航母設計選材及腐蝕控制需求

朱英富，孫九霄，楊雄輝，高新華

(中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430063)

1 前 言

航母作為人類有史以來最大的軍事裝備，是一項復雜的巨系統工程，所使用的材料種類繁多，工作環境復雜。航母用材料既包括金屬材料，也包含大量的非金屬材料，從使用功能上分為船體結構材料、管系材料、覆蓋覆層及涂層材料、阻尼及減震降噪材料等。航母用材種類多、品種規格復雜，不同種類和規格的金屬材料、非金屬材料總計達幾千種。

材料的性能水平高低很大程度上影響各個系統的功能，進而決定了航母的性能水平。作為最重要的基礎平臺，各種材料能否在超過40年的服役期內保持優良的性能，決定了航母的生命力以及技戰術水平，因此在航母設計時，選材極為重要。選材既要保證材料的安全可靠，滿足航母各部位使用要求，又要綜合考慮材料經濟性、穩定性、維修性、耐久性等眾多因素。

在諸多影響材料長期性能的因素中，腐蝕對材料的耐久性影響最大。對于航母來說，腐蝕控制是一個復雜的系統工程。為解決這一問題，必須立足于航母的總體設計要求和規劃，從系統設計、設備設計和制造、施工建造等各方面進行充分考慮，嚴格控制制造、建造全過程中的施工工藝，同時在后續使用、維修和管理等方面嚴格規范，才能較好地解決腐蝕的防護和控制問題。

2 航母服役環境特點

航母要在多種苛刻環境下工作，其環境特點如下：

風高浪大，海況險惡航母要在全球無限海區航行，須適應高海況環境。以9級海況為例，風速超過32 m/s，浪高超過14 m。在此環境下，船體結構承受大的應力，對船體材料(包括焊縫)的綜合性能要求甚高。

海洋環境溫差大、高濕、干濕交替、高鹽霧航母工作在高溫(或高寒)、高濕、高鹽霧環境中，其中正常工作溫度低至-30 ℃，高至70 ℃，濕度最大可達100%，同時還有包括強太陽輻射、霉菌、鹽霧、浸漬、干濕交替等環境因素作用，這些因素加速了材料(尤其是非金屬材料)的老化、腐蝕進程。

腐蝕介質種類多，水、液、氣、海生物共同作用船體外部腐蝕介質包括海浪飛濺沖擊、海水沖刷、泥沙、油污；船體內部腐蝕介質包括壓載海水、污水、燃油、潤滑油、液壓油、污油、蒸汽、高溫煙氣、高壓空氣、氮氣、氧氣、酸、堿、輻照等。同時，海水的電化學腐蝕和海洋生物的附著污損，一直是危及艦船安全性的兩大因素，船艦受不同介質腐蝕的照片見圖1。

圖1 船艦受不同介質腐蝕的宏觀照片:(a)海水腐蝕，(b)電化學腐蝕，(c)海洋生物附著污損Fig.1 Macrographs of warships corroded by several different corrosion mediums:(a)seawater corrosion,(b)electrochemistry corrosion and (c)attachment defile by halobios

沖擊振動環境，多種載荷共同作用包括海浪砰擊、艦載機作業產生的瞬態沖擊、以及各種機械設備運轉產生長期交變載荷等對航母造成的各種沖擊。

3 航母設計選材原則

航母選材時優先選用成熟材料，通常應遵照以下幾項基本原則： ①所選材料必須符合現行標準，應經過定型鑒定并經海軍訂貨部門或其委托驗收單位的批準。②所選材料的力學性能、物理性能以及規格應符合產品的戰術、技術性能要求。對有特殊要求者，除常規力學性能外，所選材料還應滿足相應特定的性能要求，如阻尼性能、防彈性能、防磁性能、透聲性能、吸波性能、抗輻照性能、耐光輻射性能、高溫性能、低溫性能等，并應使結構重量盡可能小。③所選材料必須品種規格及配套材料齊全。盡可能采用通用化程度高的材料，簡化材料的種類、牌號、品種和規格；所使用的材料必須可靠性、穩定性、安全性、工藝性、適修性、經濟性好。④積極推廣應用新材料。在確保材料各項性能得到檢測驗證且滿足使用需求的前提下，選材時積極應用新材料，提高艦船用材性能指標。

除上述通用選材原則外，幾種常用航母材料還有特殊的要求。

3.1 船體材料選材原則

目前，各海軍強國均建立了較完整的結構鋼體系，并依據艦船發展需求仍在不斷研發、完善、提高[1-3]。美國海軍于2007～2010年開展了“HSLA-115高性能鋼的評價和實施第Ⅱ階段”項目的研究，對HSLA鋼在CVN78航母上的應用進行驗證[4-5]。復合材料等船體結構新型材料越來越受到各海軍強國的高度重視[6-9]。

船體結構材料研發、考核環節眾多，周期較長，其材料必須經過以下3個階段才能確定能否應用于實際型號產品：①材料研制階段。根據總體設計需要的材料性能要求，開展材料成分及工藝路線設計、工業試制、綜合性能評價等，并制定生產技術規程。②應用研究階段。對材料各項應用性能進行研究，分析材料研制中存在的問題，同時對新材料作出確切評價，為型號設計選材提供技術支撐。對用量最大的結構用鋼材，確定鋼及配套材料的成分及工藝路線，制訂材料的供貨驗收技術條件，滿足生產與供貨，并制訂鋼的冷熱加工及焊接工藝。③模型考核階段。選取實船典型結構進行模擬建造及解剖實驗，并選擇在冬季等惡劣環境下施工，全方位考核材料的各項性能，考核所制定工藝的正確性與可操作性，形成完整技術文件，完成新材料性能考核及工藝驗證，從而確定其能否用于型號產品。圖2所示為船體結構用鋼板及球扁鋼。

圖2 船體結構用鋼材的照片：(a)鋼板，(b)球扁鋼Fig.2 Photos of steel in hull structure：(a)steel plate and(b)bulb bar

航母船體結構材料在選材時除滿足上述通用選材要求外，還應當要求材料具有優良的耐腐蝕性能、焊接性能、冷/熱加工性能、低溫韌性水平、抗爆抗沖擊水平。

3.2 管路及附件材料選材原則

航母的動力、保障系統中大部分由設備和管路構成。管路由管子、閥件和附件組成。管子、閥件及附件材料選材要根據管內介質的種類、性質、壓力和溫度等使用條件，并結合管路的安裝位置、安裝環境和敷設方式等多項因素，進行經濟性分析后選取，除通用選材要求外應遵照以下幾項基本原則：①所選管子、閥件及附件材料的設計壓力、設計溫度、流體介質特性等性能應符合系統的技術性能要求；②同一系統的閥件和管路附件材料應與管材相匹配，同一系統盡可能減少管系材料、閥件和管路附件的種類；③海水管系中閥件和管路附件材料電位高于管材(大陽極小陰極)。

3.3 非金屬材料選材原則

非金屬材料的選用主要考慮功能性，即防火、隔熱、裝飾、吸波、阻尼、吸聲等等，同時滿足各使用環境的腐蝕、高低溫、沖擊、振動、磨損及相應的介質條件，其次是安全性，即滿足艦船規定的毒性、煙密度、阻燃性或低播焰性等性能。另外必須兼顧配套性、可靠性、穩定性、工藝性、適修性、經濟性。

航母飛行甲板涂料需具有好的防腐性能，摩擦系數滿足飛機作業要求，耐高溫高速氣流沖擊、耐磨損，具有較好的施工性和修補性[10]。使用壽命不小于3 a，能承受飛機起降1萬架次輪胎沖擊。防腐防污涂料需具有良好的配套性和施工性，分別滿足各部位腐蝕環境，其防腐、防污期效滿足規定的等級修理周期要求。

4 航母材料腐蝕防護及控制特點

航母巨系統工程所使用的各種材料(包括金屬和非金屬材料)的腐蝕防護和控制，因航母結構的復雜性而導致其工藝技術的高難度。

4.1 腐蝕環境多樣，防護要求高，防腐設計難度大

航母在全球范圍航行，各海域腐蝕介質多樣，環境作用苛刻；船體內部腐蝕介質復雜[11-14]。航母使用壽命長達40～50 a，為保證其安全使用，對腐蝕防護提出了更高的要求，艦船上許多材料傳統可實施的腐蝕防護技術面臨瓶頸。

4.2 系統組成復雜，設備數量多，腐蝕故障影響大

航母由船體結構、船舶裝置、動力、電力、船舶保障、航空保障、作戰等多個一級系統和幾十個二級系統組成，設備數量達數十萬件。腐蝕嚴重的海水管系就有主機海水冷卻系統管系、電站海水冷卻系統管系、水滅火系統管系、日用海水冷卻系統管系、艙底疏水系統管系等。

我國水面艦船裝備故障大部分是由腐蝕引起，而航母由于系統組成復雜，多個系統中的電子電氣設備可能因腐蝕環境惡劣而降低可靠性，一個系統的腐蝕故障有可能影響作戰使用甚至波及全艦功能的發揮，后果影響重大。

4.3 艙室結構復雜，防腐施工空間小，修理難度大

因航母結構極其復雜致使腐蝕防護與控制異常繁雜和困難，這是因為：①航母主甲板下有十幾層，幾千個艙室，由于各種系統交錯布置，底部艙室結構異常復雜，施工空間狹小；②由于系統復雜，大量設備要在分段合攏后安裝，分段上涂裝的涂料需要在后期進行大量的修補，嚴重影響涂料的防護效果；③機艙、電站、冷站、泵艙的艙底部位腐蝕環境苛刻，但由于設備管路布置緊湊，且在底部區域施工困難，一旦出現腐蝕，修理難度大。

5 航母材料腐蝕防護與控制的建議及對策

美國擁有最先進的航母腐蝕控制技術，我國在這方面剛剛起步。為我國航母事業的建設和實現跨越式發展，提出以下建議和對策。

對航母腐蝕控制工藝技術進行深入研究①結合航母內、外部腐蝕環境和各系統材料特性和運行條件，對重點部位誘發腐蝕的內因、外因進行全面分析和必要的試驗，掌握主要腐蝕因素及其變化規律；②加強材料在使用環境下的腐蝕特性研究，結合前期水面艦船的腐蝕情況，檢查和清理出現的新問題，重點開展多因素環境條件下的材料腐蝕規律研究、多材料耦合條件下的異種金屬電化學腐蝕行為研究、航母海水管系污損及腐蝕機理研究。

開展防腐技術頂層規劃①立足于航母特點，從使用需求出發，進行頂層規劃，構建航母腐蝕防護控制體系。②按解決當前急需、突破型號研制瓶頸、形成未來技術儲備進行分類，分階段從總體設計、施工控制、仿真計算、試驗驗證、監測[15]與評估、材料研制等方面全方位進行防腐專項技術規劃，全面提高腐蝕控制技術水平。

開展航母腐蝕控制技術方案研究①根據航母壽命剖面及使用需求，研究并提出腐蝕防護設計、建造、管理的定量和定性要求；②根據航母材料腐蝕環境和特性，研究各種腐蝕控制技術的適用性及效果，明確從設計到修理各階段的腐蝕控制應對措施。

編制航母材料腐蝕控制指南及相關管理文件①編制航母腐蝕控制設計、建造、維護修理指南，以及艦載設備腐蝕控制指南，指導各系統設計師、制造工程師、維修工程師、艦員開展腐蝕控制工作；②編制并下發相關管理文件，落實航母材料腐蝕控制指南的實施、驗收和檢查。

6 結 語

我國目前材料腐蝕控制技術體系還不完善，主要體現在：①相關規范和標準不夠，頂層定性規定較多，在執行時存在一定的隨意性；②基礎研究不足，信息跟蹤、收集、發布機制不夠健全，缺少足夠的腐蝕控制數據；③缺乏完備的腐蝕控制組織機構來統籌防腐研究工作，構建完善的腐蝕控制技術體系。

當前，腐蝕控制設計主要按照規范以經驗設計為主[16]，缺乏定量的評估和檢驗方法；陰極保護設計缺少定量仿真。對腐蝕控制設計的效果評審缺少系統、定量的評估。必須盡快實現從經驗設計、經驗管理到仿真計算、試驗驗證、在線監測、定量評估、科學管理的轉變。

雖然我國研制了多種型號的艦船結構鋼、管路合金材料、密封材料、防腐涂料，但整體有效服役壽命與航母的要求還有較大差距。因此，要加大新材料的研發力度，提高結構材料、管路材料的防腐性能；研發長效防腐防污涂料、高性能飛行甲板涂料；加強海水系統腐蝕、污損規律及控制技術研究；全面提高材料腐蝕、老化機制評價手段及匹配設計技術。

參考文獻 References

[1] Wang Qihong(王其紅)，Liu Jiaju(劉家駒).艦船材料發展研究[J].ShipScienceandTechnology(艦船科學技術),2001(2)：12-15.

[2] Murray R C. Current Welding Practices for High-Yield Steels Marine Application[J].CanadianWeldingAssociation, 2006(6):45-47.

[3] Gordon M. Build Submarine Components from Duplex Stainless Steels[J].Welding, 2006, 85(11)：32-33.

[4]HSL-115EvaluationandImplementationPhaseⅡ[R]. Project Number: S2171，2010.

[5]HSLA-115ProcuredforFabricationofCVN78:WillReduceTop-SideWeight/LowerCenterofGravity[R]. 2011-01-7.

[6] Li Jiangtao(李江濤)，Luo Kai(羅 凱), Cao Mingfa(曹明法).復合材料及其在艦船中應用的最新進展[J].Ship&Boat(船舶)，2013，24(1)：10-16.

[7] An Zhenguo(安振國)，Zhang Jingye(張敬業)，Song Guangzhi(宋廣智).聚合物基減振降噪復合材料[J].AdvancedMaterialsIndustry(新材料產業)， 2012(8):24-31.

[8] Alvelida M,Enelund M.Modelling of Constrained Thin Rubber Layer with Emphasis on Damping[J].JournalofSoundandVibration, 2007, 300(3-5):662-675.

[9] Liu Tuguang(劉土光).復合材料在艦船上的應用展望[J].ShipScienceandTechnology(艦船科學技術)，2005，27(3):9-11.

[10] Deng Qi(鄧 琦). 艦船甲板防滑涂料技術現狀及發展趨勢[J].ChineseJournalofShipResearch(中國艦船研究)，2013(2)：111-113.

[11] Chen Guangzhang(陳光章)，Wu Jianhua(吳建華)，Xu Likun(許立坤)，etal. 艦船腐蝕與防護[J].ShipScienceandTechnology(艦船科學技術),2001(2)：38-43.

[12] Shen Hong(沈 宏), Gao Feng(高 峰).艦船海水管系選材及防腐對策[J].ShipEngineering(船舶工程), 2002, (4): 43-47.

[13] Butler G, Ison H.Proceedingsof1stInternationalCongressonMetallicCorrosion[C]. London:Butter-worths,1961.

[14] Xu Likun(許立坤), Wang Tingyong(王廷勇).船舶外加電流陰極保護用輔助陽極組件[J].DevelopmentandApplicationofMaterials(材料開發與應用), 2001, 16(2): 35-38.

[15] Yang Fei(楊 飛). 腐蝕防護監測檢測技術研究的進展[J].TotalCorrosionControl(全面腐蝕控制)，2009，11：46.

[16] Xu Zheng(徐 政). 艦船腐蝕防護存在的問題及建議[J].Ship&OceanEngineering(船海工程)，2012(4)：79-81.