حالة تطبيق وآفاق سبائك التيتانيوم في هندسة المحيطات

(أ) المقدمة

يحتوي المحيط، الذي يُشكل حوالي 71% من مساحة سطح الأرض، على موارد غنية. وقد أصبح استغلال المحيطات والاستفادة منها، وجعلها مصدرًا لثروتنا العظيمة، أحد التوجهات التي عمل الناس بجد من أجلها لسنوات طويلة. ومع ذلك، نظرًا لاحتواء مياه البحر على حوالي 3.5% من الملح، فإنها تُسبب التآكل. كما أن بعض التلوث البيولوجي في المحيط يُسرّع من تآكلها.

التيتانيوم مادة تتميز بخصائص فيزيائية ممتازة وخواص كيميائية مستقرة. يتميز التيتانيوم وسبائكه بقوة عالية، وثقل نوعي منخفض، ومقاومة عالية لتآكل مياه البحر والجو البحري، مما يُلبي متطلبات تطبيقات الهندسة البحرية بكفاءة. بعد سنوات من الجهود المبذولة من قِبل العاملين في صناعة التيتانيوم وباحثي تطبيقات الهندسة البحرية، استُخدم التيتانيوم على نطاق واسع في مجالات مثل تطوير النفط والغاز البحري، وبناء الموانئ، ومحطات الطاقة الساحلية، وتحلية مياه البحر، والسفن، ومصايد الأسماك البحرية، وتحويل الطاقة الحرارية للمحيطات. والآن، أصبح التيتانيوم في الهندسة البحرية أحد المجالات الرئيسية لاستخدامه في التطبيقات المدنية.

(2) حالة الطلب

2.1 تطوير النفط والغاز البحري

النفط هو شريان الحياة الاقتصادية لأي دولة. تُقدّر احتياطيات النفط القابلة للاستخراج في العالم بـ 300 مليار طن، منها حوالي 130 مليار طن من احتياطيات النفط البحري. بدأ تطوير النفط البحري في أوائل القرن العشرين، وتطور من البحر القريب إلى البحر البعيد، ومن البحر الضحل إلى البحر العميق. ونظرًا للظروف التقنية وتطور المواد، اقتصر استغلال رواسب النفط والغاز الطبيعي الممتدة مباشرة من الساحل إلى البحر الضحل في البداية. منذ ثمانينيات القرن الماضي، وبفضل أزمة الطاقة والتقدم التكنولوجي، تطور استكشاف وتطوير النفط البحري بسرعة، ووصل تطويره إلى الجرف القاري، وتشكل تدريجيًا قطاع جديد لصناعة النفط البحري. تُعد منصة الحفر البحرية قاعدة عمل لاستكشاف واستغلال النفط والغاز تحت سطح البحر، وتُمثل مستوى تكنولوجيا تطوير النفط والغاز تحت سطح البحر. تشمل معدات استخراج النفط البحري بشكل رئيسي منصات إنتاج النفط والمعدات الملحقة بها. تشمل المعدات المساعدة مبردات النفط الخام، ورافعات النفط، والمضخات، والصمامات، والوصلات، والتركيبات. تتلامس هذه المعدات مع الكبريتيد والأمونيا والكلور وغيرها من المواد في مياه البحر والنفط الخام. ونظرًا لمقاومتها الممتازة للتآكل في هذه المواد، استخدمت الولايات المتحدة الأمريكية أعمدة منصات النفط البحرية المصنوعة من التيتانيوم في حقولها النفطية في أوائل سبعينيات القرن الماضي، وفي الوقت نفسه استخدمت التيتانيوم لتصنيع المبادلات الحرارية الأنبوبية والمبادلات الحرارية ذات الصفائح. السخان. يستخدم المبادل الحراري الأنبوبي المصنوع من التيتانيوم مياه البحر كوسيط تبريد لتبريد خليط البخار/الزيت عالي الحرارة المستخرج من بئر النفط. كما يستخدم المبادل الحراري ذو الصفائح التيتانيوم مياه البحر كوسيط تبريد لتبريد المياه العذبة التي تبرد النفط الخام في المبادل الحراري المصنوع من الفولاذ الكربوني.

يتميز أنبوب حفر التيتانيوم المصنوع من سبائك التيتانيوم البترولية بعمر خدمة طويل، إذ يبلغ وزنه نصف وزن الفولاذ المقاوم للصدأ فقط، لكن مرونته ضعف مرونة الفولاذ المقاوم للصدأ، وعمره الافتراضي عشرة أضعاف عمر الفولاذ. هذه الخصائص الممتازة تجعل التيتانيوم مادة ممتازة لآبار النفط شبه الدائرية والعميقة التي يصعب حفرها. يمكن لأداة الحفر المدمجة التي تحتوي على أنبوب حفر التيتانيوم أن تقلل بشكل كبير من وقت الحفر وتخفض التكلفة الإجمالية للحفر.

وفقًا لتقارير البيانات، ازدادت كمية التيتانيوم المستخدمة في الأجهزة العائمة على متن السفن والأجهزة الثابتة في قاع البحر في مشروع تطوير حقل نفط بحر الشمال بالولايات المتحدة مقارنةً بالسابق. ويتمثل الطلب على مواد التيتانيوم لـ 24 جهازًا عائمًا للسفن و64 وحدة تثبيت للغواصات في: أجهزة حماية السلامة (50-100 طن)، وأجهزة التوصيل (50-100 طن)، ومعدات الرفع العامة (400-1000 طن)، وأنابيب الحفر (1400-4200 طن). ويُعدّ تآكل الأجزاء الهيكلية الناتج عن التلوث البيولوجي لمنصات تعدين النفط البحرية خطيرًا للغاية. وقد استخدمت شركة أمريكية غلافًا طويلًا مصنوعًا من أنابيب التيتانيوم على منصة التعدين لحماية أجزائها.

في السنوات القليلة الماضية، ازداد استخدام مكونات سبائك التيتانيوم في عمليات حفر النفط والإنتاج الساحلي بشكل ملحوظ. تتيح هذه المكونات لحفر النفط الوصول إلى مياه وآبار نفطية أعمق، بما في ذلك درجات الحرارة المرتفعة وبيئات الإنتاج شديدة التآكل (مثل الملوحة).

لهذا النوع من التطبيقات، ونظرًا للأداء العام، يُعدّ سبيكة التيتانيوم TC4 (Ti-6Al-4V) الأنسب والأقل تكلفة. يُعدّ نظام أنابيب مياه البحر جزءًا لا غنى عنه في استخراج النفط تحت سطح البحر. نظرًا لمقاومته العالية للتآكل في مياه البحر، فإنّ عمره الافتراضي يفوق أنظمة الفولاذ بعشرة أضعاف. لذلك، تُعدّ تكلفة أنظمة أنابيب التيتانيوم فعّالة من حيث التكلفة مقارنةً بأنظمة Cu-Ni.

تتضمن المكونات الأكثر استخدامًا رافعات الحفر الساحلية وأنابيب الحفر والمفاصل الإجهادية المخروطية (TSJ) ورافعات هجينة من التيتانيوم/الفولاذ

تُستخدم قطع التيتانيوم الصغيرة، مثل مضخات التيتانيوم والصمامات والمفاصل والمثبتات والتجهيزات وقطع الغيار، على نطاق واسع في منصات تعدين النفط. كما يُستخدم عدد كبير من سبائك التيتانيوم في هياكل أجهزة تسجيل النفط البحرية في الخارج.

2.2 بناء الميناء

يوجد فيلم أكسيد على سطح التيتانيوم بسمك لا يزيد عن 10 نانومتر. إنه مستقر للغاية في البيئات المسببة للتآكل ولديه مقاومة ممتازة للتآكل في الهواء ومياه البحر والبيئات البحرية. إنه حاليًا المادة الخام الأكثر ملاءمة لمختلف البيئات البحرية. نفذت اليابان بنشاط التطوير البحري، مثل الجسر من هونشو إلى شيكوكو، والطريق عبر خليج طوكيو، ومطار كانساي، وقاعدة تخزين النفط العائمة. أظهر اختبار التعرض الذي أجرته وزارة البناء ونادي الحديد والصلب الياباني على سطح أويغاوا، واختبارات التعرض المختلفة لمكافحة التآكل التي أجرتها وزارة النقل وجمعية أكوام الأنابيب الفولاذية على جسر هاوساكي الرملي العائم أن التيتانيوم هو المادة الأكثر ملاءمة. بالإضافة إلى خصائص مقاومة التآكل الممتازة، يتمتع التيتانيوم أيضًا بمزايا عدد قليل جدًا من الأيونات المذابة في مياه البحر، وغير سام، ولا داعي للقلق بشأن التلوث البيئي. كما قامت اليابان ببناء هيكل بحري عائم كبير جدًا، باستخدام مواد مركبة من فولاذ التيتانيوم في تآكل مياه البحر؛ في بناء خليج طوكيو عبر الطريق السريع، استُخدمت مواد التيتانيوم كجذوع أرصفة مقاومة للرذاذ، وكل رصيف مصنوع من التيتانيوم، وتبلغ كتلته 0.9 طن. تشمل المباني البحرية العائمة الكبيرة المستخدمة أو المخطط لها مطارات وقواعد لوجستية للموانئ ومرافق رياضية، وما إلى ذلك.

2.3 محطات الطاقة الساحلية

يُعدّ الاستخدام الشامل لمياه البحر من المشاريع المهمة في الهندسة البحرية، ويُعدّ مكثف محطات الطاقة الساحلية من المعدات التي تستهلك كميات كبيرة من مياه البحر. يُستخدم التيتانيوم في محطات الطاقة الساحلية بشكل رئيسي في المكثفات. ونظرًا لاستخدام مياه البحر كمياه تبريد في المكثف، ولأن مياه البحر تحتوي على كميات كبيرة من الطين والرمل والمواد العالقة والكائنات البحرية ومواد تآكلية مختلفة، فإن الوضع يكون أكثر خطورة في مياه البحر ومياه الأنهار المتغيرة بالتناوب. تستخدم المكثفات التقليدية أنابيب من سبائك النحاس، والتي غالبًا ما تتضرر بشدة بسبب التآكل المتنوع في مياه البحر. يتميز التيتانيوم بمقاومة جيدة للتآكل في مياه البحر، وخاصةً الملوثة منها، كما يتميز بمقاومته العالية للتآكل في مياه البحر.

2.4 جهاز تحلية مياه البحر

الماء مصدر الحياة. في الوقت الحاضر، أصبح نقص الموارد المائية مشكلةً تؤرق العالم. حوالي 25% من سكان العالم لا يملكون موارد مياه شرب كافية. كما أن الأنهار الأرضية وموارد المياه الجوفية في العالم لا تلبي احتياجات التنمية الصناعية. لذلك، ستكون تحلية مياه البحر في المستقبل وسيلةً فعّالة للبشرية لحل مشكلة موارد المياه العذبة.

من منظور تطوير تحلية مياه البحر محليًا ودوليًا، هناك طريقتان رئيسيتان: التقطير والتناضح العكسي. تعتمد الطريقة الأولى على تسخين مياه البحر لتبخيرها، ثم تكثيف البخار للحصول على مياه عذبة. أما الطريقة الثانية فتعتمد على ضغط مياه البحر، وتمرير المياه العذبة عبر غشاء خاص، وحجز الملح للحصول على مياه عذبة. استخدمت أجهزة تحلية مياه البحر المبكرة سبائك النحاس والفولاذ الكربوني ومواد أخرى. ولأن هذه المواد لم تكن مقاومة لتآكل مياه البحر، وكانت كفاءتها الإنتاجية منخفضة، فقد استُبدلت سريعًا بالتيتانيوم ذي المقاومة الممتازة لتآكل مياه البحر. في تحلية مياه البحر، يُستخدم التيتانيوم بشكل رئيسي في أنبوب نقل الحرارة لسخان جهاز التحلية. المنتجان الرئيسيان لمحطات تحلية المياه هما الولايات المتحدة واليابان. بحلول عام 2004، تجاوز عدد محطات تحلية مياه البحر المبنية والقيد الإنشاء في العالم 15,000 محطة، بإنتاج يومي يبلغ حوالي 32 مليون طن من المياه العذبة.

2.5 السفينة

يتميز التيتانيوم وسبائكه بمقاومة التآكل في أجواء مياه البحر والمحيطات، ووزنه النوعي الخفيف، ومتانته العالية، ومقاومته للصدمات، وانعدام مغناطيسيته، ونفاذيته للصوت، ومعامل تمدده المنخفض. وتُعتبر هذه المواد مواد سفن ممتازة. في السنوات الأخيرة، حظي استخدام التيتانيوم في السفن باهتمام كبير. كما تُولي القوات البحرية وصناعات بناء السفن في مختلف البلدان أهمية كبيرة لأبحاث استخدام التيتانيوم في السفن، وقد طُوّرت العديد من العلامات التجارية لسبائك التيتانيوم البحرية. يُستخدم التيتانيوم وسبائكه على نطاق واسع في السفن، مثل هياكل الهياكل، وسفن المسح في أعماق البحار، وهياكل ضغط الغواصات، والأنابيب، والصمامات، والدفات، وحوامل أعمدة التوجيه، والملحقات، والمراوح، ومراوح الدفع في أجهزة الدفع، والأعمدة، والمبادلات الحرارية، والمبردات، وأغطية سونار الهيكل، وغيرها.

كان أول استخدام للتيتانيوم في هياكل السفن هو غواصة ألفا التابعة للاتحاد السوفيتي السابق. وبعد ذلك، استُخدم التيتانيوم في غواصات البحث في أعماق البحار الاصطناعية أو غير المأهولة، وفي غواصات المساعدة في أعماق البحار. ويُستخدم التيتانيوم النقي الصناعي في الأجزاء الهيكلية العامة، بينما تُستخدم سبيكة Ti-6Al-4V في أوعية الضغط. وتشير التقارير إلى أن استخدام التيتانيوم في هيكل الهيكل لا يُقلل وزن الهيكل نفسه فحسب، بل يزيد أيضًا من وزن التحميل الفعلي، ويقلّل أيضًا من تكاليف الصيانة ويطيل عمر السفينة. تتطلب مواد هيكل الهيكل، مثل سبائك الألومنيوم والفولاذ المطاوع، صيانةً لمدة 10 سنوات، بينما لا تتطلب مواد التيتانيوم أي صيانة أو إصلاح تقريبًا، ويمكن إطالة عمرها الافتراضي من 20 عامًا إلى 30-40 عامًا.

2.6 مصايد الأسماك البحرية

تشير التقارير إلى أن مصايد الأسماك اليابانية تحولت من الصيد إلى تربية الأسماك، وتم تطبيق تربية اصطناعية لأسماك الأسد والسمك المفلطح وثعبان البحر. في تقنية التربية الاصطناعية، تُستخدم كميات كبيرة من شبكات التيتانيوم المعدنية ومبادلات حرارية من أنابيب التيتانيوم للحفاظ على درجة حرارة مياه البحر. وقد تم تطبيق تربية الهامور اصطناعيًا في المناطق الساحلية بمقاطعة فوجيان، بلدي، وقد حققت سلة التربية المصنوعة من ألواح التيتانيوم المستخدمة فوائد ممتازة في تربية الهامور.

2.7 تحويل الطاقة الحرارية للمحيطات

يحتوي المحيط على كميات هائلة من الطاقة، مثل طاقة المد والجزر، وطاقة الأمواج، وطاقة فرق درجات الحرارة، وطاقة تيارات المحيطات، وطاقة فرق الملوحة. ومع تزايد ندرة موارد الطاقة في العالم، سيزداد اهتمام الناس بتطوير الطاقة البحرية والاستفادة منها. وقد جرى بحث وتطوير مشاريع توليد الطاقة الحرارية الكهربائية وطاقة المد والجزر. يقوم مبدأ توليد الطاقة الحرارية الكهربائية على تبخير الأمونيا أو الفريون بمياه البحر ذات درجة حرارة سطح المحيط الأعلى لتشغيل التوربينات لتوليد الطاقة، ثم تبريد الأمونيا أو الفريون المتبخر بمياه البحر منخفضة الحرارة في أعماق المحيط لتشكيل نظام محرك حراري مستمر الدورة.

المعدات الرئيسية لتوليد الطاقة الحرارية الكهربائية هي المبخر، والمكثف، وأنبوب شفط مياه البحر، والحلقة، وغيرها. يجب أن تكون هذه المعدات مقاومة للتآكل، بالإضافة إلى مقاومة الأمونيا والفلور. يتميز التيتانيوم وسبائكه بمقاومة جيدة للتآكل بمياه البحر، بالإضافة إلى مقاومته للتآكل الناتج عن الأمونيا والفلور، مما يجعله المادة المثالية.

(ثالثا) الآفاق

شهدت الهندسة البحرية، كسوق مدنية ناشئة للتيتانيوم، تطورًا سريعًا في السنوات الأخيرة. ومع تفاقم أزمة الطاقة العالمية، ستستثمر دول العالم كميات كبيرة من القوى العاملة والموارد المادية في استغلال موارد البترول في قاع البحار وغيرها من الموارد المعدنية؛ وفي ظل تزايد نقص المياه العذبة عالميًا، ستستخدم جميع الدول الساحلية مياه البحر لإنتاج المياه العذبة؛ علاوة على ذلك، فإن المنافسة الشرسة المتزايدة على المعدات البحرية لمختلف القوى العسكرية، وما إلى ذلك، لا تنفصل عن التيتانيوم وسبائكه. لذلك، سيزداد استخدام التيتانيوم وسبائكه في الهندسة البحرية اتساعًا. ومن المتوقع أن يصبح التيتانيوم في الهندسة البحرية سوقًا أوسع لتطبيقات مواد التيتانيوم.