航母設計選材及腐蝕控制需求

朱英富，孫九霄，楊雄輝，高新華

(中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430063)

1 前 言

航母作為人類有史以來最大的軍事裝備，是一項復雜的巨系統(tǒng)工程，所使用的材料種類繁多，工作環(huán)境復雜。航母用材料既包括金屬材料，也包含大量的非金屬材料，從使用功能上分為船體結構材料、管系材料、覆蓋覆層及涂層材料、阻尼及減震降噪材料等。航母用材種類多、品種規(guī)格復雜，不同種類和規(guī)格的金屬材料、非金屬材料總計達幾千種。

材料的性能水平高低很大程度上影響各個系統(tǒng)的功能，進而決定了航母的性能水平。作為最重要的基礎平臺，各種材料能否在超過40年的服役期內保持優(yōu)良的性能，決定了航母的生命力以及技戰(zhàn)術水平，因此在航母設計時，選材極為重要。選材既要保證材料的安全可靠，滿足航母各部位使用要求，又要綜合考慮材料經濟性、穩(wěn)定性、維修性、耐久性等眾多因素。

在諸多影響材料長期性能的因素中，腐蝕對材料的耐久性影響最大。對于航母來說，腐蝕控制是一個復雜的系統(tǒng)工程。為解決這一問題，必須立足于航母的總體設計要求和規(guī)劃，從系統(tǒng)設計、設備設計和制造、施工建造等各方面進行充分考慮，嚴格控制制造、建造全過程中的施工工藝，同時在后續(xù)使用、維修和管理等方面嚴格規(guī)范，才能較好地解決腐蝕的防護和控制問題。

2 航母服役環(huán)境特點

航母要在多種苛刻環(huán)境下工作，其環(huán)境特點如下：

風高浪大，海況險惡航母要在全球無限海區(qū)航行，須適應高海況環(huán)境。以9級海況為例，風速超過32 m/s，浪高超過14 m。在此環(huán)境下，船體結構承受大的應力，對船體材料(包括焊縫)的綜合性能要求甚高。

海洋環(huán)境溫差大、高濕、干濕交替、高鹽霧航母工作在高溫(或高寒)、高濕、高鹽霧環(huán)境中，其中正常工作溫度低至-30 ℃，高至70 ℃，濕度最大可達100%，同時還有包括強太陽輻射、霉菌、鹽霧、浸漬、干濕交替等環(huán)境因素作用，這些因素加速了材料(尤其是非金屬材料)的老化、腐蝕進程。

腐蝕介質種類多，水、液、氣、海生物共同作用船體外部腐蝕介質包括海浪飛濺沖擊、海水沖刷、泥沙、油污；船體內部腐蝕介質包括壓載海水、污水、燃油、潤滑油、液壓油、污油、蒸汽、高溫煙氣、高壓空氣、氮氣、氧氣、酸、堿、輻照等。同時，海水的電化學腐蝕和海洋生物的附著污損，一直是危及艦船安全性的兩大因素，船艦受不同介質腐蝕的照片見圖1。

圖1 船艦受不同介質腐蝕的宏觀照片:(a)海水腐蝕，(b)電化學腐蝕，(c)海洋生物附著污損Fig.1 Macrographs of warships corroded by several different corrosion mediums:(a)seawater corrosion,(b)electrochemistry corrosion and (c)attachment defile by halobios

沖擊振動環(huán)境，多種載荷共同作用包括海浪砰擊、艦載機作業(yè)產生的瞬態(tài)沖擊、以及各種機械設備運轉產生長期交變載荷等對航母造成的各種沖擊。

3 航母設計選材原則

航母選材時優(yōu)先選用成熟材料，通常應遵照以下幾項基本原則： ①所選材料必須符合現(xiàn)行標準，應經過定型鑒定并經海軍訂貨部門或其委托驗收單位的批準。②所選材料的力學性能、物理性能以及規(guī)格應符合產品的戰(zhàn)術、技術性能要求。對有特殊要求者，除常規(guī)力學性能外，所選材料還應滿足相應特定的性能要求，如阻尼性能、防彈性能、防磁性能、透聲性能、吸波性能、抗輻照性能、耐光輻射性能、高溫性能、低溫性能等，并應使結構重量盡可能小。③所選材料必須品種規(guī)格及配套材料齊全。盡可能采用通用化程度高的材料，簡化材料的種類、牌號、品種和規(guī)格；所使用的材料必須可靠性、穩(wěn)定性、安全性、工藝性、適修性、經濟性好。④積極推廣應用新材料。在確保材料各項性能得到檢測驗證且滿足使用需求的前提下，選材時積極應用新材料，提高艦船用材性能指標。

除上述通用選材原則外，幾種常用航母材料還有特殊的要求。

3.1 船體材料選材原則

目前，各海軍強國均建立了較完整的結構鋼體系，并依據(jù)艦船發(fā)展需求仍在不斷研發(fā)、完善、提高[1-3]。美國海軍于2007～2010年開展了“HSLA-115高性能鋼的評價和實施第Ⅱ階段”項目的研究，對HSLA鋼在CVN78航母上的應用進行驗證[4-5]。復合材料等船體結構新型材料越來越受到各海軍強國的高度重視[6-9]。

船體結構材料研發(fā)、考核環(huán)節(jié)眾多，周期較長，其材料必須經過以下3個階段才能確定能否應用于實際型號產品：①材料研制階段。根據(jù)總體設計需要的材料性能要求，開展材料成分及工藝路線設計、工業(yè)試制、綜合性能評價等，并制定生產技術規(guī)程。②應用研究階段。對材料各項應用性能進行研究，分析材料研制中存在的問題，同時對新材料作出確切評價，為型號設計選材提供技術支撐。對用量最大的結構用鋼材，確定鋼及配套材料的成分及工藝路線，制訂材料的供貨驗收技術條件，滿足生產與供貨，并制訂鋼的冷熱加工及焊接工藝。③模型考核階段。選取實船典型結構進行模擬建造及解剖實驗，并選擇在冬季等惡劣環(huán)境下施工，全方位考核材料的各項性能，考核所制定工藝的正確性與可操作性，形成完整技術文件，完成新材料性能考核及工藝驗證，從而確定其能否用于型號產品。圖2所示為船體結構用鋼板及球扁鋼。

圖2 船體結構用鋼材的照片：(a)鋼板，(b)球扁鋼Fig.2 Photos of steel in hull structure：(a)steel plate and(b)bulb bar

航母船體結構材料在選材時除滿足上述通用選材要求外，還應當要求材料具有優(yōu)良的耐腐蝕性能、焊接性能、冷/熱加工性能、低溫韌性水平、抗爆抗沖擊水平。

3.2 管路及附件材料選材原則

航母的動力、保障系統(tǒng)中大部分由設備和管路構成。管路由管子、閥件和附件組成。管子、閥件及附件材料選材要根據(jù)管內介質的種類、性質、壓力和溫度等使用條件，并結合管路的安裝位置、安裝環(huán)境和敷設方式等多項因素，進行經濟性分析后選取，除通用選材要求外應遵照以下幾項基本原則：①所選管子、閥件及附件材料的設計壓力、設計溫度、流體介質特性等性能應符合系統(tǒng)的技術性能要求；②同一系統(tǒng)的閥件和管路附件材料應與管材相匹配，同一系統(tǒng)盡可能減少管系材料、閥件和管路附件的種類；③海水管系中閥件和管路附件材料電位高于管材(大陽極小陰極)。

3.3 非金屬材料選材原則

非金屬材料的選用主要考慮功能性，即防火、隔熱、裝飾、吸波、阻尼、吸聲等等，同時滿足各使用環(huán)境的腐蝕、高低溫、沖擊、振動、磨損及相應的介質條件，其次是安全性，即滿足艦船規(guī)定的毒性、煙密度、阻燃性或低播焰性等性能。另外必須兼顧配套性、可靠性、穩(wěn)定性、工藝性、適修性、經濟性。

航母飛行甲板涂料需具有好的防腐性能，摩擦系數(shù)滿足飛機作業(yè)要求，耐高溫高速氣流沖擊、耐磨損，具有較好的施工性和修補性[10]。使用壽命不小于3 a，能承受飛機起降1萬架次輪胎沖擊。防腐防污涂料需具有良好的配套性和施工性，分別滿足各部位腐蝕環(huán)境，其防腐、防污期效滿足規(guī)定的等級修理周期要求。

4 航母材料腐蝕防護及控制特點

航母巨系統(tǒng)工程所使用的各種材料(包括金屬和非金屬材料)的腐蝕防護和控制，因航母結構的復雜性而導致其工藝技術的高難度。

4.1 腐蝕環(huán)境多樣，防護要求高，防腐設計難度大

航母在全球范圍航行，各海域腐蝕介質多樣，環(huán)境作用苛刻；船體內部腐蝕介質復雜[11-14]。航母使用壽命長達40～50 a，為保證其安全使用，對腐蝕防護提出了更高的要求，艦船上許多材料傳統(tǒng)可實施的腐蝕防護技術面臨瓶頸。

4.2 系統(tǒng)組成復雜，設備數(shù)量多，腐蝕故障影響大

航母由船體結構、船舶裝置、動力、電力、船舶保障、航空保障、作戰(zhàn)等多個一級系統(tǒng)和幾十個二級系統(tǒng)組成，設備數(shù)量達數(shù)十萬件。腐蝕嚴重的海水管系就有主機海水冷卻系統(tǒng)管系、電站海水冷卻系統(tǒng)管系、水滅火系統(tǒng)管系、日用海水冷卻系統(tǒng)管系、艙底疏水系統(tǒng)管系等。

我國水面艦船裝備故障大部分是由腐蝕引起，而航母由于系統(tǒng)組成復雜，多個系統(tǒng)中的電子電氣設備可能因腐蝕環(huán)境惡劣而降低可靠性，一個系統(tǒng)的腐蝕故障有可能影響作戰(zhàn)使用甚至波及全艦功能的發(fā)揮，后果影響重大。

4.3 艙室結構復雜，防腐施工空間小，修理難度大

因航母結構極其復雜致使腐蝕防護與控制異常繁雜和困難，這是因為：①航母主甲板下有十幾層，幾千個艙室，由于各種系統(tǒng)交錯布置，底部艙室結構異常復雜，施工空間狹小；②由于系統(tǒng)復雜，大量設備要在分段合攏后安裝，分段上涂裝的涂料需要在后期進行大量的修補，嚴重影響涂料的防護效果；③機艙、電站、冷站、泵艙的艙底部位腐蝕環(huán)境苛刻，但由于設備管路布置緊湊，且在底部區(qū)域施工困難，一旦出現(xiàn)腐蝕，修理難度大。

5 航母材料腐蝕防護與控制的建議及對策

美國擁有最先進的航母腐蝕控制技術，我國在這方面剛剛起步。為我國航母事業(yè)的建設和實現(xiàn)跨越式發(fā)展，提出以下建議和對策。

對航母腐蝕控制工藝技術進行深入研究①結合航母內、外部腐蝕環(huán)境和各系統(tǒng)材料特性和運行條件，對重點部位誘發(fā)腐蝕的內因、外因進行全面分析和必要的試驗，掌握主要腐蝕因素及其變化規(guī)律；②加強材料在使用環(huán)境下的腐蝕特性研究，結合前期水面艦船的腐蝕情況，檢查和清理出現(xiàn)的新問題，重點開展多因素環(huán)境條件下的材料腐蝕規(guī)律研究、多材料耦合條件下的異種金屬電化學腐蝕行為研究、航母海水管系污損及腐蝕機理研究。

開展防腐技術頂層規(guī)劃①立足于航母特點，從使用需求出發(fā)，進行頂層規(guī)劃，構建航母腐蝕防護控制體系。②按解決當前急需、突破型號研制瓶頸、形成未來技術儲備進行分類，分階段從總體設計、施工控制、仿真計算、試驗驗證、監(jiān)測[15]與評估、材料研制等方面全方位進行防腐專項技術規(guī)劃，全面提高腐蝕控制技術水平。

開展航母腐蝕控制技術方案研究①根據(jù)航母壽命剖面及使用需求，研究并提出腐蝕防護設計、建造、管理的定量和定性要求；②根據(jù)航母材料腐蝕環(huán)境和特性，研究各種腐蝕控制技術的適用性及效果，明確從設計到修理各階段的腐蝕控制應對措施。

編制航母材料腐蝕控制指南及相關管理文件①編制航母腐蝕控制設計、建造、維護修理指南，以及艦載設備腐蝕控制指南，指導各系統(tǒng)設計師、制造工程師、維修工程師、艦員開展腐蝕控制工作；②編制并下發(fā)相關管理文件，落實航母材料腐蝕控制指南的實施、驗收和檢查。

6 結 語

我國目前材料腐蝕控制技術體系還不完善，主要體現(xiàn)在：①相關規(guī)范和標準不夠，頂層定性規(guī)定較多，在執(zhí)行時存在一定的隨意性；②基礎研究不足，信息跟蹤、收集、發(fā)布機制不夠健全，缺少足夠的腐蝕控制數(shù)據(jù)；③缺乏完備的腐蝕控制組織機構來統(tǒng)籌防腐研究工作，構建完善的腐蝕控制技術體系。

當前，腐蝕控制設計主要按照規(guī)范以經驗設計為主[16]，缺乏定量的評估和檢驗方法；陰極保護設計缺少定量仿真。對腐蝕控制設計的效果評審缺少系統(tǒng)、定量的評估。必須盡快實現(xiàn)從經驗設計、經驗管理到仿真計算、試驗驗證、在線監(jiān)測、定量評估、科學管理的轉變。

雖然我國研制了多種型號的艦船結構鋼、管路合金材料、密封材料、防腐涂料，但整體有效服役壽命與航母的要求還有較大差距。因此，要加大新材料的研發(fā)力度，提高結構材料、管路材料的防腐性能；研發(fā)長效防腐防污涂料、高性能飛行甲板涂料；加強海水系統(tǒng)腐蝕、污損規(guī)律及控制技術研究；全面提高材料腐蝕、老化機制評價手段及匹配設計技術。

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