美國艦船鈦合金海水管路設(shè)計考慮與陸上試驗研究

錢 江，趙 滿

(1. 海軍裝備部，北京 100071；2. 中國船舶重工集團(tuán)公司第七一四研究所，北京 100101)

0 引 言

鈦合金是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的新型結(jié)構(gòu)材料，具有強(qiáng)度高、密度小、耐腐蝕、無磁、透聲、抗沖擊性好等一系列優(yōu)點，尤其是在海水、海洋環(huán)境中具有良好的耐蝕性，是優(yōu)異的輕質(zhì)材料。

美國海軍艦船傳統(tǒng)上采用銅鎳合金海水管路，一直遭受著管路腐蝕、侵蝕及其帶來的維護(hù)問題。美軍開展了一系列采用鈦合金管路替代銅鎳合金管路的研究，并在陸上試驗場進(jìn)行試驗，而后才逐步在艦上應(yīng)用。

1 鈦合金管路的優(yōu)勢

鈦具有很高的耐侵蝕、耐腐蝕性，并且其密度低，只有4.51×103kg/m3，約為銅鎳合金的一半。選擇鈦合金可減小管路重量，方便管路布置。由于鈦合金的抗海水腐蝕和高抗侵蝕能力，允許設(shè)計更高的海水流速，這樣采用較小直徑的管道就可以保證同樣的海水流量。較小直徑的管道為艦上布置提供了更多的靈活性，節(jié)省了空間，增加了艙室空間的利用。減重不僅是因為鈦管具有更低的材料密度和較小的管道尺寸，還因較小的管道直徑使得在管道內(nèi)的容水重量較輕。此外，管重降低可以減少管路系統(tǒng)的輔助支撐結(jié)構(gòu)。

由于鈦具有較高的耐侵蝕性，管徑可以減小，而不用擔(dān)心流速高于其他金屬材料的最大允許值。實際應(yīng)用中，幾種標(biāo)準(zhǔn)管道的外徑尺寸已經(jīng)得以減小，如8 in銅鎳合金管徑減小至6 in鈦管。這樣不光減小了體積，還顯著降低了單位長度管道的重量。標(biāo)準(zhǔn)的8 in管徑200級銅鎳合金管可以用6 in管徑的Sch10鈦管替代，每100 ft（30.5 m）管子減少自重可達(dá)994磅（451 kg）。此外，考慮到由于管徑和體積差異造成的容水量差別，每100 ft（30.5 m）管子內(nèi)的容水可額外減重986磅（447 kg）。這樣采用鈦管后，相比銅鎳合金管系統(tǒng)總重量在每100 ft（30.5 m）長度上減輕了1 980磅（898 kg），接近1 t。進(jìn)一步考慮的話，如果管道體積和重量減小，則管路附件、管路支撐結(jié)構(gòu)和管路絕緣材料都可以做得更小或更輕。這些對于節(jié)省艙室空間、減少耗油和提高管路系統(tǒng)的布置靈活性具有重要意義。

應(yīng)該指出的是，由于鈦管有更大的允許海水流速，管路尺寸甚至還能減小得更多些，于是可將鈦管的重量、尺寸、費用及其他優(yōu)勢加以放大。

表1和表2分別列出了采用鈦管比采用銅鎳合金管能夠減小的體積百分比和重量百分比。單根管子采用鈦合金后，體積減小29%～54%，管子自重減輕50%以上。表3列出了相比銅鎳合金管，由于鈦管管徑變小所帶來容水量的減少，某些管徑的管子容水量可減小高達(dá)50%。

表1 采用鈦管代替銅鎳合金管后的體積減少量Tab. 1 Volume savings as a Percent （%） using reduced sizes of Titanium Sch10 pipe vs. Cu-Ni Class 200 pipe

表2 采用鈦管代替銅鎳合金管后的管重減少量Tab. 2 Weight of Pipe for reduced size titanium Sch10 pipe and Class 200 Cu-Ni pipe

2 采用鈦合金管路在設(shè)計上的考慮

2.1 材料選擇

用于海水管路系統(tǒng)的鈦合金，必須在系統(tǒng)運行溫度下具有足夠的拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，具有高耐侵蝕性，易焊接，具有足夠的延展性以便能夠采用現(xiàn)有工藝成型。2級工業(yè)純鈦是工業(yè)界和海洋工程領(lǐng)域的主要材料之一，能夠滿足強(qiáng)度性能，同時滿足耐侵蝕、耐腐蝕、易焊接等性能。

選擇合適的鈦合金等級是十分重要的，盡管許多等級的鈦合金在壓力、振動、疲勞等性能上都符合系統(tǒng)運行的需要，但還要考慮生產(chǎn)和制造方面的性能。1級工業(yè)純鈦的雜質(zhì)含量最低，其在所有工業(yè)純鈦等級中具有最高的延展性、最低的強(qiáng)度和最好的成型特性，主要應(yīng)用于復(fù)雜成型設(shè)計的板式和框架式熱交換器。2級工業(yè)純鈦滿足所有需要的性能，而且在工業(yè)和海洋應(yīng)用領(lǐng)域最容易獲取。鈦合金的強(qiáng)度比純鈦要高得多，因而不具備制造管道或其他海水管路產(chǎn)品（如附件）所需的足夠延展性，并不適用于船舶。綜上所述，2級工業(yè)純鈦就成為鈦合金海水管路的首選材料。

表3 采用鈦管代替銅鎳合金管后的容水減少量Tab. 3 Weight of contained water for reduced size titanium Sch10 pipe and Class 200 Cu-Ni pipe

2.2 管徑選擇

如果僅從強(qiáng)度性能考慮，Sch5和Sch10兩種壁厚規(guī)格的鈦管都符合強(qiáng)度要求。但是，Sch5的鈦管由于壁厚太薄，給彎管工藝帶來很大難度。因此盡管Sch5的鈦管早已被引入工業(yè)界多年，但未能普及。由于壁厚太薄，工業(yè)需求有限，很多管徑的管子如果批量生產(chǎn)在經(jīng)濟(jì)上不劃算。因此Sch5鈦管的可用性（可獲得性）不如Sch10。此外，美國海軍和挪威海軍的防火試驗表明，在船舶火災(zāi)中，Sch10鈦管承受高溫的能力要強(qiáng)得多。所以，綜合考慮以后，推薦使用壁厚規(guī)格Sch10的鈦管。

2.3 海水流速

由于鈦合金擁有很強(qiáng)的耐侵蝕和耐腐蝕性能，因此相比于其他海水管路材料，鈦合金管路所允許的海水流速要高得多。數(shù)據(jù)表明，干凈海水在鈦管內(nèi)的允許流速高達(dá)27.4～36.6 m/s，含泥沙海水的允許流速也高達(dá)4.6～6.1 m/s。實際上，許多情況下鈦管的推薦最小流速甚至比銅基合金海水管路的最大流速還要大。鈦管有推薦最小流速是為了減少其生物污染。雖然鈦合金的生物兼容性非常好，但流速足夠高時，海生物就無法在管內(nèi)壁附著，生物污染自然就降低了。

但是，這在混合材料海水管路中造成了麻煩。若系統(tǒng)中有銅合金部件，那么受到該部件的限制，整個系統(tǒng)的最大流速還要低于鈦管的最小推薦流速。如果整個系統(tǒng)受到建造成本約束，不得不更多使用非鈦合金的話，那么不可避免的必須設(shè)計一個防污系統(tǒng)，而這本身又非常昂貴，需要權(quán)衡考慮。

2.4 生物防污

生物污染確曾發(fā)生在混合材料海水管路系統(tǒng)中，其管路采用鈦管，以及很少一部分鈦合金部件（2 in或更小的閥），而大部分其余部件是鎳鋁青銅材料的。這就要求該海水管路的設(shè)計流速比4.6 m/s的鈦管推薦最小流速要低很多。海水流速不夠快，就會發(fā)生生物污染。在船舶服役后的2～4年內(nèi)的確發(fā)生了生物污染擴(kuò)散的現(xiàn)象。今后在設(shè)計時，只要海水流速小于4.6 m/s，無論采用什么材料，都要在船上安裝生物防污系統(tǒng)。設(shè)計并安裝在船上的生物防污系統(tǒng)（如氯氣、紫外線等）造價昂貴。如果設(shè)計海水流速超過4.6 m/s的鈦管最小允許值，就可以設(shè)計成在艦艇進(jìn)港時開展防污作業(yè)，這樣可節(jié)約費用。但是不論管路還是部件材料，都將遇到系統(tǒng)停運的情況，即沒有海水流速，因此仍需考慮此時的防污策略。

2.5 電偶腐蝕

同時滿足以下3個條件時將發(fā)生電偶腐蝕：一是2種金屬具有不同的電化學(xué)電勢，二是2種金屬都和電解質(zhì)接觸，三是在2種金屬間存在金屬電學(xué)通路。以上3個條件任去其一即可防止電偶腐蝕發(fā)生。鈦屬于貴金屬，通常比海水管路系統(tǒng)中其他金屬材料的電勢更高，因此會造成其他金屬的電偶腐蝕。

海水是非常好的電解質(zhì)，也是海水管路系統(tǒng)的輸運對象，因而無法消除。如果在管路系統(tǒng)中采用鈦或與鈦具有相等電極電勢的金屬（比如625鎳基合金），電偶腐蝕將不會發(fā)生。目前，大至2 in的鈦合金截止閥、門閥和止回閥已經(jīng)在艦艇上應(yīng)用了。美軍還在評估4 in和6 in具有經(jīng)濟(jì)性的鈦合金蝶閥，以備將來使用。但是，某些鈦合金的閥、濾器等部件要不難以獲取，要不貴得離譜，此時防止電偶腐蝕的唯一辦法就只有阻斷金屬電學(xué)通路了。

電絕緣能夠防止電偶腐蝕的發(fā)生，但會給艦艇的建造和維護(hù)帶來額外的復(fù)雜性并增加費用。因此如果有可能，最好是采用鈦或與鈦具有相同電極電勢的金屬部件，而不必要用電絕緣。

3 美軍艦船鈦合金海水管路陸上試驗情況

3.1 前期工藝準(zhǔn)備

美國海軍水面戰(zhàn)中心（NSWC）與鈦發(fā)展協(xié)會（TDA）等機(jī)構(gòu)在1991年聯(lián)合舉辦了鈦應(yīng)用會議。會議評估認(rèn)為，船廠已有充足的設(shè)備和人力資源建造、安裝鈦合金管道。

會議后，一家鈦發(fā)展協(xié)會成員公司向船廠提供了鈦合金板材和管材樣品，在船廠實驗室中完成了彎折、鉆孔、熱切割、焊接等工藝試驗。包括工業(yè)純鈦和6Al-4V合金的彎折、鉆孔、熱切割、焊接。

通過前期工藝摸索發(fā)現(xiàn)，工業(yè)純鈦和6Al-4V合金均可被船廠使用，但使用工業(yè)純鈦的工藝相對容易，所以工業(yè)純鈦被推薦應(yīng)用于制造艦船管路。

3.2 試驗場主管道建造

陸上試驗場由給水泵到海水雙重濾網(wǎng)的主管道原本是聚氯乙烯（PVC）管路。船廠將其換成了鈦合金管路。

3.2.1 焊接加工

鈦合金焊接加工質(zhì)量可通過焊接后的表面顏色進(jìn)行判斷，如表4所示。通過焊接表面顏色判斷鈦合金焊接質(zhì)量，是鈦合金獨有的材料特性，船廠使用的其他材料，如銅、碳鋼、不銹鋼、鋁等材料均沒有如此明顯、有效的色澤判斷標(biāo)準(zhǔn)。

表4 鈦合金加工質(zhì)量判斷標(biāo)準(zhǔn)Tab. 4 Surface color in titanium welds and criterions for judgement

美國海軍船廠注重培養(yǎng)焊接人員的技術(shù)，設(shè)立了考核標(biāo)準(zhǔn)，并讓焊接人員不斷修正自己的焊接技術(shù)，以達(dá)到最佳焊接質(zhì)量。

3.2.2 彎曲加工

完成建造的鈦合金主管道長15.2 m，由3段長度為6.1 m的管道焊接而成，在一端有“S”型彎曲。為制造這個S形彎曲，采用了液壓冷彎加工，并通過實驗改進(jìn)芯軸，控制鈦合金管道彎曲褶皺和橢圓度。

3.2.3 制造

出于系統(tǒng)靈活性的考慮，陸上試驗場需要使用滑動凸緣法蘭。因此，在管路的末端安裝鈦合金配件，法蘭則使用不銹鋼材質(zhì)。

3.2.4 水壓測試

鈦合金管道制造安裝組合后進(jìn)行了水壓測試，測試的壓強(qiáng)為1.55 MPa,持續(xù)30 min。試驗中的水壓為“提康德羅加”級巡洋艦主消防管路壓強(qiáng)1.03 MPa的1.5倍。試驗中沒有檢測到任何液體泄露。

3.2.5 再安裝

經(jīng)過3年的成功試驗后，試驗場將鈦合金管道拆卸，并進(jìn)行重新安裝測試。

3.3 防海生物污染試驗

美國海軍已有諸多有效的海洋微生物污染控制方法，包括：使用氯氣、二氧化氯、電子束輻射、溴、紫外線照射、臭氧等方法對管道內(nèi)海水進(jìn)行處理。

氯氣美國海軍已經(jīng)很熟悉氯氣的應(yīng)用，先期就用氯氣處理艦上飲用水管道。諸多海軍碼頭也安裝有電解氯化器。但氯是相對較強(qiáng)的鹵素，經(jīng)氯氣處理過的水抽到船外時會對周圍海洋環(huán)境造成負(fù)面影響。這與美國海軍“去氯”的發(fā)展趨勢不符。

二氧化氯在防污性能方面，二氧化氯與氯氣各有優(yōu)劣，但二氧化氯仍含有氯元素，與海軍“去氯”的趨勢不符。

電子束輻照這種方法是將需要處理的海水置于核輻射下。當(dāng)時美國境內(nèi)有一些工廠采用這種方法凈化飲用水。基于艦上安全性和費用的考慮，這種方法并沒有進(jìn)入后續(xù)評估。

溴溴是一種毒性弱于氯的鹵素，美國艦船上廣泛使用溴對飲用水進(jìn)行凈化。溴也會對海洋環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響。

紫外光照射 紫外光照射手段廣泛應(yīng)用于商船飲用水的凈化。同時，美國海岸警衛(wèi)隊和美國船舶局也已經(jīng)允許紫外光作為溴的替代方法使用。諸多美國州/市使用此方法凈化飲用水和污水系統(tǒng)。紫外光照射是環(huán)境友好型方法，當(dāng)時并未應(yīng)用在美國海軍艦船上。

臭氧將臭氧充進(jìn)飲用水或污水中也是一種普及了的凈化手段。這種方法也是環(huán)境友好型的，當(dāng)時也未應(yīng)用在美國海軍艦船上。

在上述多種方法中，美國海軍最終選定了紫外光照射和臭氧處理2種方法作為艦上海水管系凈化的備選方案，然后進(jìn)行了試驗和評估。

3.3.1 鈦合金管路陸上試驗設(shè)施

1990年，美國海軍在佛羅里達(dá)州勞德代爾堡建立了陸上管道試驗場。美國海軍決定利用該試驗場的部分管路進(jìn)行鈦合金管路試驗。

陸上管道最初設(shè)計用來測試一系列參數(shù)的影響，其中包括通過不同的管徑控制海水流速以測試不同流速對海洋生物的影響。通過十字形管路的設(shè)計，使管路中產(chǎn)生水不能流動的區(qū)域，形成水滯留管路。

3.3.2 設(shè)備供應(yīng)

眾多機(jī)構(gòu)參與了試驗，供應(yīng)了設(shè)備和產(chǎn)品，包括：鈦合金板式熱交換器、鈦合金管式熱交換器、鈦合金板材和管路樣品、紫外光凈化器、臭氧發(fā)生器等。

原計劃在試驗場建造一個銅鎳合金管路系統(tǒng)，作為鈦合金管路系統(tǒng)的參照對比，但最終只將船廠現(xiàn)有的一個銅鎳合金管路系統(tǒng)拆卸并運送至該試驗場進(jìn)行試驗。雖不能實現(xiàn)完全結(jié)構(gòu)相似的對照，但仍能起到一定的對比作用。

在進(jìn)行鈦合金試驗的同時，試驗場還安裝了部分玻璃纖維增強(qiáng)塑料（FRP）的復(fù)合材料管件進(jìn)行試驗。圖1顯示了試驗系統(tǒng)的最終設(shè)計方案。

圖1 陸上試驗系統(tǒng)布置示意圖Fig. 1 Test equipment arrangement sketch

3.3.3 系統(tǒng)建造

待系統(tǒng)所有部件到位后，系統(tǒng)建造工作啟動。首先確定完成試驗所需的鈦合金管路的必要長度，將鈦管切割至合適長度，與法蘭連接。圖2為鈦合金管路陸上試驗場；圖3中右側(cè)白色盒子中為臭氧發(fā)生器，中間為紫外光凈化器的控制面板。

圖2 美國海軍海水管系的陸上試驗場Fig. 2 U.S. Navy land test facility for seawater piping systems

圖3 臭氧發(fā)生器（右）與紫外光凈化器的控制面板（中）Fig. 3 Ozone generator in white box on right, UV purifier control panel in center

3.3.4 試驗步驟

鈦合金管路陸上試驗系統(tǒng)在1993年4月建造完成，而后開始試驗，試驗步驟大致如下：

1）對2個鈦合金管道子系統(tǒng)分別使用紫外線及臭氧進(jìn)行凈化試驗，每日對管道內(nèi)水質(zhì)取樣檢測分析，運行子系統(tǒng)10 d；

2）打開子系統(tǒng)管道，檢測微生物生長情況以及管道腐蝕、磨蝕情況；

3）接下來不使用任何凈化處理，運行子系統(tǒng)10 d，每日對管道內(nèi)水質(zhì)取樣檢測分析；

4）打開子系統(tǒng)管道，檢測微生物生長情況以及管道腐蝕、磨蝕情況；

5）在使用和不使用凈化手段期間，對管道內(nèi)水質(zhì)取樣檢測，處理結(jié)束后保留10 d，觀察并分析。

3.3.5 防污試驗結(jié)果

通過對管路的目視檢查發(fā)現(xiàn)，在管路的Y型區(qū)形成較薄的微生物層；這些微生物層可手動清除，鈦合金管路沒有出現(xiàn)污點和蝕坑。對鈦合金板式交換器也進(jìn)行了檢查，在運行10 d未處理的海水后也沒有發(fā)現(xiàn)生物污染現(xiàn)象。

通過試驗發(fā)現(xiàn)，使用紫外線處理和臭氧處理可顯著改善鈦合金微生物污著。此外，試驗中發(fā)現(xiàn)紫外線凈化器比臭氧發(fā)生器穩(wěn)定，維修時間成本低，使用時產(chǎn)生的電壓較低，相比于臭氧發(fā)生器更安全，而臭氧凈化需要更多的技術(shù)保障支持。而且紫外線凈化器重量輕，占用空間小。

表5 美國海軍艦船鈦合金用量比較Tab. 5 Weight comparison of titanium alloy uesd in different U.S. Navy ships

4 鈦合金海水管路上艦應(yīng)用情況

美國海軍在陸上試驗場對鈦合金管系進(jìn)行了為期3年的集中攻關(guān)和演示驗證試驗后，決定進(jìn)行實船安裝、使用。此時恰逢“圣安東尼奧”級兩棲船塢運輸艦（LPD 17）處于設(shè)計階段，因而選定其作為鈦合金海水管路的應(yīng)用平臺。

在LPD 17上，鈦合金主要應(yīng)用于海水管系，如與壓載水和消防相關(guān)的管系，鈦合金管系的公稱直徑最大達(dá)30.5 cm。由于費用和工藝原因，LPD 17的管路系統(tǒng)并沒有全部應(yīng)用鈦合金，管路中的閥門仍應(yīng)用青銅（銅錫合金），公稱直徑小于6.35 cm的管系仍大量使用銅鎳合金。

至2012年，建造完成并服役的6艘“圣安東尼奧”級兩棲船塢運輸艦，鈦管總用量超過3萬米，平均每艘用量5 km，法蘭、附件總用量約1萬個。

另外，平均每艘“圣安東尼奧”級兩棲船塢運輸艦的總用鈦量為62 t，這一重量包括了除管系外的其他應(yīng)用部位。

在“圣安東尼奧”級兩棲船塢運輸艦（LPD 17）的海水管系上應(yīng)用鈦合金，是美軍艦船鈦合金的一個標(biāo)志性應(yīng)用。前期投入雖然比銅鎳合金管系高，但美軍自己評估，在艦艇全壽期內(nèi)可節(jié)省成本近1 700萬美元。