船用水密門(mén)輕量化設(shè)計(jì)

劉 銘，壽雪剛

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

0 引言

水密門(mén)廣泛應(yīng)用于船舶與海工平臺(tái)，是保證船舶艙壁水密性能的重要船體屬具。水密門(mén)在關(guān)閉后能防止一定壓力的水從門(mén)的一側(cè)向另一側(cè)流動(dòng)。水密門(mén)對(duì)保證船舶艙壁水密性，保障船舶安全具有重要作用[1]。

從國(guó)外船舶水密門(mén)的應(yīng)用和發(fā)展來(lái)看，歐美國(guó)家在水密門(mén)的設(shè)計(jì)、使用和維護(hù)方面具有較系統(tǒng)的規(guī)范[2]。目前，我國(guó)船用水密門(mén)絕大多數(shù)采用單把手聯(lián)動(dòng)操作方式，門(mén)面板采用單層高強(qiáng)度鋼板或聯(lián)動(dòng)控制的隱藏式結(jié)構(gòu)。為滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，在面板上焊接筋板。聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)直接暴露在通道內(nèi)，外觀(guān)很差。水密門(mén)的零部件較多，在日常維護(hù)時(shí)需要先將聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)拆除再重新組裝。只有經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)、技藝嫻熟的船員或?qū)I(yè)廠(chǎng)家才能進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)。此外，重新組裝后的聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的鎖緊量和壓緊量很難達(dá)到拆裝前的狀態(tài)，這會(huì)導(dǎo)致密性不可靠，操作費(fèi)力，維護(hù)、保養(yǎng)難度增大，成本提高。

隨著我國(guó)船舶產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，以及新材料、新工藝、新技術(shù)的應(yīng)用，傳統(tǒng)水密門(mén)已無(wú)法完全滿(mǎn)足使用要求。研制一種質(zhì)量更輕、外觀(guān)更好、耐腐蝕性更強(qiáng)、維護(hù)保養(yǎng)更加方便的新型輕量化鋼質(zhì)水密門(mén)尤顯迫切。

本文提出水密門(mén)輕量化的技術(shù)指標(biāo)，并進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。通過(guò)關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)施，完成樣機(jī)的研制工作。

1 主要技術(shù)指標(biāo)

為了解船用水密門(mén)的使用現(xiàn)狀，深入調(diào)查各大船廠(chǎng)和設(shè)計(jì)院所，了解目前水密門(mén)的技術(shù)指標(biāo)和結(jié)構(gòu)形式。在分析比較國(guó)內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，制定詳細(xì)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难兄萍夹g(shù)方案。

新型輕量化水密門(mén)樣機(jī)具有如下技術(shù)指標(biāo)：

1）高1 650 mm，寬650 mm，質(zhì)量為105 kg。

2）外壓和內(nèi)壓均為0.05 MPa。

3）相較于同尺寸的傳統(tǒng)鋼質(zhì)水密門(mén)，新型輕量化水密門(mén)的總質(zhì)量減輕25%，門(mén)板質(zhì)量減輕35%。

4）門(mén)板、門(mén)框的高度偏差和寬度偏差均為1 mm/m。

5）共制造2扇水密門(mén)。1扇焊接在水密試驗(yàn)箱上，用于水壓試驗(yàn)；另1扇固定試驗(yàn)架上，由專(zhuān)業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)。

6）當(dāng)門(mén)關(guān)閉時(shí)，門(mén)框邊緣應(yīng)均勻壓入填料，壓入深度不大于3 mm。

7）所有零部件均應(yīng)具有良好的互換性和表面質(zhì)量。

8）手動(dòng)操作時(shí)間不得超過(guò)5 s，操作力矩不得超過(guò)150 N·m。

2 技術(shù)方案

2.1 門(mén)板、門(mén)框結(jié)構(gòu)

目前，國(guó)內(nèi)尚無(wú)相似指標(biāo)的水密門(mén)，僅有美國(guó)最新的“福特”號(hào)航母上使用的海軍標(biāo)準(zhǔn)壓力驅(qū)動(dòng)門(mén)（Navy Standard Pressure Actuated Door，NSPAD）水密門(mén)與本文設(shè)計(jì)的新型輕量化水密門(mén)的指標(biāo)相當(dāng)。NSPAD的質(zhì)量為98.9 kg，其采用薄板箱型結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)為本文的設(shè)計(jì)提供了非常有益的借鑒。本方案中門(mén)板、門(mén)框和筋板均采用薄板結(jié)構(gòu)，通過(guò)特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和焊接工藝使水密門(mén)的強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

2.2 密封結(jié)構(gòu)

為滿(mǎn)足密性要求，我國(guó)船舶通常采用提高密封膠條硬度、增加壓入深度、增加鎖緊點(diǎn)，提高鎖緊機(jī)構(gòu)強(qiáng)度等方法。然而，由于傳統(tǒng)水密門(mén)質(zhì)量大，操作費(fèi)力，往往會(huì)減少膠條的使用壽命。本文采用“唇式”密封圈，該密封圈能夠在水壓作用下膨脹，擠壓軸和套，進(jìn)而形成密封，達(dá)到水密效果。密封結(jié)構(gòu)實(shí)物圖見(jiàn)圖1。

圖1 密封結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

2.3 聯(lián)動(dòng)鎖緊機(jī)構(gòu)

我國(guó)船舶使用的水密門(mén)為單把手快速啟閉機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)快速啟閉的目的，但聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)中連接點(diǎn)和鎖緊點(diǎn)較多，日常維護(hù)時(shí)需要根據(jù)安裝情況現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)壓緊量，對(duì)維護(hù)保養(yǎng)人員的技術(shù)要求非常高，造成大量人力和物力的浪費(fèi)。為改變上述不足，在設(shè)計(jì)合理門(mén)板、門(mén)框結(jié)構(gòu)及密封方式的基礎(chǔ)上，嘗試取消水密門(mén)上、下及鉸鏈面鎖緊機(jī)構(gòu)（見(jiàn)圖2），采用以鉸鏈作為鎖緊點(diǎn)，在開(kāi)啟面設(shè)置聯(lián)動(dòng)把手的模式。該模式在保證密性時(shí)不再完全依托鎖緊機(jī)構(gòu)對(duì)密封膠條的壓緊作用，而是借助水的作用力實(shí)現(xiàn)密封。

圖2 鎖緊機(jī)構(gòu)實(shí)物圖

續(xù)圖2 鎖緊機(jī)構(gòu)實(shí)物圖

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 門(mén)板、門(mén)框結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，國(guó)內(nèi)水面船舶使用的最輕水密門(mén)質(zhì)量為132 kg，門(mén)板由4 mm厚的907A鋼板制成，門(mén)框由6 mm厚的Q345-B材料制作。根據(jù)技術(shù)方案，門(mén)板、門(mén)框及筋板采用薄板，通過(guò)特殊結(jié)構(gòu)以及焊接工藝使水密門(mén)的強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。不銹鋼薄板制成的壓力容器以及有壓力要求的薄板結(jié)構(gòu)均采用激光焊。激光焊的特點(diǎn)是焊接速度快、變形小、強(qiáng)度高。為驗(yàn)證不銹鋼薄板激光焊接的質(zhì)量，選取不同厚度、不同筋板形狀的不銹鋼板進(jìn)行焊接，并進(jìn)行壓載強(qiáng)度試驗(yàn)，對(duì)比其優(yōu)缺點(diǎn)。最終，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行篩選，使用厚度為1.5 mm的外面板、厚度為1.2 mm的內(nèi)面板和“碗狀”筋板合成不銹鋼“金屬三明治”結(jié)構(gòu)，并用此結(jié)構(gòu)制作門(mén)板（見(jiàn)圖3）。門(mén)框則由2種不同規(guī)格的不銹鋼矩形板采用激光焊接制成。本文提出的設(shè)計(jì)方案可同時(shí)滿(mǎn)足外觀(guān)、質(zhì)量及強(qiáng)度的要求。

圖3 門(mén)板、筋板示意圖

3.2 密封膠條設(shè)計(jì)

“唇式”密封圈裝配在軸和套之間，其內(nèi)部有一個(gè)非常小的腔，若壓力水進(jìn)入水腔，會(huì)促使密封圈膨脹，擠壓軸和套，形成密封，進(jìn)而達(dá)到水密效果。水密門(mén)的密封面為平面，可采用類(lèi)似“Y”形密封結(jié)構(gòu)，其依靠受壓時(shí)水對(duì)密封膠條產(chǎn)生的作用力實(shí)現(xiàn)密封[3]，密封膠條示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 密封膠條示意圖（單位：mm）

3.3 聯(lián)動(dòng)鎖緊設(shè)計(jì)

在合理設(shè)計(jì)門(mén)板、門(mén)框結(jié)構(gòu)及密封方式的基礎(chǔ)上，嘗試取消水密門(mén)上、下及鉸鏈面鎖緊機(jī)構(gòu)，采用將鉸鏈作為鎖緊點(diǎn)，在開(kāi)啟面設(shè)置聯(lián)動(dòng)把手的模式。該模式在保證密性時(shí)不再完全依托鎖緊機(jī)構(gòu)對(duì)密封膠條的壓緊作用，而是借助水的作用力實(shí)現(xiàn)密封。聯(lián)動(dòng)鎖緊機(jī)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖5。

圖5 聯(lián)動(dòng)鎖緊機(jī)構(gòu)示意圖

3.4 安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水密門(mén)所在的艙壁面板均采用數(shù)控切割，切割后與筋板焊接，船體壁板制作允許誤差為3～4 mm/m。水密門(mén)的壓緊量一般為3 mm。由于門(mén)框強(qiáng)度低于艙壁強(qiáng)度，這導(dǎo)致門(mén)框與艙壁焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生變形，進(jìn)而造成門(mén)的密性無(wú)法滿(mǎn)足要求。只有保持密封面平整，密封膠條才能均勻受壓。因此，采用合適的門(mén)框結(jié)構(gòu)和安裝結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，最終門(mén)框采用矩形管拼接的形式。不銹鋼矩形管嵌入安裝在艙壁內(nèi)，其目的是盡可能避免破壞密封面的平整度。

4 樣機(jī)的研制

4.1 主要組成

新型輕量化水密門(mén)由門(mén)板、門(mén)框、密封膠條、聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)、拉手、斜楔、連桿固定裝置等組成。

4.2 樣機(jī)制造

在標(biāo)準(zhǔn)鋼質(zhì)水密門(mén)生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量管理，選用滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和研制要求的材料；采用激光焊，控制薄板焊接變形[4]；提高門(mén)板、門(mén)框的制造精度，保證產(chǎn)品外形平整、光滑、表面無(wú)明顯缺陷，滿(mǎn)足產(chǎn)品的研制要求。

4.3 樣機(jī)試驗(yàn)測(cè)試

4.3.1 水密試驗(yàn)

將新型輕量化鋼質(zhì)水密門(mén)焊接在專(zhuān)用試驗(yàn)箱上（內(nèi)外水壓試驗(yàn)共用一個(gè)水箱，分開(kāi)使用），向箱內(nèi)注水，當(dāng)外壓達(dá)到要求時(shí)，關(guān)閉進(jìn)水閥，保持壓力不變，堅(jiān)持15 min，觀(guān)察表面是否存在滲水或漏水現(xiàn)象[5]。水密試驗(yàn)示意圖見(jiàn)圖6。

圖6 水密試驗(yàn)示意圖

4.3.2 環(huán)境試驗(yàn)

新型輕量化鋼質(zhì)水密門(mén)樣機(jī)通過(guò)專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)的環(huán)境試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果良好，滿(mǎn)足相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求。

5 結(jié)論

本文對(duì)船用水密門(mén)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，提出技術(shù)指標(biāo)，進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，并完成樣機(jī)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)的要求。相較于普通鋼質(zhì)水密門(mén)，新型輕量化鋼質(zhì)水密門(mén)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）采用“金屬三明治”結(jié)構(gòu)，內(nèi)外面板及筋板之間形成60 mm厚的中空層，有效提高了門(mén)的整體強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了良好的保溫、隔熱和隔聲效果。

2）采用先進(jìn)的密封理念，不再完全依托鎖緊機(jī)構(gòu)對(duì)密封膠條的壓緊作用，而是通過(guò)水的作用力壓緊門(mén)板與門(mén)框之間的密封條，改變了傳統(tǒng)水密門(mén)的鎖緊模式，減少了鎖緊力，達(dá)到了快速啟閉的目的。

3）聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)布置在門(mén)框上，門(mén)板上僅設(shè)有拉手和扇形斜鍥，在門(mén)打開(kāi)后外部除必須配備的拉手外無(wú)任何突出物，外觀(guān)整潔、大方。

4）采用先進(jìn)的激光焊接技術(shù)，提高了焊接質(zhì)量，減少了環(huán)境污染，保護(hù)了施工人員的身體健康。