水面艦船鈦合金海水管路標準體系研究

馬維良，李 佳，盛偉群

（上海船舶設備研究所，上海 200031）

0 引言

海水管路系統(tǒng)是水面艦船中的重要系統(tǒng)，分布于艦船各個部位，服務于消防、抗沉、日用及重要設備冷卻水等系統(tǒng)。水面艦船海水管路系統(tǒng)主要分為日用海水系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、水幕系統(tǒng)、海水冷卻系統(tǒng)等，涉及到艦船的生命力、安全性及可靠性等多方面，其用量大、分布廣、維修保養(yǎng)復雜，在艦船中處于十分重要的地位[1]。鈦合金管作為海水系統(tǒng)的管材，具有耐腐蝕、重量輕等優(yōu)點。目前鈦合金管一次性投入成本與銅鎳合金管（B10）基本相當。而鈦合金管路能夠?qū)崿F(xiàn)全壽期服役，維修成本大幅度降低，符合未來艦船裝備對輕質(zhì)、耐蝕、長壽命鈦合金材料的應用需求。

水面艦船鈦合金海水管路設計是一個系統(tǒng)工程，不僅涉及到優(yōu)質(zhì)管路材料的選用，還與管路設計、加工制造、檢測試驗等密切相關(guān)。目前，國內(nèi)鈦合金材料的應用水平還處于分散、零星的狀態(tài)，尚未形成總體設計、材料研究、產(chǎn)品設計、生產(chǎn)制造之間的有效協(xié)調(diào)合作機制，管路系統(tǒng)設計方法還需長期試驗數(shù)據(jù)支撐，與管路相關(guān)的管路附件、海水泵、閥門等配套標準規(guī)范比較缺乏。為更好地保障和指導水面艦船海水管路設計，固化研究成果，在分析船用鈦合金標準現(xiàn)狀的基礎上，開展水面艦船鈦合金海水管路標準體系研究，并提出鈦合金海水管路系列標準需求清單。

1 船用鈦合金標準現(xiàn)狀分析

我國船用鈦合金工業(yè)起步于20世紀60年代，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，其研究、制造水平有了很大的提高，并初步形成了自己的船用鈦合金體系，且已能生產(chǎn)板、管、棒、餅、環(huán)、絲和鑄件等多種形式產(chǎn)品，能滿足不同強度級別和不同部位的要求。主要船用鈦合金牌號有：Ti31、TA5、Ti75、Ti80、Ti-6AI-3Nb-1Mo合金等，能滿足水面艦艇、潛艇和深潛器的使用需求[2]。我國自上世紀60年代開始研仿俄羅斯3M合金，通過成分優(yōu)化研制成功國內(nèi)第一個船用鈦合金牌號TA5，用于船舶機械；隨后，針對二回路動力系統(tǒng)設備研制了Ti75合金，針對一回路余熱排出冷卻器研制了高溫耐蝕的Ti31合金，針對透聲結(jié)構(gòu)研制了透聲型Ti70、Ti50合金，針對載人潛器耐壓殼體研制了Ti80合金?！笆濉逼陂g研發(fā)了艦船高溫結(jié)構(gòu)鈦合金、耐壓部件用高彈性模量鈦合金、水下裝備用高損傷容限型鈦合金等幾種新型船用鈦合金。通過五十余年的努力，我國已經(jīng)形成了一套鈦合金材料體系，基本能夠滿足艦船裝備的建造需求[3]。

目前，國內(nèi)船用鈦及鈦合金材料應用研制過程中經(jīng)常引用的標準主要涉及國家標準（GB）、國家軍用標準（GJB）、船舶行業(yè)標準（CB）、航空行業(yè)標準（HB）、機械行業(yè)標準（JB）、能源行業(yè)標準（NB）等6大類。通過收集整理國內(nèi)現(xiàn)行標準，共梳理分析出142項標準規(guī)范，涵蓋通用基礎、材料、工藝、產(chǎn)品、檢測試驗等技術(shù)領(lǐng)域。如果按屬性分類，則包含國家標準93項、國家軍用標準9項、船舶行業(yè)標準9項、航空行業(yè)標準15項、機械行業(yè)標準3項、能源行業(yè)標準13項，其屬性分布如圖1所示；如果按類別分類，則包含通用基礎標準9項、材料技術(shù)標準19項、產(chǎn)品技術(shù)標準6項、工藝技術(shù)標準17項、檢測試驗標準84項、其他標準7項，其類型分布如圖2所示。

從標準屬性來看，現(xiàn)有鈦合金相關(guān)標準中，民用標準較多，主要涉及材料、工藝和檢測的國家標準及行業(yè)標準。軍用標準相對缺乏，僅有一部分關(guān)于材料、板材、鑄件、鍛件等系列標準。目前看來民用鈦合金及配套材料綜合性能還達不到軍用要求，軍用鈦合金性能雖然能夠滿足民船要求，但用于民船建造會大幅提高建造成本，不利于鈦合金在艦船上的推廣應用。

圖1 鈦合金相關(guān)標準屬性分布

圖2 鈦合金相關(guān)標準類型分布

從標準類別來看，目前針對鈦合金材料的檢測試驗類標準較多，基本涵蓋材料強度、塑性、沖擊韌性等方面的性能評價，但針對鈦合金材料上艦應用所涉及的防腐防污設計標準、工藝技術(shù)標準及相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)標準（設備、泵、閥、管系附件等）依然比較缺乏，材料技術(shù)標準中也僅有尺寸偏差、常規(guī)力學性能、化學成分等基本要求，難以滿足軍船建造要求。

2 標準體系建立原則

2.1 針對性和目標性原則

標準體系的建立服務于水面艦船鈦合金海水管路的特殊使用工況，突出標準的目的性和針對性，圍繞海水管路系統(tǒng)設計、加工制造、檢驗驗收、維修保障等過程中對鈦合金材料的優(yōu)化選型、防腐防污、焊接工藝等方面提出要求。

2.2 完整性和系統(tǒng)性原則

標準體系的建立涵蓋總體設計技術(shù)、建造技術(shù)、鈦合金成品件技術(shù)、保障技術(shù)，標準制定應盡可能完整、協(xié)調(diào)、成系統(tǒng)，能夠為水面艦船鈦合金海水管路設計、制造、試驗、保障等各階段提供依據(jù)。

2.3 可行性和急用性原則

標準體系的建立要充分考慮現(xiàn)有鈦合金海水管路技術(shù)發(fā)展水平和上艦應用的實際情況，把標準研制重點放在急需的、對裝備使用性能和可靠性有直接影響的專業(yè)技術(shù)標準和配套產(chǎn)品規(guī)范上來。

3 標準體系框架及項目明細表

3.1 標準體系框架

根據(jù)標準體系建立原則，結(jié)合水面艦船鈦合金海水管路系統(tǒng)設計、加工制造、檢驗驗收及維修保障的實際過程，開展標準體系研究，搭建水面艦船鈦合金海水管路標準體系框架，詳見圖 3。體系框架由4層架構(gòu)組成：第一層為標準體系頂層；第二層為大類，包括總體設計標準、建造技術(shù)標準、成品件標準、檢測試驗標準、保障技術(shù)標準共5個大類；第三層為中類，包括流速設計標準、加工工藝標準、設備標準、檢測標準等16個中類；第四層為小類，包括離心泵、潛水泵、截止閥、安全閥等19個小類。具體說明如下。

1）總體設計標準主要包括鈦合金海水管路系統(tǒng)流速設計、材料優(yōu)化及選型、綜合防腐技術(shù)（異種金屬電偶腐蝕、非鈦管路沖刷腐蝕）、防海生物污損技術(shù)、噪聲控制設計等標準規(guī)范。

2）建造技術(shù)標準主要包括鈦合金海水管路加工工藝、焊接技術(shù)、安裝技術(shù)等標準規(guī)范。

3）成品件標準主要包括鈦合金海水管路設備（離心泵、板式換熱器、濾器等）、閥件（截止閥、通海閥、安全閥等）、附件（法蘭、彎頭、三通、異徑等）、管路等產(chǎn)品類標準規(guī)范。

4）檢測試驗標準主要包括鈦合金海水管路材料性能、焊接性能檢測類標準，以及系統(tǒng)驗收、系泊航行試驗類標準規(guī)范。

5）保障技術(shù)標準主要包括鈦合金海水管路維護、保障、培訓類標準規(guī)范。

3.2 現(xiàn)有標準明細表

水面艦船鈦合金海水管路設計現(xiàn)有標準主要包括管路材料、工藝、檢驗等，以及輔助上述內(nèi)容的通用基礎、產(chǎn)品及配套件標準，初步梳理出67項標準，包括國家標準（GB）58項、國家軍用標準（GJB）5項、船舶行業(yè)標準（CB）4項，詳見表1。

4 標準需求清單

現(xiàn)有船用鈦合金牌號已基本能滿足海水管路的用鈦要求，但指導鈦合金海水管路系統(tǒng)設計的標準規(guī)范較少。例如，《艦船通用規(guī)范》（GJB 4000—2000）作為艦船設計通用要求，從頂層上提出了管路設計的原則，主要對各種管系采用材料進行了規(guī)定，并未明確鈦合金管材的應用范圍，對鈦合金海水管路的設計選型缺乏指導。又如，鈦合金管路焊接的工藝評定及驗收標準主要參照《鈦制焊接容器附錄》（JB/T 4745—2002）進行，缺乏管材、配套管件的檢測技術(shù)要求及鈦合金海水管路系統(tǒng)試驗、驗收的相關(guān)標準規(guī)范。

根據(jù)水面艦船鈦合金海水管路標準體系框架，結(jié)合裝備設計、生產(chǎn)、制造、試驗、保障等過程中對標準化工作的需求，在梳理已有相關(guān)標準的基礎上，形成水面艦船鈦合金海水管路系列標準需求清單，如表2所示。

5 下一步工作建議

隨著現(xiàn)代艦船使命任務越來越重，裝備質(zhì)量與可靠性要求越來越高，需要建立一套完整的水面艦船鈦合金海水管路標準規(guī)范，根據(jù)水面艦船鈦合金海水管路系列標準需求清單，結(jié)合裝備設計、生產(chǎn)、制造、試驗、保障等過程，在梳理已有相關(guān)標準的基礎上，對后續(xù)工作建議如下：

1）加強水面艦船鈦合金海水管路標準建設工作，從鈦合金海水管路系統(tǒng)的應用實際出發(fā)，開展鈦合金海水管路標準體系深化研究，不斷完善并形成一套全面、切實可行的鈦合金海水管路系列標準規(guī)范，促進鈦合金海水管路在艦船上準確、高效的應用。

2）結(jié)合型號研制工作，對影響鈦合金海水管路上艦應用的重點標準開展預先研究并形成標準草案，包括《水面艦船鈦及鈦合金海水管路系統(tǒng)規(guī)范》、《水面艦船鈦及鈦合金海水管路系統(tǒng)防腐防污技術(shù)要求》、《水面艦船鈦及鈦合金海水管路系統(tǒng)加工及焊接技術(shù)要求》、《水面艦船鈦及鈦合金海水管路系統(tǒng)維修保障技術(shù)要求》等4項標準。

圖3 鈦合金海水管路標準體系框圖

表1 現(xiàn)有標準明細表

表1 現(xiàn)有標準明細表（續(xù)）

表2 水面艦船鈦合金海水管路系列標準需求清單

表2 水面艦船鈦合金海水管路系列標準需求清單（續(xù)）

3）總結(jié)鈦合金海水管路研制、試驗、應用過程中的技術(shù)要點，組織相關(guān)設計、生產(chǎn)單位開展鈦合金海水管路成品件標準的研究工作，并形成一批技術(shù)狀態(tài)成熟的標準草案，包括《鈦合金離心泵規(guī)范》、《鈦合金潛水泵規(guī)范》、《鈦合金截止止回閥規(guī)范》、《鈦合金蝶閥規(guī)范》、《鈦合金通海閥規(guī)范》、《鈦合金減壓閥規(guī)范》6項標準。

6 結(jié)論

通過對水面艦船鈦合金標準發(fā)展現(xiàn)狀，以及標準的實際應用情況進行研究，圍繞水面艦船鈦合金海水管路對標準化工作的實際需求展開分析，提出水面艦船鈦合金海水管路標準需求清單。為鈦合金海水管路系統(tǒng)的設計提供指導和參考，推動水面艦船鈦合金海水管路系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展，為鈦合金海水管路系統(tǒng)上艦提供重要技術(shù)支撐。