潛器鉛壓載應(yīng)用技術(shù)研究

黃文華，周海波，倪先勝，楊文山，徐家勁(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

0 引 言

潛器的穩(wěn)性是其抵抗外界干擾力，恢復(fù)平衡能力的重要參數(shù)。穩(wěn)性的下降將使?jié)撈髟谒婊虬霛摖顟B(tài)受風(fēng)吹襲時(shí)，產(chǎn)生更大的橫傾，并更早發(fā)生穩(wěn)性喪失；降低潛器在下潛過程中的安全性，特別是在應(yīng)急上浮時(shí)，易產(chǎn)生突然的橫滾和大幅橫搖，限制上浮速度和上浮深度；使?jié)撈髟诟咚倩剞D(zhuǎn)時(shí)易產(chǎn)生更大的橫傾，限制回轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)的航速[1]。因此，在潛器設(shè)計(jì)時(shí)，需按現(xiàn)行規(guī)范要求滿足初穩(wěn)性高的設(shè)計(jì)值[2]。而當(dāng)潛器主尺度、排水量等參數(shù)已經(jīng)確定時(shí)，潛器的重心則是決定其穩(wěn)性的關(guān)鍵因素。

為使?jié)撈髦亓颗c浮力調(diào)整平衡，并盡量降低潛器的重心，在設(shè)計(jì)中往往在艙底、壓載水艙底部等較低位置布置固定壓載。潛器用固定壓載主要有金屬壓載物和水泥壓載物，而金屬壓載物因其易于移動(dòng)和拆卸、形狀規(guī)則易于測(cè)定重心等優(yōu)點(diǎn)，是潛器最常用的固定壓載物[3]。當(dāng)前，潛器用金屬壓載物主要按照現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)，材料為灰鑄鐵，密度約為7.2×103kg/m3，單個(gè)壓載重量為20 kg[4]。而由于灰鑄鐵材料密度相對(duì)較小，導(dǎo)致潛器需要預(yù)留大量的空間用于布置固定壓載，且導(dǎo)致布置位置偏高，不僅影響潛器的空間利用率，更對(duì)潛器的重心高度控制帶來不利影響。此外，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求[5]，潛器舵板設(shè)計(jì)中一般在其內(nèi)部也設(shè)置了鋼制平衡壓載物用于舵板的重量平衡，如圖1所示。

金屬鉛是一種常見的重有色金屬材料，密度約為11.6×103kg/m3，約為灰鑄鐵的1.6倍（如考慮布置在透水部位，鉛的水下密度約為灰鑄鐵的1.7倍），其廣泛應(yīng)用體育、醫(yī)療及核電行業(yè)。若將金屬鉛作為潛器固定壓載的材料，可有效減小固定壓載所占的總體空間，降低固定壓載的重心，提高潛器的穩(wěn)性。以1艘排水量為4 000 t的大型潛器為例，假定全船需要布置200 t固定壓載，采用傳統(tǒng)灰鑄鐵壓載，所需體積約27.8 m3，垂向力矩約120 tm。若采用鉛壓載，所需體積減少為約17.5 m3，垂向力矩減少至約80 tm，降低潛器整體重心高度約0.01 m，對(duì)潛器的重心及穩(wěn)性控制帶來一定優(yōu)勢(shì)。世界上最早的潛器“海龜”號(hào)在艙內(nèi)布置有壓載鉛塊，二戰(zhàn)德國(guó)U型潛艇在艇體下部布置有壓載鉛塊，英國(guó)“丘吉爾”號(hào)潛艇上也布置有鉛塊。水面船方面，西班牙“納瓦拉”號(hào)護(hù)衛(wèi)艦在發(fā)動(dòng)機(jī)艙、桅桿和壓載艙中布置有壓載鉛塊，而大多數(shù)休閑帆船因其緊張的內(nèi)部空間也將鉛壓載作為其固定壓載材料的首選。此外，對(duì)于舵板中的平衡壓載物，由傳統(tǒng)鋼制結(jié)構(gòu)替換為鉛后，由于其更小的體積，帶來更大的重量平衡收益，可減少平衡壓載物重量，在保證舵板重量平衡的前提下有效減少整個(gè)舵板的總重量。

圖1 典型潛器舵板平衡壓載物示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the balance ballast on the rudder plate of a typical submersible

本文從從制造、安裝、安全防護(hù)等角度出發(fā)，開展?jié)撈縻U壓載的應(yīng)用技術(shù)分析研究，為潛器鉛壓載的應(yīng)用提供參考。

1 金屬鉛的主要物理化學(xué)特性

鉛（Pb）是一種高密度具有銀灰色光澤的重金屬，在空氣中易氧化而失去金屬光澤。熔點(diǎn)327 ℃，沸點(diǎn)1 525 ℃，溫度超過400 ℃時(shí)即有大量鉛蒸汽逸出，在空氣中氧化形成氧化鉛煙。質(zhì)地柔軟，延性弱，展性強(qiáng)，抗拉強(qiáng)度為14.7 MPa，伸長(zhǎng)率為60%～70%。壓力加工性能極好，不產(chǎn)生加工硬化[6]。

鉛為耐腐蝕金屬，天然海水中的腐蝕速度為0.01～0.015 mm/年。如圖2所示，其在海水中的自腐蝕電位略高于430不銹鋼，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的低碳鋼。因此，鉛在電解質(zhì)環(huán)境中與傳統(tǒng)低碳鋼接觸形成電位差后，極易導(dǎo)致低碳鋼的腐蝕加速，是工程應(yīng)用中需要重點(diǎn)關(guān)注的地方。

圖2 主要金屬材料在海水中腐蝕電位排序Fig. 2 Corrosion potential ordering of main metal materials in seawater

此外，鉛及其化合物還具有一定毒性，且易在人體內(nèi)累積，已被列入有毒有害水污染物名錄。因此在金屬鉛制造、安裝及使用過程中還需注意對(duì)施工人員、使用環(huán)境等的防護(hù)。

2 潛器鉛壓載的制造要求研究

金屬鉛具有良好的加工性能，可采用軋制、擠壓、鑄造等手段加工成板狀、管狀及其他任意形狀結(jié)構(gòu)。如作為潛器固定壓載的材料，考慮壓載的搬運(yùn)、安裝等需求，可參照原規(guī)范設(shè)計(jì)的灰鑄鐵壓載外形，采用鑄造加工成標(biāo)準(zhǔn)的塊狀結(jié)構(gòu)，單個(gè)壓載重量可同樣設(shè)計(jì)為20 kg，單個(gè)壓載尺寸可由原規(guī)范的190 mm×145 mm×115 mm縮小至130 mm×130 mm×110 mm。

3 潛器鉛壓載的安裝方式研究

原潛器用灰鑄鐵壓載在艙內(nèi)或舷外按要求整齊排列布置后，通常在其邊緣、頂部等位置焊接鋼制角鋼形成框架固定，如圖3所示。

采用鉛壓載后，由于其熔點(diǎn)較低，超過一定高溫易產(chǎn)生鉛蒸汽，焊接產(chǎn)生的高溫易將鉛壓載融化，且不利于施工人員的安全防護(hù)，本文提出以下2種安裝方式：

1）鉛壓載布置前，其兩側(cè)固定角鋼預(yù)先與船體結(jié)構(gòu)焊接，將鉛壓載布置完畢后，其頂部角鋼采用螺栓與兩側(cè)角鋼連接，縫隙處采用楔形塊壓實(shí)，將鉛壓載固定，如圖4所示。鉛壓載與船體、角鋼之間做好電絕緣措施。

圖3 傳統(tǒng)灰鑄鐵安裝方式Fig. 3 Traditional grey cast iron installation

圖4 鉛壓載安裝方式1Fig. 4 Lead ballast installation mode 1

2）根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料，粘接結(jié)構(gòu)與焊接、鉚接等連接方式相比，具有應(yīng)力分布均勻、穩(wěn)定性高、成型工藝性好以及制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、武器、機(jī)械制造等領(lǐng)域。其中環(huán)氧樹脂膠粘劑通常用于各種金屬材料的粘接和加固等，具有粘接強(qiáng)度高、電絕緣性能優(yōu)良、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。相關(guān)試驗(yàn)表明，采用環(huán)氧樹脂進(jìn)行鋼-鉛、鉛-鉛粘接，粘接強(qiáng)度較高，粘接牢固[7-9]。因此，可以認(rèn)為環(huán)氧樹脂粘接是鉛壓載在潛器上較為理想的安裝方式，如圖5所示。此外，環(huán)氧樹脂優(yōu)良的電絕緣性能同時(shí)還能有效確保鉛壓載與船體結(jié)構(gòu)鋼的電化學(xué)隔離。

圖5 鉛壓載安裝方式2Fig. 5 Lead ballast installation mode 2

4 潛器鉛壓載應(yīng)用后的環(huán)境影響分析

潛器壓載一般布置于艙內(nèi)底部及舷外壓載水艙底部，使用環(huán)境中均存在較多的海水、污水、艙底水等介質(zhì)?？紤]到鉛的毒性，為避免對(duì)使用環(huán)境的影響，潛器鉛壓載安裝后還應(yīng)考慮與周邊環(huán)境的密閉隔離。本文提出以下2種防護(hù)方式：

1）環(huán)氧樹脂膠粘劑是一種高性能防水粘結(jié)層材料，具有良好的層間結(jié)合力、變形能力、高低溫性能、防水能力和使用耐久性?？煽紤]在鉛壓載安裝完畢后，對(duì)其外表面涂覆一層環(huán)氧樹脂防水層[10]。

2）采用鉛與其他無毒的材料結(jié)合而成的鉛復(fù)合材料，即內(nèi)部為鉛，外部結(jié)合其他無毒材料進(jìn)行密閉，可充分發(fā)揮鉛與其他無毒材料的特性，如與鋼、PVC塑料等形成的鉛復(fù)合材料[11]，可極大降低鉛壓載的毒性影響，同時(shí)與船體結(jié)構(gòu)鋼不發(fā)生電化學(xué)腐蝕。

5 結(jié) 語

本文根據(jù)金屬鉛的物理化學(xué)特性，對(duì)鉛應(yīng)用于潛器固定壓載的意義進(jìn)行了分析，同時(shí)從制造、安裝及安全防護(hù)等角度開展了應(yīng)用技術(shù)研究?？梢钥闯?，環(huán)氧樹脂以及鉛復(fù)合結(jié)構(gòu)是未來潛器鉛壓載應(yīng)用的關(guān)鍵材料和應(yīng)用方向。后續(xù)，還需進(jìn)一步開展?jié)撈縻U壓載的制造、安裝及工藝等試驗(yàn)驗(yàn)證，確保鉛壓載的安全應(yīng)用。