艦船動(dòng)力裝置及其腐蝕防護(hù)要求研究

伍賽特

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司，上海 200438）

引言

以柴油機(jī)、汽輪機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)等熱力發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力來源是艦船推進(jìn)裝置發(fā)展過程中的一次革命[1-4]，也是古代戰(zhàn)船向近代艦船飛躍中的關(guān)鍵一環(huán)。在相當(dāng)長(zhǎng)的一段歷史時(shí)期，風(fēng)帆一直是船舶的主要推進(jìn)方式。以風(fēng)帆為動(dòng)力裝置的戰(zhàn)船的優(yōu)勢(shì)是只要裝載足夠的食品、淡水和作戰(zhàn)物資，就能在海上隨風(fēng)逐浪航行達(dá)數(shù)月之久，但同時(shí)其最大劣勢(shì)是對(duì)風(fēng)能依賴性較高，缺乏作戰(zhàn)機(jī)動(dòng)性，很難捕捉到戰(zhàn)機(jī)，而且一旦其風(fēng)帆或桅桿受損，會(huì)使全艦就失去前進(jìn)動(dòng)力。因此，一直在對(duì)艦船推進(jìn)方式開展相關(guān)研究。

1 艦用蒸汽動(dòng)力裝置、螺旋槳及其腐蝕防護(hù)要求研究

自1768 年蒸汽機(jī)問世后，立即引起造船界的廣泛關(guān)注，并逐步將其作為船舶的動(dòng)力來源。到19 世紀(jì)30 年代后期，由半螺旋面組成的螺旋槳研制成功，引發(fā)了船舶推進(jìn)器的變革。隨后，美國(guó)方面建造了世界第一艘由螺旋槳推進(jìn)的蒸汽機(jī)戰(zhàn)船。在1853 年的錫諾普海戰(zhàn)中，土耳其16 艘軍船中唯一的蒸汽巡洋艦幸免于難并重創(chuàng)一艘俄國(guó)戰(zhàn)列艦，使人們真正認(rèn)識(shí)到了以熱力發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力來源的重要性。

1897 年，汽輪機(jī)被首次用于“透平尼亞”號(hào)船上。1900年，第一艘由汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的戰(zhàn)船——英國(guó)海軍“蝮蛇”號(hào)魚雷驅(qū)逐艦正式服役。此后，該類功率大、轉(zhuǎn)速高、重量輕的新型機(jī)器開始代替往復(fù)式蒸汽機(jī)作為艦船的主要?jiǎng)恿ρb置。目前，蒸汽動(dòng)力裝置的關(guān)鍵技術(shù)有：增壓鍋爐的設(shè)計(jì)技術(shù)、主汽輪機(jī)組的長(zhǎng)葉片技術(shù)，以及大功率齒輪減速器的制造技術(shù)等方面。

艦用汽輪機(jī)與電廠汽輪機(jī)不同，其經(jīng)常在變工況條件下工作，在啟動(dòng)、停車、變速、正倒車等工況條件下來回變化，同時(shí)其受力情況更復(fù)雜。故一般在機(jī)組用材上更偏重于鉻鎳鋼，其在設(shè)計(jì)上的安全系數(shù)也相對(duì)較高。

在腐蝕防護(hù)方面，螺旋槳要求能耐海生物腐蝕及空泡腐蝕。機(jī)組主軸和轉(zhuǎn)子在高溫、高壓、蒸汽介質(zhì)中工作[5]，并在高速旋轉(zhuǎn)下承受較復(fù)雜的應(yīng)力，要求耐磨蝕、高溫腐蝕及應(yīng)力腐蝕。葉輪和輪盤承受巨大的切向應(yīng)力和徑向拉應(yīng)力[6]，對(duì)于長(zhǎng)期工作溫度超過400℃的輪盤或葉輪還要考慮蠕變及持久強(qiáng)度，需要較好的耐高溫腐蝕和應(yīng)力腐蝕的性能。汽輪機(jī)葉片主要承受氣流的沖擊力、彎曲力，高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的離心力[7]，以及由各種原因形成的振動(dòng)作用，葉片材料要求具有較好的高溫力學(xué)性、耐蝕性、減振性、耐磨性，以及良好的工藝性能。汽缸、隔板、噴嘴室、閥殼等靜子零部件，視其工作條件及工作溫度之不同，往往要求更高的熱強(qiáng)性。為對(duì)汽缸、隔板、輪盤等的螺釘、螺帽、鉚釘?shù)攘慵M(jìn)行固定，要求材料在高溫條件下具有較好的抗松弛性能、較小的缺口敏感性、較小的蠕變脆化傾向，以及一定的耐蝕性等[8]。

2 艦用柴油機(jī)動(dòng)力裝置及其腐蝕防護(hù)要求研究

1896 年10 月5 日，德國(guó)制造了世界上第一臺(tái)柴油機(jī)。由于柴油機(jī)效率高[9]、重量輕，被首先用于潛艇上。通過采用柴油機(jī)與蓄電池相結(jié)合的動(dòng)力形式，使常規(guī)潛艇很快進(jìn)入了柴-電推進(jìn)時(shí)代，大幅提高了全艇機(jī)動(dòng)性。自1925 年以后，美國(guó)、德國(guó)開始在水面艦船，特別是小型艦艇上采用柴油機(jī)推進(jìn)動(dòng)力，同樣也提高了全艦的作戰(zhàn)能力。柴油機(jī)動(dòng)力裝置的關(guān)鍵技術(shù)主要有：燃油噴射技術(shù)、渦輪增壓技術(shù)、柴油機(jī)電控技術(shù)等。柴油機(jī)是艦艇上的主要?jiǎng)恿ρb置之一，由于其體積小、重量輕、啟動(dòng)簡(jiǎn)便迅速，故輕型及快速艦船多以其作為主機(jī)。柴油機(jī)燃燒室內(nèi)的溫度可高達(dá)1400℃以上，同時(shí)通過連桿、曲軸、齒輪、軸等來傳遞動(dòng)力，這些零件的受力情況、工作條件各不相同，因而需要選用各種不同的材料來滿足它們的使用要求。曲軸的功能是將連桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其受到周期變化的扭轉(zhuǎn)、彎曲、壓縮和沖擊等多種載荷的作用[10]。尤其是在變工況情況（改變轉(zhuǎn)速、正倒車、啟停等情況）下的受力情況更復(fù)雜。因此，要求曲軸材料應(yīng)具有良好的綜合力學(xué)性能、抗疲勞性能和軸頸部位的耐磨性。

連桿是將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)為曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的重要傳動(dòng)零件，其所承受的是方向會(huì)發(fā)生變化并周期性出現(xiàn)的力，除拉壓作用外還有彎曲作用，其主要破壞形式是拉壓疲勞破壞，因此要求連桿材料應(yīng)有較高的屈服強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，制作連桿的合金鋼則均采用調(diào)質(zhì)處理。

應(yīng)用于柴油機(jī)的齒輪種類繁多且大小不同。柴油機(jī)在工作時(shí)，齒輪除承受交變的彎曲載荷外，其表面還要承受強(qiáng)烈的摩擦作用及交變壓應(yīng)力。在柴油機(jī)啟動(dòng)及停機(jī)時(shí)，其受到較大的沖擊載荷，因此齒輪應(yīng)選用具有高疲勞強(qiáng)度的材料。為了提高齒面的接觸疲勞極限、耐磨性和抗點(diǎn)腐蝕性，還要采用滲碳、氮化、高頻淬火等熱處理工藝。

氣閥是柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)中的重要零件之一。進(jìn)、排氣閥處于不同的工作條件下。進(jìn)氣閥的工作溫度一般為300～400℃，排氣閥的工作溫度最高可達(dá) 750～800℃。排氣閥不僅工作溫度高，而且受到高溫氣體的沖刷，以此其耐蝕條件比進(jìn)氣閥更為惡劣。閥盤不僅需要具有在高溫下抵抗腐蝕、蠕變和疲勞的性能，而且應(yīng)具有能抵抗熱沖擊的較高強(qiáng)度和耐磨性。氣閥的桿部不僅受頸部彎曲疲勞的影響，而且會(huì)在潤(rùn)滑不良的條件下與導(dǎo)管發(fā)生摩擦，故需要有較高的減摩和耐磨性能。氣閥的頂端與挺桿撞擊，必須有足夠的硬度以防止閥面塌陷。

3 艦用燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置及其腐蝕防護(hù)要求研究

針對(duì)蒸汽動(dòng)力裝置效率低、啟動(dòng)加速慢、裝置重量大、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、管理使用較麻煩和柴油機(jī)單機(jī)功率小、裝置重量較大等問題，開始加快了對(duì)艦用燃?xì)廨啓C(jī)的研究工作。曾于1947 年制造出第一臺(tái)艦用燃?xì)廨啓C(jī)——英國(guó)加特里克（G1）燃?xì)廨啓C(jī)，并配裝于MGB2009 高速炮艇。燃?xì)廨啓C(jī)是一類以空氣為工質(zhì)，并將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，繼而再轉(zhuǎn)換成機(jī)械功的回轉(zhuǎn)式熱力發(fā)動(dòng)機(jī)。

磷含量在121.25～195.36mg/100g之間，平均含量高達(dá)158.12mg/100g，不同部位含量的平均高低依次為后腿肉含量162.43mg/100g、臀腿肉含量160.98mg/100g、前腿肉含量157.05mg/100g、頸肩肉含量155.12mg/100g、背肌肉含量145.06mg/100g。

自主研發(fā)燃?xì)廨啓C(jī)有著較高的技術(shù)要求，其涵蓋了空氣動(dòng)力學(xué)、工程熱力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、冶金、材料、工藝、機(jī)械加工、試驗(yàn)測(cè)試等多項(xiàng)學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域。目前，燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵技術(shù)主要有：高壓比高效率壓氣機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)、持續(xù)提高燃?xì)獬鯗氐募夹g(shù)、中冷回?zé)峒夹g(shù)。高溫燃?xì)庵苯幼饔糜跍u輪葉片上以推動(dòng)渦輪運(yùn)轉(zhuǎn)，因此葉片的材料必須具有耐高溫、耐腐蝕、抗蠕變、抗熱疲勞的性能。同時(shí)，葉片還需要采用先進(jìn)的冷卻技術(shù)，包括對(duì)流冷卻、沖擊冷卻、氣膜冷卻和發(fā)散冷卻等方式，以降低葉片表面的實(shí)際工作溫度[11-12]。因此，葉片的表面和內(nèi)部需要配備有用于冷卻的氣孔和通道，這又給葉片的加工制造帶來了難度。目前燃?xì)廨啓C(jī)葉片的制造過程已采用無余量精密鑄造技術(shù)、定向結(jié)晶技術(shù)和單晶鑄造技術(shù)等。燃?xì)廨啓C(jī)的主要部件均在高溫條件下運(yùn)作，因此，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)零件材料的要求主要是強(qiáng)調(diào)高溫性能。燃?xì)廨啓C(jī)主要部件所選用的材料大多為耐熱鋼和高溫合金。

4 艦用核動(dòng)力裝置及其腐蝕防護(hù)要求研究

潛艇的作戰(zhàn)威力和生命力在于其別具一格的隱蔽性。因此，潛艇從誕生之日起，就一直在逐步提高其水下續(xù)航力和快速性。1949 年，美國(guó)海軍針對(duì)第一艘攻擊型核潛艇而開展了研制工作。至1954 年，第一艘核動(dòng)力潛艇“鸚鵡螺”號(hào)正式下水。將核動(dòng)力裝置用作潛艇推進(jìn)動(dòng)力后，大幅提高了其水下作戰(zhàn)時(shí)的航速，并有效提升了其水下續(xù)航力，使?jié)撏С蔀檎嬲饬x上的潛艇。

自核潛艇得以成功研制之后，美國(guó)方面看到了艦用核動(dòng)力裝置的優(yōu)越性，由此及彼，將核動(dòng)力裝置運(yùn)用至航空母艦上，同樣大幅提升了航空母艦的續(xù)航力，擴(kuò)大了其作戰(zhàn)區(qū)域。核動(dòng)力裝置上艦后，還消除了常規(guī)動(dòng)力裝置排放的廢氣在飛行甲板末端的空氣湍流，改善了艦載機(jī)著艦條件，提高了艦載機(jī)著艦的安全性。同時(shí)，使航空母艦上無需裝載大量艦用燃油，并可提高航空燃油和彈藥的裝載量，改良艦載機(jī)的持續(xù)作戰(zhàn)能力。

艦用核動(dòng)力反應(yīng)堆及一回路用材料按其作用可分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩大類。結(jié)構(gòu)材料幾乎全部是金屬材料[13]。功能材料主要有核燃料、中子吸收材料等與反應(yīng)性相關(guān)的材料，以及屏蔽材料、隔熱材料等與安全防護(hù)相關(guān)的材料。考慮到核燃料舉足輕重的作用與性能的獨(dú)特性，往往將其置于與所有其他材料并行的位置。

核動(dòng)力裝置對(duì)材料使用中的共性要求主要體現(xiàn)在力學(xué)性能、抗輻照性能、耐蝕性和焊接性能等四方面。材料的服役工況普遍為高溫高壓、輻照、腐蝕和動(dòng)靜態(tài)載荷等多場(chǎng)耦合作用環(huán)。因此，要求所用材料有著較高的性能指標(biāo)，并對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格要求。在其研發(fā)過程具有牽涉面廣、綜合性強(qiáng)、周期長(zhǎng)、難度大、驗(yàn)證過程復(fù)雜等特點(diǎn)。

5 潛艇用AIP 系統(tǒng)及其腐蝕防護(hù)要求研究

常規(guī)潛艇因蓄電池容量有限，需要經(jīng)常上浮到通氣管狀態(tài)進(jìn)行充電，暴露率高，生命力容易受到威脅。因此，從20 世紀(jì)80 年代以后，開始發(fā)展不依賴空氣的動(dòng)力裝置（AIP）。按能量轉(zhuǎn)換裝置不同，AIP 有多種形式，主要有熱氣機(jī)、閉式循環(huán)柴油機(jī)、燃料電池，閉式循環(huán)汽輪機(jī)和小型核動(dòng)力裝置等[14]。

潛艇用閉式循環(huán)柴油機(jī)AIP 系統(tǒng)的工作原理主要如下：液氧汽化后與柴油機(jī)排氣中的部分廢氣混合，送到柴油機(jī)汽缸內(nèi)燃燒，形成固定循環(huán)，同時(shí)使燃?xì)庵苯幼龉?。閉式循環(huán)柴油機(jī)通常是在普通柴油機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改裝。如上文所述，柴油機(jī)本身技術(shù)較為成熟，且應(yīng)用廣泛，因此在改裝過程中需要重點(diǎn)解決閉式循環(huán)柴油機(jī)的系統(tǒng)問題。閉式循環(huán)柴油機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵材料技術(shù)主要有：空氣再生技術(shù)、液氧儲(chǔ)存及汽化、CO2吸收器材料等，以及液氧在整個(gè)過程中的密封、腐蝕與安全問題。

燃料電池具有效率高、振動(dòng)噪聲小、熱輻射低、可靠性強(qiáng)、環(huán)保清潔和民用市場(chǎng)巨大等優(yōu)勢(shì)。潛艇用燃料電池AIP 系統(tǒng)主要由氫源系統(tǒng)、氧源系統(tǒng)、電堆系統(tǒng)及為確保系統(tǒng)正常運(yùn)行的輔助系統(tǒng)組成。從目前的技術(shù)狀況看，除氧源技術(shù)與熱氣機(jī)AIP 系統(tǒng)相同，燃料電池仍面臨著一系列的研究難關(guān)，其關(guān)鍵技術(shù)主要有：甲醇重整制氫和金屬吸附儲(chǔ)氫材料及技術(shù)、電堆密封技術(shù)等。

潛艇如配置有小型核動(dòng)力裝置AIP 系統(tǒng)，能有效解決常規(guī)潛艇通氣管狀態(tài)航行充電隱蔽性差的問題，因而是真正意義上的不依賴空氣的AIP 系統(tǒng)。如上文所述，潛艇裝有小型核動(dòng)力裝置后，其水下續(xù)航力將有效提升，從而大幅度提高了全艇的隱蔽性[15]。小型核動(dòng)力AIP 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要有：低溫低壓反應(yīng)堆材料及技術(shù)及能量轉(zhuǎn)換材料技術(shù)等。由于涉及反應(yīng)堆技術(shù)，核輻射及腐蝕防護(hù)也是關(guān)鍵技術(shù)之一[16]。

6 綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)及其腐蝕防護(hù)要求研究

綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)可將艦船推進(jìn)系統(tǒng)與電力系統(tǒng)融合為統(tǒng)一體，將全艦所需的能源以電力的形式集中，并統(tǒng)一調(diào)度、分配和管理[17]。這種全新的系統(tǒng)將使全艦系統(tǒng)和設(shè)備的布置更加靈活，并可為激光、電磁武器提供能源，是近年來艦船動(dòng)力系統(tǒng)的重要革命，也將為艦載武器系統(tǒng)帶來革命性的變化。

綜合全電力推進(jìn)技術(shù)從20 世紀(jì)80 年代末期開始發(fā)展，美國(guó)從1988 年即已推行艦船綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展。綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)有經(jīng)濟(jì)性好、可提升全艦戰(zhàn)斗力、增強(qiáng)全艦生命力，并改善全艦維修性等方面[18]。

艦船綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要有：高壓大功率電力電子器件設(shè)計(jì)制造技術(shù)、艦用高壓大容量變頻調(diào)速器設(shè)計(jì)制造技術(shù)、多相推進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)、高溫超導(dǎo)材料技術(shù)、永磁材料技術(shù)、儲(chǔ)能材料技術(shù)等[19]。為確保各類材料的壽命和材料可靠性，為此針對(duì)其腐蝕防護(hù)而開展的研究不可或缺。

7 結(jié)論與展望

艦船動(dòng)力裝置的更新?lián)Q代直接推動(dòng)了艦船技術(shù)領(lǐng)域的重要發(fā)展。就目前而言，以動(dòng)力裝置為基礎(chǔ)的艦船領(lǐng)域重大技術(shù)飛躍主要有三點(diǎn)。一是以蒸汽機(jī)用作動(dòng)力裝置、以螺旋槳作為推進(jìn)器，并應(yīng)用鋼鐵材料，同時(shí)結(jié)合火炮技術(shù)的優(yōu)化，大幅提升了水面艦船的作戰(zhàn)能力。第二是潛艇的發(fā)明，并以內(nèi)燃機(jī)和電能用于推進(jìn)，同時(shí)以魚雷作為攻擊方式，使其成為了一類重要的艦船類型。第三是核動(dòng)力裝置的問世，并將其應(yīng)用于航空母艦及潛艇，大幅提升了海防力量。就目前而言，針對(duì)艦船動(dòng)力裝置腐蝕防護(hù)工作的研究可使艦船有效避免重大事故，并提升全艦的壽命和在航率，因此有著重要而深遠(yuǎn)的意義。