船用新型銅合金閥門的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

張 程，黃 勇，郭 寧

（1.中國(guó)核工業(yè)二三建設(shè)有限公司，北京 101300；2.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七二五研究所，河南 洛陽(yáng) 471000）

21 世紀(jì)被稱為海洋的世紀(jì)，海洋擁有廣闊的空間和豐富的資源，海洋層面的競(jìng)爭(zhēng)已成為世界軍事和經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)的重要領(lǐng)域，同時(shí)人類和社會(huì)的生存和發(fā)展也會(huì)越來(lái)越依賴海洋。因此，為把我國(guó)建設(shè)成為海洋強(qiáng)國(guó)，必須要大力發(fā)展船舶與海洋工程裝備。材料是船舶研制和發(fā)展的最基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，材料的研制與選用對(duì)船舶行業(yè)發(fā)展起著重要的影響。艦船的管路系統(tǒng)包括燃油管系、蒸汽管系、循環(huán)水管系和冷卻水管系、各種水泵等。在艦船管路系統(tǒng)中，閥門是必不可少的零部件，閥門可接通或者截?cái)喙苈方橘|(zhì)的流通，改變介質(zhì)流通的方向、壓力和流量，達(dá)到保護(hù)管路和維持設(shè)備的正常運(yùn)行的作用。閥門材質(zhì)的選擇也至關(guān)重要，需要綜合考慮安全可靠性，工藝可靠性和操作、安裝、維修便利性和經(jīng)濟(jì)性4 個(gè)方面的因素。合理選用閥用銅合金對(duì)于保證船用閥門的可靠性有著重要的作用。銅合金具有良好的耐海水腐蝕性能、機(jī)加工特性以及較高的強(qiáng)度，此外還有良好的耐菌性，其在船用閥門及零部件上應(yīng)用廣泛。

本文以銅合金材料的基本屬性為基礎(chǔ)，簡(jiǎn)要介紹銅及銅合金的性能，同時(shí)結(jié)合船用閥門的特性和現(xiàn)狀，介紹銅合金閥門在艦船上的選材與應(yīng)用情況，介紹新型銅合金閥門的開(kāi)發(fā)情況，分析其應(yīng)用前景，旨在為銅合金閥門的選材提出參考并進(jìn)一步推廣新型銅合金閥門在艦船上的應(yīng)用。

1 銅合金基本屬性

銅合金具有優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、抗磁、耐蝕和抑菌等特性，同時(shí)還具備良好的加工成形、切削、密封等機(jī)械性能和力學(xué)力學(xué)性能。此外，船用閥門銅合金還具備經(jīng)濟(jì)、實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)，因此銅合金被廣泛應(yīng)用于船用閥門及零部件上。下面重點(diǎn)介紹銅合金適合用于穿用閥門的的幾個(gè)特性。

1）耐腐蝕。銅和銅合金具有良好的耐腐蝕性能，在大氣、淡水和冷凝水中具有良好的耐腐蝕性能。銅合金耐海水腐蝕性能好，一是由于銅的熱力學(xué)穩(wěn)定性高，二是銅合金表面直接形成了氧化亞銅保護(hù)薄膜，腐蝕產(chǎn)物往往沉積在這層薄膜上起到保護(hù)作用。純銅具有面心立方結(jié)構(gòu)，無(wú)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。黃銅的耐蝕性與純銅相近，在大氣和淡水中是比較穩(wěn)定的。在海水中耐蝕性稍差，容易脫鋅和季裂。青銅包括錫青銅及鋁青銅等，其中錫青銅在大氣、海水及低濃度堿性溶液中耐腐蝕性能極高，應(yīng)用于航海事業(yè)；錫青銅鑄件收縮率小，具有優(yōu)良的耐磨性和耐蝕性，可澆注成形狀復(fù)雜、壁厚變化大的零件，廣泛應(yīng)用于船用閥門。鋁青銅的強(qiáng)度、硬度、耐磨性和耐蝕性均超過(guò)錫青銅和黃銅，鑄造性能良好，但其切削性能、焊接性能較差。QAl9-2、QAl9-4 由于在銅鋁基礎(chǔ)上又添加了Fe、Mn、Ni 等元素，使得合金的強(qiáng)度、耐磨性及耐蝕性均顯著提高，可用來(lái)制造在復(fù)雜條件下工作的高強(qiáng)度耐磨零部件，如閥門用的齒輪、軸套、螺母和蝸桿等。

2）耐磨性。銅合金具有良好的耐磨性能，塑性好，加工性能好。

3）抑菌性。微生物腐蝕是造成海水管系腐蝕的重要原因，腐蝕的微生物主要有硫酸鹽還原菌、產(chǎn)粘泥菌、產(chǎn)酸菌和產(chǎn)氨菌。銅合金具備防海生物生長(zhǎng)和附著的性能，增加了船殼的平滑性，減少人工維護(hù)成本。銅合金表面形成了對(duì)生物有毒的氧化亞銅腐蝕產(chǎn)物膜，起到了防污的作用?？刂拼昂Ｋ芟到y(tǒng)微生物腐蝕的最有效辦法是定期投加殺菌劑、緩蝕劑和粘泥剝離劑。

4）加工成形工藝性能好。銅合金具備優(yōu)異的機(jī)加工性能，融入不同元素后其性能可能到明顯提升，強(qiáng)度提高；此外，銅合金可進(jìn)行熔鑄、熱擠壓、軋管和拉拔等工藝。

5）經(jīng)濟(jì)適用性。銅經(jīng)過(guò)合金化后組織結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，材料性能得到明顯提升，銅合金的強(qiáng)度明顯提高，形成各種牌號(hào)的銅合金，有效滿足船用閥門的材質(zhì)要求。同時(shí)銅合金的加工工藝都屬于成熟的流程化工藝，生產(chǎn)成本低，制造質(zhì)量好。

2 船用閥門的特點(diǎn)與現(xiàn)狀

2.1 船用閥門特點(diǎn)

艦船特殊的工作環(huán)境使得船用閥門與普通閥門有所不同，形成一個(gè)獨(dú)立的體系。在外形、重量、材料等方面都體現(xiàn)出船用閥門與普通閥門的不同之處。

船用閥門與普通閥門的工作原理相同，但由于船用閥門使用環(huán)境的不同，相比普通閥門，其質(zhì)量要求往往較高[1]。船用閥門要適合海上環(huán)境的要求，尤其對(duì)于軍用艦船而言，其使用的閥門要具備耐腐蝕、抗沖擊、耐震動(dòng)、高可靠性的性能。民用船舶閥門必須符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO9002 的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，軍用艦船則需要滿足各種軍用標(biāo)準(zhǔn)的要求。軍用艦船閥門往往要經(jīng)過(guò)多重測(cè)試，比如液壓試驗(yàn)、氣密性試驗(yàn)、疲勞壽命試驗(yàn)、功能試驗(yàn)、震動(dòng)試驗(yàn)和扭矩試驗(yàn)等。民用船舶的閥門需要各國(guó)船級(jí)社的質(zhì)量證書，軍用艦船的閥門則需要本國(guó)國(guó)防部門質(zhì)量保證委員會(huì)的證書。艦船上的空間有限，對(duì)閥門的重量、體積都要較嚴(yán)格的要求。此外，船用閥門的可靠性要求較高，要求維修簡(jiǎn)便省時(shí)。船用閥門質(zhì)量不過(guò)關(guān)會(huì)影響艦船在航率，增加維修成本和維修時(shí)間，軍用艦船甚至?xí)O誤戰(zhàn)機(jī)危及艦船人員生命安全。

2.2 船用閥門現(xiàn)狀

新中國(guó)成立以來(lái)，我國(guó)的船用閥門技術(shù)得到了明顯提升。一方面通過(guò)消化吸收蘇聯(lián)方面的船用閥門技術(shù)，制定相關(guān)的配套設(shè)施與標(biāo)準(zhǔn)；另一方面自力更生，研究船用閥門相關(guān)技術(shù)。自1965 年我國(guó)發(fā)布第一批船用閥門國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以后，經(jīng)過(guò)數(shù)代人的努力，我國(guó)目前閥門規(guī)格種類和船用閥門標(biāo)準(zhǔn)基本齊全，已經(jīng)基本滿足我國(guó)的造船工業(yè)的需要。

每艘艦船都需要上千臺(tái)不同的閥門。在艦船上，閘閥、截止閥、蝶閥、球閥、止回閥、安全閥、流量調(diào)節(jié)閥和通海閥等閥門均有廣泛應(yīng)用。船用閥門的材料主要包括鑄鐵、合金鋼、銅合金、鋁合金、鈦合金和不銹鋼等，適用介質(zhì)包括淡水、海水、空氣、蒸汽、燃油和潤(rùn)滑油等。最高使用壓力可達(dá)到600 MPa，最高使用溫度可達(dá)到650 ℃（本體）、1 200 ℃（耐火材料襯里），最低使用溫度可達(dá)到-196 ℃，最大公稱通徑可達(dá)到5 350 mm。閥門的性能優(yōu)劣直接影響艦船的系統(tǒng)和總體性能。

3 船用銅合金閥門選材與應(yīng)用

銅及銅合金具有優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、抗磁、耐腐蝕和抑菌等特性，同時(shí)還具備良好的加工成形、切削、密封等機(jī)械性能和力學(xué)力學(xué)性能，此外船用閥門銅合金還具備經(jīng)濟(jì)、實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)；因此銅合金被廣泛應(yīng)用于船用閥門及零部件上[2]。銅合金閥門在艦船上的應(yīng)用關(guān)鍵在于其腐蝕性。由于銅的熱力學(xué)穩(wěn)定性高，銅合金表面直接形成了氧化亞銅保護(hù)薄膜，腐蝕產(chǎn)物往往沉積在這層薄膜上起到保護(hù)作用。海水和海水中的霧氣會(huì)對(duì)銅合金造成較嚴(yán)重的化學(xué)腐蝕。銅合金材料在接觸海水或者海水鹽霧一段時(shí)間后，閥門上的閥座、閥瓣會(huì)被腐蝕導(dǎo)致泄露，此外海生物也會(huì)對(duì)閥門造成腐蝕。閥門腐蝕、破壞原因主要有以下2 種類型：一是沖刷腐蝕，閥體流速較高時(shí)會(huì)形成紊流，使閥體遭受嚴(yán)重的沖刷腐蝕；二是電偶腐蝕，閥體、閥座和閥桿及管道用的材料往往不一樣，在海水介質(zhì)中工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的電偶腐蝕。電偶腐蝕不僅會(huì)加速陽(yáng)極構(gòu)件的腐蝕破壞，還可誘發(fā)點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕等更為危險(xiǎn)的腐蝕破壞。因此，船用閥門及其零部件的材質(zhì)選擇至關(guān)重要。

針對(duì)銅合金的特點(diǎn)，滿足經(jīng)濟(jì)實(shí)用型的要求，可選擇不同種類的銅合金制造閥門及其零部件。表1 列舉出典型銅合金閥門中部分零部件材料的選用情況，目前而言，較普遍的銅合金材料選用閥門主體材料為鑄錫青銅，閥瓣為鑄鋁青銅，閥桿為鋁青銅。

4 船用新型銅合金閥門開(kāi)發(fā)

由于銅合金良好的物理性能和工藝性能，銅合金在船用閥門行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。與此同時(shí)，老標(biāo)準(zhǔn)的船用銅合金閥門耐蝕性差、壽命短，不能完全滿足船舶的使用要求。

近年來(lái)，隨著艦船自動(dòng)化程度的不斷提高，我國(guó)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出許多船用新型銅合金閥門，船用新型銅合金閥門在材料、結(jié)構(gòu)和工藝方面均有不同程度的創(chuàng)新，滿足了艦船對(duì)銅合金閥門的要求，同時(shí)研制的新產(chǎn)品中還有不少具備推廣價(jià)值。

在材料方面，Cu-Ni 合金由于良好的耐海水腐蝕性能、機(jī)加工特性及良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能，被廣泛應(yīng)用于船舶的海水管系如冷凝器、海水管路、熱交換器等。洛陽(yáng)船舶材料研究所在管路主體材料為Cu-Ni 合金的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出一種新型Cu-Ni-Al 合金，該新型Cu-Ni-Al 合金閥門的電位與B10 等常用海水管系材料接近，可有效避免電偶腐蝕。

在設(shè)計(jì)方面，洛陽(yáng)船舶材料研究所在艦船材料方面具備強(qiáng)大的設(shè)計(jì)能力，針對(duì)傳統(tǒng)銅合金閥門耐蝕性差，壽命短等缺陷，積極投入到船用新型銅合金閥門的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。其閥門技術(shù)人員采用有限元分析的方法協(xié)同工程理念與手段設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)船用新型銅合金閥門，實(shí)現(xiàn)CAD/CAPP/CAM 一體化，采用仿真模擬設(shè)計(jì)與優(yōu)化，縮短設(shè)計(jì)工期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)有效降低開(kāi)發(fā)成本。如圖1 所示，通過(guò)仿真分析可明確得到通海閥的應(yīng)力分析，通過(guò)參數(shù)化設(shè)計(jì)和反復(fù)比對(duì)，最終得到最優(yōu)參數(shù)，明顯縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，提高產(chǎn)品可靠性。

圖1 通海閥應(yīng)力分析

下面就具體的新研發(fā)的船用新型銅合金閥門進(jìn)行說(shuō)明。洛陽(yáng)船舶材料研究所研究的船用新型銅合金低噪聲舷側(cè)通海閥，結(jié)構(gòu)上采用內(nèi)旁通均壓結(jié)構(gòu)，可雙向承壓，有效降低啟閉力矩，相比現(xiàn)在通海閥可啟閉力矩可降低80%，有效延長(zhǎng)使用壽命，預(yù)計(jì)壽命達(dá)到30 年。通過(guò)流道優(yōu)化設(shè)計(jì)（圖2、圖3），可有效降低流阻與噪聲，數(shù)據(jù)顯示新型通海閥相比之前通海閥流阻可降低18%，流體噪聲可降低7%。閥門采用先進(jìn)的表面硬化、絕緣、防污處理，明顯增加可靠性；此外，其小型化和輕量化的設(shè)計(jì)讓新型銅合金閥門具備良好的安裝空間匹配性。

圖2 全開(kāi)狀態(tài)下的壓力分布云圖（正向）

圖3 全開(kāi)狀態(tài)下的速度分布云圖（正向）

5 船用新型銅合金閥門前景分析

銅合金在船用閥門行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，但我國(guó)船用銅合金閥門和國(guó)外先進(jìn)國(guó)家相比還存在很大差距。具體表現(xiàn)在耐蝕性差、壽命短，不能完全滿足船舶的使用要求。此外，船用銅合金閥門的制造成品率還有待提高。目前，各海洋強(qiáng)國(guó)均重視艦船用高性能銅合金的研發(fā)與應(yīng)用，著重關(guān)注銅合金的理化性能、經(jīng)濟(jì)性和配套性，時(shí)刻關(guān)注銅合金的發(fā)展趨勢(shì)，強(qiáng)化銅合金的基礎(chǔ)研究工作。鑒于此，我國(guó)更應(yīng)該迎頭改進(jìn)，做好銅合金的技術(shù)研究，可重點(diǎn)從以下幾方面著手。

1）高壽命、耐蝕性好的銅合金產(chǎn)品研發(fā)。

2）銅合金低成本技術(shù)研究。

3）銅合金高強(qiáng)度、優(yōu)良焊接工藝技術(shù)研究。

4）產(chǎn)品成分精確化控制技術(shù)。