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產業技術評析
鈦金屬於海洋工程應用趨勢
發表日期：2017-06-07
作者：陳靖惠(金屬中心)
摘要：
全球經濟總產值的61%與海洋和海岸帶有密切的關係，全球每年海洋經濟產值約2.5兆美元，且每年以平均11%的速度增加，預估到2020年產值將到達3兆以上美元，為此先進國家依各自特色積極發展海洋經濟。
全文：
一、前言
目前全球經濟總產值的61%與海洋和海岸帶有密切的關係，根據世界自然基金會（WWF）估計，全球每年海洋經濟產值約2.5兆美元（約台幣77兆）且每年以平均11%的速度增加，預估到2020年產值將到達3兆以上美元，為此先進國家依各自特色積極發展海洋經濟，例如日本政府將發展重心放在港口及海運業、沿海旅遊業、海洋漁業以及海洋油氣業等4大產業（占總產值70%），其他包括海洋工程、船舶工業、海底通訊電纜製造與鋪設、礦產資源探勘、海洋食品、海洋生物製藥等，展現成為海洋經濟大國的企圖心。
美國方面，其海洋經濟2016年總值為2,865億美元，占國內生產總值大約4.4%超過農業，發展重點為採礦、休閒旅遊與海上運輸。且海洋經濟之從業人員總計達277萬人；對岸的中國大陸近年來亦積極拓展海洋經濟，根據其官方統計數據顯示，2016年海洋產業總產值超過5.6兆人民幣占國內總生產毛額GDP近10%以上，除此之外，過去海洋材料的研究，一直未被納入國家產業政策發展規劃裡，然而自2013年開始，中國工程院分別啟動了「中國海洋工程材料研發現狀及發展戰略初步研究」及「中國海洋工程中關鍵材料發展戰略研究」，整合了200多位海洋工程領域的專家和學者，建構「一代海洋材料、一代海洋設備」的策略。
另一方面，由於資源有限與短缺的議題，是各先進工業化國家面臨的隱憂，因此海洋油氣開採，尤其是深水油氣資源勘探開發，也已成為世界各國能源戰略的重點項目。國際能源署IEA公布的『世界能源展望』中也指出，至2035年，世界石油總需求量將會較目前成長26%，其中新興國家將成長53%，而目前陸上現有油田產油高峰已過，到2035年油量的供應無法有大幅的成長，因此若要解決此供需的問題，海洋經濟的搶奪便是未來可以預見的國際情勢，而先進的海洋設備，則是實現海洋強國的基本需求。綜觀各國在海洋產業的積極發展與布局，台灣四面環海，海岸長達1千多公里，海洋資源豐碩，且位於太平洋與歐亞大陸交會點，極具發展海洋相關產業之潛力，加上台灣在機械及金屬加工製造技術具備國際競爭力，未來在海洋經濟產業鏈中，也理應不該缺席。
二、海洋工程設備對於材料性能的需求
海洋環境變化複雜，海洋設備除需考慮海水條件(如：腐蝕、海洋生物污著作用)之外，還須要能承受地震、颱風、海浪、潮汐及海流等自然因素的強烈襲擾，其不管在材料或是製程技術上的門檻相對其他應用來說，高出許多。
目前海洋設備及船體結構大多採用鋼鐵等金屬材料製造，其對材料性能的要求主要包括以下幾項：
1.強度高：海洋設備及船體結構不僅要承受自身結構的力量，也要能承受載貨的負荷重量，此外海洋設備及船體結構材料應按照設計強度計算要求，以具備足夠的強度，去滿足設備在各種情況下的工作性能要求。
2.韌性好：海洋設備及船體結構要能承受海洋的衝擊、涌浪形成的巨大彎曲力矩的作用及寒冬酷暑的溫度變化，因此船體結構材料應具有足夠的韌性，包含低溫韌性。
3.抗腐蝕：海水具有較強的腐蝕性，因此海洋設備也要能承受海洋大氣、海水、潮汐和海生物的腐蝕，材料應具備較佳的耐腐蝕性能。
4.抗疲勞：由於海水周期性運動以及相關設備在運作狀態時有周期性應力作用，疲勞斷裂及失效也成為設備毀損的主要原因。因此，材料對於抗疲勞性能的要求也相對嚴格。
5.無毒環保：海洋生物有許多成為人類的糧食來源，而海洋設備長時間處於海裡，其材料應能在任何條件下，都能確保不會釋放毒性。另一方面，海洋設備體積龐大，建造時耗用許多材料，因此尚需考量退役後的設備環保回收的問題，因此在材料的選擇上，也有更高的要求。
綜整上述，我們知道海洋工程設備對材料性能的要求甚高，而鈦金屬的材料特性，被視為是除了現階段最常使用的不銹鋼材之外，唯一能滿足並符合要求的材料，以下我們就進一步來說明。
三、鈦金屬材料的特性及海洋設備應用趨勢
鈦金屬在地殼中的儲量非常豐富，僅次於鐵、鋁、鎂，也被稱為是繼鐵、鋁之後崛起之第三金屬。但由於鈦的化學活性高，很難從礦石中提煉出純鈦，從1791被發現以來，一直到1940年才被一位化學家Kroll用鎂還原法製成海錦鈦，從此奠定了鈦的工業生產方法和應用基礎。近年來由於鈦的應用範圍不斷被擴大，但提取冶金成本一直居高不下，加上過程中能源消耗高，全球才開始在鈦的電解技術投入研究，希望能藉此降低鈦合金的成本。與鋼鐵、銅、鋁等常用金屬材料相比，鈦材除了具備密度低、比強度高、耐蝕性強等特性之外，其還具有良好的耐海水沖刷性，加上無磁性、無冷脆性、高透聲係數等高度的海洋適應性，故也被稱為「海洋金屬」。茲將鈦金屬與其他金屬的特性比較如【表一】。
表一 鈦金屬與其他金屬之性質比較
| 項目 |
純鈦 |
TC4鈦合金 |
鋁 |
304不銹鋼 |
銅 |
| 熔點℃ |
1688 |
1540~1650 |
660 |
1400~1427 |
1083 |
|
密度
(g/cm3)
|
4.51 |
4.42 |
2.7 |
8.03 |
8.93 |
|
彈性模量
(103kgf/mm2)
|
10.85 |
11.55 |
7.05 |
20.32 |
11.9 |
| 導電率(與銅比)/% |
3.1 |
1.1 |
64.0 |
2.4 |
100 |
|
導熱率
(cal /cm•s•℃)
|
0.041 |
0.018 |
0.487 |
0.039 |
0.923 |
|
熱膨脹係數
(0~100℃)/(x10-6 ℃-1)
|
8.4 |
8.8 |
23 |
16.5 |
18.8 |
資料來源: 機械材料/金屬中心MII-IT IS研究團隊整理(2017)
由於鈦金屬具有上述特性，因此在塑性成形、鑄造及焊接等方面，除了能與其他常用金屬材料一樣進行傳統的加工成形之外，鈦金屬還是一種高鈍化性金屬，它的可鈍化性超過鋁、鉻、鎳和不銹鋼，該鈍化性決定了鈦在海水中具有十分優異的耐海水腐蝕性能，因而可直接用於接觸海水或暴露於海水大氣中的各類海事工程裝備，如：船及遊艇殼體、海水管路、海底工程閥體、海水淡化設備、跨海大橋等。以下將進一步列舉三項鈦材主要的應用趨勢：
(一)船艦
鈦合金由於其優異的耐海水腐蝕性能及沖擊性能，成為高性能船舶及高級遊艇殼體的理想材料。目前俄羅斯是世界上最早對鈦合金在船舶上的應用進行研究的國家，擁有可供工程應用參考（有關設計、選材和工藝等）的完整檔案。此外，在國用艦方面，前蘇聯專家透過全鈦合金巡航導彈試驗艇向世界展示了採用鈦合金製造攻擊型核潛艇的可行性。此後，俄羅斯相繼研究製造了“梭魚”級和“禿鷹”級鈦合金潛艇。綜整俄羅斯船艦用鈦合金材料，發現俄羅斯船用鈦合金牌號多、成分簡單，未來主要研究方向著重在合金系列與設計之間的應用研究。
美國最先對航空用鈦合金進行研究，後來在航空用鈦合金的基礎上，根據船舶服役環境，形成了船用鈦合金體系，並成功地將鈦合金應用於各種動力的潛艇、海水管路系統及深潛器的耐壓殼體等，如Aivin號、Sea-Cliff號深潛器等。美國船用鈦合金牌號不及俄羅斯多，但是更重視耐蝕性能提高之應用研究；日本對船用鈦合金的研究應用發展迅速，目前主要應用的牌號有純鈦、Ti-6Al-4V和Ti-6Al-4VELI，目前主要應用以於深潛器的耐壓殼體、配管等為主。
反觀國內，根據統計2016年台灣船舶產業總產值達台幣435億元，較前年成長10%，其中遊艇產值占整體船舶產業的16.5%， Show Boats International於今年一月所發布之統計調查資料也顯示，全球遊艇廠巨型遊艇訂單共777艘，比去年同期成長超過15%。在油價不斷上漲的負面壓力影響下，全球大型遊艇市場，仍將強勁成長。目前為止，義大利仍為全球最大遊艇生產國，而台灣去年遊艇的接單數位居全球第七名，為亞洲第一大遊艇生產國。換言之，船舶製造為台灣的強項產業，若能掌握並發展其關鍵材料，對於整體產業的提升與高值化，會具有其優勢與必要性。
(二)海上能源開採設備
全球的科技學術界都以海洋科技為主要前瞻科技之一，且盡力作全面規畫往多目標的方向進行，其中最有豐碩成果的是海域石油氣探勘。截至目前，世界上共有98個國家積極展開鑽探工作，而已有37個國家開始生產，這數字仍持續在增加中，雖然諸多國家對油氣探勘投下巨資迄未曾獲益，然而大家對此舉的正確性仍深信不疑。舉例來說，過去英國長期投入北海探勘，雖耗時耗本，而如今開發成功，不僅帶給英國振興的機運，更鼓勵石油事業鍥而不捨的冒險投資。過去第二次石油危機，由於石油出口量遽減，導至一連串的油價漲風；而後的兩伊戰爭，也使能源危機更為嚴重，促使全球皆紛紛探索能源供需問題，積極研究替代性新能源並加速開發蘊藏之能源，其探勘開發的區域已擴大至海洋大陸礁層。由於人類已漸往深海發展，為提供在海洋工作中能有一舒適的生活空間，且能順利地完成各種特殊的海洋開發任務，則必須建造海域平台。外海平台設計的一般性要求條件，與陸上的工廠結構物相似，不但結構物要能承受操作及環境負荷，且施工及經濟上必須具有可行性。此時鈦金屬即可扮演重要的角色，被廣泛應用於開採海洋石油和天然氣，包括用來探測碳氫化合物、提取石油和將烴原料從油氣田中運出的海洋平台結構、海洋工程設施以及許多海洋水上及水下設備。海洋水下設備包括：鑽杆、水下立管、深潛工程設備的機身和其他構件；水上設備(平台)包括海水和飲用水系統，各種熱交換設備(蒸餾器、蒸汽發生器、冷凝器)、泵、消防系統和其他構件等。
歐洲的挪威和英國對鈦合金在近海開採等方面的研究最為透徹。如眾所周知的位於挪威海的石油鑽井平台使用了大量的鈦合金，每個平台使用的鈦合金總量超過500噸。隨著海上石油產業的發展，尤其是在海洋的更深處提取石油和天然氣，未來除了美洲地區之外，其他如中東、東南亞及西非地區(如圖一)，將需要更多鈦合金去製造相關海洋機械設備，因此對鈦合金的需求也會迅速成長。
資料來源: 機械材料/金屬中心MII-IT IS研究團隊整理(2017)
圖一 全球主要海下石油及天然氣蘊藏地
(三)海洋淡化裝置
隨著經濟的發展與城市化腳步加快，淡水用量劇增，淡水短缺現象日益嚴重，海水淡化已成為國際重要城市必然的選擇。海水淡化技術有許多種類，目前主要的方法是用蒸發的方式去淡化海水，其關鍵之裝置主要有熱交換器、泠凝器和管路系統。由於海水加熱器要能承受90~120℃的海水腐蝕，故未來材料的選擇上，將以鈦金屬為首選，並需要大量的鈦薄板材去製作鈦管。中東地區沙烏地阿拉伯一座擁有40台海水淡水裝置的淡水廠，產能每天約為23,600噸，其放熱蒸發器總計使用了約1,500噸純鈦焊接管。根據調查，全球淡化裝置裝機容量在過去的五年內，每年以12%的速度成長。目前全球16,000多座海水淡化廠，總容量每天約達7,480萬噸，未來因應全球海水淡化裝置的市場成長，對鈦材的需求也將逐漸攀升。
四、結論
現階段全球具備完整鈦產業鏈的國家主要有四個，分別為美國、俄羅斯、日本及中國大陸。根據統計，全球的海綿鈦產量目前約為17萬噸左右(如圖二)，鈦加工材產量約15噸，台灣在整體供應鏈所占比重仍非常小，隨著海洋設備與技術的發展，朝向綠色化、整合化、智慧化、深遠化的方向，台灣在創新產業政策的推動及業界近年來在鈦材研發的努力下，未來將有機會能推動我國在海洋技術和高階製造領域的提升及創新。
資料來源: USGS/金屬中心MII-IT IS研究團隊整理(2017)
圖二 全球海綿鈦產量及年成長率
(本文作者為金屬中心執行產業技術前瞻研究與知識服務計畫產業分析師)
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