閉式潛水呼吸器中2.4 L鈦合金球形氣瓶的研制

劉平小，方以群，顧靖華，柳初萌，廖昌波，高文順，蔣文冬

閉式潛水呼吸器(closed circuit rebreather, CCR)具有水下呼吸時間長、呼吸氣體使用效率高和幾乎不產生氣泡的優(yōu)點，攜帶的呼吸氣體有氧氣和稀釋氣(氮氧混合氣)，設計時要求氣瓶外形尺寸小、質量小、容積大，內置于防護殼體內。傳統(tǒng)的潛水圓柱狀鋁、鋼和碳纖維氣瓶大多數外置懸掛，外形尺寸大、質量大、相對容積小，無法滿足閉式/半閉式潛水呼吸器設計需求。

鈦合金材料(TC4)具有密度小、磁性弱、抗蝕性好、化學活性大和強度高等優(yōu)點，密度為4.5 g/cm3左右，僅為鋼的60%，在潮濕的大氣和海水介質中工作，其抗蝕性遠優(yōu)于不銹鋼；對點蝕、酸蝕、應力腐蝕的抵抗力特別強；對堿、氯化物、氯的有機物品、硝酸、硫酸等有優(yōu)良的抗腐蝕能力。因此，選用該材料制造閉式/半閉式潛水呼吸器的氣瓶，要求可重復充裝對鈦合金具有化學穩(wěn)定性的永久氣體(空氣、氧氣、氦氣、二氧化碳等)，具體技術要求見表1。

表1 2.4 L鈦合金球形氣瓶技術要求

1 原材料

根據QJ 1654[1]的規(guī)定，選用的原材料為TC4鈦合金，其化學成分應符合GB/T3620.1[2]，并有相應批次材料的材質證明書。經過時效熱處理后，應達到如下力學性能指標要求：抗拉強度為890 MPa；屈服強度為983 MPa；斷裂伸長為6%。

2 氣瓶結構計算與設計

2.1 安全系數

按QJ1654規(guī)定強度極限進行氣瓶設計，并規(guī)定強度安全系數為nb=1.5～2.0，而具體數值根據實際使用情況自行確定。潛水氣瓶中較為普遍的是鋁合金氣瓶和鋼瓶，依據GB/T11640[3]，鋁合金無縫氣瓶的安全系數一般取值2.1～2.4。同理，依據GB5099[4]鋼質無縫氣瓶的強度安全系數為2.3～2.5。所以，本鈦合金球形氣瓶作為潛水氣瓶使用，其材料力學性能指標遠大于鋁合金和鋼，故取強度安全系數為2進行相關的設計計算。

2.2 設計計算

2.2.1 內徑計算 根據技術要求的規(guī)定，氣瓶采用球形結構。根據容積要求，對氣瓶的內徑進行核算：

(1)

式中：Di為氣瓶內徑，單位為mm；

V為氣瓶容積，單位為mm3，取值2.4×106mm3(即2.4 L)。

2.2.2 壁厚計算 依據QJ1654標準，則氣瓶的壁厚為：

(2)

式中：S為氣瓶壁厚，單位為mm；

P為氣瓶最高工作壓力，單位為MPa，取值30 MPa；

Di為氣瓶內徑，單位為mm，取值165.82 mm；

σb為抗拉強度，單位為MPa，取值890 MPa；

nb為強度安全系數，取值2；

φ為焊縫系數，取φ=0.85。

2.2.3 螺紋計算 本氣瓶瓶嘴采用常規(guī)潛水呼吸器氣瓶的M18×1.5-6H螺紋瓶嘴結構，如圖1所示。

圖1 瓶嘴結構

根據潛水呼吸器氣瓶的一般規(guī)定，水壓試驗壓力條件下瓶口螺紋的剪切安全系數應不小于10。與氣瓶連接的瓶閥外螺紋一般采用M18×1.5-6g，根據螺紋標準，M18×1.5螺紋的牙型角為60°，則相關參數如表2、3所示。

表2 瓶口螺紋尺寸(mm)

表3 閥門螺紋尺寸(mm)

內螺紋牙的受剪面積An：

(3)

最大軸向外載荷Fw：

Fw=PA=45×3.14×18.02÷4=11 445.3 N

(4)

(5)

螺紋剪切應力安全系數：

(6)

因此，當瓶嘴螺紋牙數不少于5時，水壓試驗壓力條件下膽嘴螺紋剪切應力安全系數>10，滿足要求。

2.3 結構設計

根據上述計算結果，取的設計參數如下：氣瓶內徑165.82 mm，壁厚3.35 mm，瓶口螺紋M18×1.5-6H，完整螺紋牙數≥6。

氣瓶僅設計一個瓶口，氣瓶簡圖如圖2所示。

圖2 2.4 L鈦合金球形氣瓶結構圖

在氣瓶瓶嘴處的圓柱面加工出2個對稱的凹槽，以方便利用扳手裝卸瓶閥。經測算，氣瓶參數符合對外形尺寸和質量的技術要求，結果如下：氣瓶外徑172.5 mm，氣瓶長度200 mm，氣瓶質量1.9 kg。

3 工藝

結合高壓氣瓶及鈦合金加工生產經驗，并從降低氣瓶批量生產成本考慮，2.4 L鈦合金球形氣瓶采用鈦合金板材經壓力成形出2個半球，利用鈦合金棒材機械加工出氣瓶嘴，然后將氣瓶嘴、2個半球焊接而成球形氣瓶的工藝方案，如圖3所示。

圖3 2.4 L鈦合金球形氣瓶工藝流程圖

當溫度超過350 ℃時，TC4鈦合金塑性、韌性等性能會發(fā)生較大變化，合金的性能很大程度上依賴于熱處理[5]。因此，在加工和焊接過程中應嚴格控制溫度，要采取措施抑制其溫度升高。焊接時，焊縫區(qū)結構和焊接工藝對氣瓶的安全性和疲勞循環(huán)壽命有極大的影響，在焊縫區(qū)應進行補強設計，降低焊縫處應力水平，對近焊縫區(qū)進行平滑變厚度設計，提高氣瓶殼體的應變協調[6]。在2.4 L鈦合金球形氣瓶工藝設計中，進行了結構優(yōu)化設計和焊接工藝改進，確保其焊接接頭質量和力學性能，使應力水平較低，不會導致應力集中。同時采用了真空熱處理爐進行熱處理，使TC4鈦合金的微觀組織和力學性能沒有產生異變[7]。

TC4鈦合金在焊接時，易產生氣孔和形成冷裂紋，焊接接頭易粗化、脆化[8]。為了增強2.4 L鈦合金球形氣瓶的強度，經過對本體打磨、拋光和超聲波等表面處理后進行等離子滲碳，提高硬質膜層和基體的匹配性，增強其抗沖蝕性能[9]。

4 試驗

按照QJ1655[10]，鈦合金球形氣瓶應進行氣密性、強度、疲勞和爆破試驗。氣瓶逐只進行工作壓力(30 MPa)下的氣密試驗和1.5倍工作壓力(45 MPa)的水壓強度試驗，每批氣瓶中抽取1只氣瓶進行疲勞試驗，抽取1只氣瓶進行爆破試驗，并應滿足相關試驗要求。

水壓強度試驗壓力按QJ1654-89 9.1 ，強度試驗壓力Pa=(1.4～1.6)P，P=30 MPa，取值1.5，即強度試驗壓力為45 MPa，保壓60 s，殘余變形<5%。疲勞試驗次數為6 000次，疲勞試驗介質為液壓油，抽樣進行。爆破壓力按照工作壓力為30 MPa，爆破強度系數2.5～3.0，因此爆破壓力取值90 MPa?？紤]到實際爆破值可能遠高于90 MPa，在 90 MPa時保壓30 s，不破裂為合格，后期升壓至爆破為止，實際爆破壓力值為102.6 MPa，爆破試驗介質為純凈水或自來水。