量宜≤5%,以便有良好的成形性能。


目前,铝合金主要应用在小型、轻量、高速船艇等船型,如穿浪双体船、高速巡逻艇、军辅船、公务船等。“铝材是快速渡船、水翼艇、渔船、工作艇、高速汽车渡船等高速船舶设计者的首选材料。”“全铝制快速船舶例如穿浪型双体船、水翼艇以及多体船的速度已经达到35~50节,这大大改变了水路运输的状况,其航行时间和传统的船舶相比节省了一半。为了提升船舶的续航能力和航行速度,未来都将更多采用铝材造船。”从环保方面来看,湖泊、内河等水域的船舶目前面临因柴油泄漏导致的环保压力逐渐增大,其船舶动力发展趋势是电动逐渐代替柴油动力,因此湖泊、内河等水域的船舶轻量化需求将逐渐上升;在军用舰船方面,军用舰船使用铝合金既可以减轻船体重量,又能达到降低重心、提高舰船航行稳定性的目的。

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