יישום של חומרים מסגסוגת טיטניום על ספינות

חומרים טיטניום וסגסוגת טיטניום נמצאים בשימוש נרחב על ספינות. למעט אביזרי ספינה ומתקני תא, כל הציוד והחלקים הגדולים עשויים להשתמש בחומרי טיטניום וסגסוגת טיטניום, כגון מערכות מידע אלקטרוניות, מערכות חשמל, מערכות עזר, מבני גוף, מערכות הנעה וכו'. חומרים זרים מסגסוגת טיטניום משמשים בעיקר בגוף הספינה. חומרים מבניים, משאבות ספינה, שסתומים, צינורות ואביזרים אחרים, התקני הנעה חשמליים, מחליפי חום, מעבים, מצננים, מאיידים, מכשירים אקוסטיים וכו'; חומרי סגסוגת טיטניום ביתיים משמשים בעיקר בצוללות, התקני הנעה חשמליים, מכ"מים בספינות, ציוד אלקטרוני, מחברים וכו'.

1. מעטפת (התנגדות ללחץ)
בתחום הספינות, צוללות וצוללות משמשות בעיקר לפגזי לחץ מסגסוגת טיטניום. לסגסוגות טיטניום יש מאפיינים של חוזק ספציפי גבוה, עמידות טובה בפני קורוזיה ותכונות לא מגנטיות, מה שהופך אותן לחומרים איכותיים לייצור פגזי לחץ של ציוד ים עמוק.

רוסיה היא המדינה הראשונה שהשתמשה בפגזי לחץ מסגסוגת טיטניום על צוללות גרעיניות, והיא גם מובילה טכנולוגית עולמית. מאז שנות ה-60, רוסיה (ברית המועצות לשעבר) ייצרה סדרה של צוללות מסגסוגת טיטניום. בתחילה בנתה רוסיה את הצוללת הגרעינית מסגסוגת טיטניום מסגסוגת טיטניום, שהייתה סירת ניסוי. מאוחר יותר, רוסיה בנתה ברציפות 7 צוללות מסגסוגת טיטניום מסוג "אלפא", צוללת אחת מסוג "מייק" ו-4 צוללות מסוג "סיירה". צוללות גרעיניות אלו הן כולן סוגי תקיפה, ביניהן צוללת סגסוגת טיטניום מסוג "אלפא" משתמשת ב-3,000 טונות של סגסוגת טיטניום. הצוללת הגרעינית מסוג "Typhoon" מתוצרת רוסיה היא הצוללת הגדולה בעולם מבחינת נפח וטונה, וצריכת הטיטניום שלה מגיעה ל-9,000 טון.

נכון לעכשיו, הדור האחרון של רוסיה של צוללות גרעיניות מסוג "בורי" משתמשות גם בגוף לחץ מסגסוגת טיטניום.

יישום חשוב נוסף של קליפות לחץ מסגסוגת טיטניום הוא צוללות בים עמוק. הצוללת המאוישת "Jiaolong" היא צוללת מאוישת שפותחה באופן עצמאי על ידי המדינה שלי, עם עומק צלילה מרבי מתוכנן של יותר מ-7,000 מטרים. גוף הלחץ של הצוללת המאוישת "Jiaolong" עשוי מסגסוגת טיטניום. כיום, רוב הצוללות המאויישות הגדולות בעולם בים העמוק משתמשות בחומרי סגסוגת טיטניום כחומר ההכנה לגוף הלחץ. לדוגמה, חומרי הפגז של צוללות מאוישות בים עמוק כמו אלווין וניו-אלווין האמריקאיות, Jiaolong של סין, Nautil של צרפת וה-Shinkai 6500 של יפן הם כולם סגסוגות טיטניום [9]. סגסוגת טיטניום הפכה לחומר המועדף עבור המעטפת עמידה בלחץ של צוללות בים עמוק.

2. מכשיר הנעה כוח

בשל השפעת מי הים והאקלים הימי, חומר המדחף של הספינה צריך להיות בעל חוזק עייפות קורוזיה גבוה יותר ועמידות בפני קוויטציה. בהשוואה לסגסוגות נחושת ופלדה, לסגסוגת טיטניום יש יתרונות בחוזק עייפות קורוזיה ובהתנגדות לקוויטציה. בנוסף, בשל הצפיפות הנמוכה של סגסוגת טיטניום, כאשר מייצרים מדחפים באותו גודל, המסה של מדחפים מסגסוגת טיטניום קטנה מזו של חומרים אחרים בשימוש נפוץ. לכן, יעילות ההנעה של ספינות המשתמשות במדחפים מסגסוגת טיטניום גבוהה יותר. בשילוב עם חוזק עייפות קורוזיה גבוה והתנגדות לקוויטציה של מדחפים מסגסוגת טיטניום, התחזוקה והטיפול בהם יהיו קלים יותר, ויאריכו את חיי השירות של המדחף. סגסוגת טיטניום היא חומר אידיאלי עבור מדחפי ספינה.

רוסיה, בריטניה ומדינות נוספות החלו לנסות להשתמש במדחפים מסגסוגת טיטניום על ספינות כבר בשנות ה-60. לדוגמה, רוסיה משתמשת במדחפים מסגסוגת טיטניום בצוללות הגרעיניות שלה בדרגת "אלפא" ו"מייק". ארצות הברית השתמשה גם במדחפים מסגסוגת טיטניום על ספינות רבות. לדוגמה, חיל הים האמריקני משתמש במדחף מסגסוגת טיטניום בעל שלושה להבים, הניתן להסרה, בקוטר של 812.8 מ"מ ברודף צוללות המחקר שלו בקוטר 50 ט. סירת התותחים המהירה "אשוויל" משתמשת במדחף מסגסוגת טיטניום בעל ארבעה להבים. המטוס הגדול של צבא ארה"ב "Plainview" משתמש במדחף מסגסוגת טיטניום בעל ארבעה להבים, הניתן להסרה, העשוי מחומר Ti-6Al-4V בקוטר של 1.52 מטר. המדינה שלי גם פיתחה בהצלחה מגוון מדחפים מסגסוגת טיטניום והשתמשה בהם בהצלחה על ספינות רבות. לדוגמה, המדחפים Ti-5Al-2.5Sn ו-Ti-6Al-4V סגסוגת טיטניום פותחו בהצלחה בשנת 1972 והיו בשימוש על ספינות רבות עד כה . שנים של שימוש הראו כי למדחפים מסגסוגת טיטניום יש עמידות חזקה בפני קורוזיה וחיי השירות שלהם הם פי שלושה מזה של מדחפים מסגסוגת נחושת מסורתית.

בנוסף למדחפי ספינות, משתמשים בחומרי סגסוגת טיטניום גם במנועי ספינות. לדוגמה, שוברות הקרח המונעות על ידי אטום מתוצרת רוסיה משתמשות במנועי קיטור המכילים חומרים מסגסוגת טיטניום. השימוש במכשירי הנעה מסגסוגת טיטניום יכול למנוע מספינות להיות מושפעות מזרמים מושרים גדולים הנוצרים מחיתוך הקווים המגנטיים של כדור הארץ בעת הפלגה. בנוסף, חלק מהמכשירים להנעת סילוני מים של ספינות משתמשים גם בחומרים מסגסוגת טיטניום, כגון סירת הניסוי של US SES-100 וסירת הטורפדו "PT-10" של יפן. מכשירי ההנעה שלהם בסילוני מים עושים שימוש בפרזול טיטניום טהור תעשייתי וסגסוגת טיטניום, מה שמפחית את משקל המכשיר ומשפר את היעילות של מכשיר ההנעה בסילון המים.

3. משאבות, שסתומים, צינורות ואביזריהן
הדרישות של רוסיה לתפעול מערכות צינורות אוניות הן שיש להבטיח לחומרים מבניים חיי שירות של 8 עד 9 שנים לפני תיקון המזח הראשון, וחיי השירות לפני החלפה מלאה של המערכת לא יפחת מ-15 שנים. דרישה זו יכולה להבטיח שכל רמות הספינות יוכלו לשרת ביעילות במשך 25 עד 30 שנה. ספינות פועלות בים, ולכן משאבות, שסתומים, צינורות ואביזרים אחרים על ספינות עומדות בפני מבחן של סביבות ימיות קשות.

מערכות הצנרת של ספינות אזרחיות רוסיות משתמשות בדרך כלל בצינורות נחושת M3C ובצינורות סגסוגת נחושת MH-5-1 בהתאם למהירות זרימת המים, בעוד שסתומים, משאבות ומחלפי חום משתמשים בסגסוגות נחושת. אם בצינורות הספינה נעשה שימוש בחומרי סגסוגת נחושת, ייתכן שהם נפגעו ונפגעו בשנה השנייה, מה שמקשה על עמידה בדרישות השימוש הנ"ל. על מנת לעמוד בדרישות השימוש, ייתכן שיהיה צורך לעבות את עובי הצינור, ובמקביל יש להרחיב את קוטר הצינור כדי להבטיח את מהירות זרימת המים. המשקל והעלות של מערכת הצנרת הכוללת של הספינה גדלו.

עם זאת, משאבות, שסתומים, צינורות וכו' של ספינות מלחמה רוסיות משתמשות יותר בחומרים מסגסוגת טיטניום. ספינות מלחמה נמצאות בשירות במשך זמן רב, ושיטות השימוש בהן הוכיחו שלצינורות מסגסוגת טיטניום, שסתומים, משאבות, מחליפי חום ומוצרים אחרים יש עמידות חזקה בפני קורוזיה של מי ים ובעלי חיי שירות ארוכים. אם כל חומרי הטיטניום משמשים לייצור מערכת צריכת המים של הספינה, ניתן להאריך משמעותית את חיי המערכת ולשפר את אמינות השימוש.

הצי האמריקאי משתמש במערכות צנרת מסגסוגת טיטניום על ספינות. בהשוואה לצינורות מסגסוגת נחושת-ניקל המסורתיים, לסגסוגת טיטניום יש עמידות בפני קורוזיה חזקה. גם במי ים זורמים במהירות גבוהה (בקצב זרימה של 13m/s), הם לא יישטפו ויאכלו במי ים. הוא מתאים במיוחד לצינורות עם מי ים נעים, קצב זרימה גבוה ולחץ גבוה כמדיום העבודה. לכן, בתנאי של הבטחת קצב זרימת מי ים זהה, עמידות הקורוזיה הגבוהה של סגסוגת טיטניום מאפשרת לעצב את הצינור להיות דק יותר, קוטר הצינור הופך קטן יותר, החלל התפוס על ידי הספינה הופך קטן יותר, הגמישות של הפריסה משופרת, וגם עלות התחזוקה מופחתת. בנוסף, הצפיפות של סגסוגת טיטניום קטנה, כמחצית מזו של סגסוגת נחושת-ניקל, ואיכות הצינור המיוצר על ידה קטנה, מה שמפחית את הציוד המשמש לסיוע בתמיכה בצנרת. עומס הספינה מופחת וצריכת הדלק מצטמצמת.

4. משלוח מכשיר אקוסטי
ניתן להשתמש בחומרים מסגסוגת טיטניום גם עבור מכשירים אקוסטיים על ספינות, כגון כיפות סונאר, רכיבי מתמר הידרואקוסטיים, מיקרופונים, חלקי טלפון וכו'. סונאר הוא הציוד היעיל ביותר עבור ספינות לזיהוי מטרות מתחת למים. המדינה שלי משתמשת בעיקר בנירוסטה ובפיברגלס מחוזק בסיבים, אבל בהשוואה לחומרים מסגסוגת טיטניום, חדירות הצליל ועמידות ההתנגשות שלו חלשות יחסית. רוסיה החילה כיפות סונאר מסגסוגת טיטניום על הצוללת הגרעינית קורסק, נושאת המטוסים של מינסק, נושאת המטוסים קייב וכו', והשפעת זיהוי הסונאר בפועל טובה.