潛器鉛壓載應用技術研究

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

0 引 言

潛器的穩性是其抵抗外界干擾力，恢復平衡能力的重要參數。穩性的下降將使潛器在水面或半潛狀態受風吹襲時，產生更大的橫傾，并更早發生穩性喪失；降低潛器在下潛過程中的安全性，特別是在應急上浮時，易產生突然的橫滾和大幅橫搖，限制上浮速度和上浮深度；使潛器在高速回轉時易產生更大的橫傾，限制回轉機動的航速[1]。因此，在潛器設計時，需按現行規范要求滿足初穩性高的設計值[2]。而當潛器主尺度、排水量等參數已經確定時，潛器的重心則是決定其穩性的關鍵因素。

為使潛器重量與浮力調整平衡，并盡量降低潛器的重心，在設計中往往在艙底、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和拆卸、形狀規則易于測定重心等優點，是潛器最常用的固定壓載物[3]。當前，潛器用金屬壓載物主要按照現行規范設計，材料為灰鑄鐵，密度約為7.2×103kg/m3，單個壓載重量為20 kg[4]。而由于灰鑄鐵材料密度相對較小，導致潛器需要預留大量的空間用于布置固定壓載，且導致布置位置偏高，不僅影響潛器的空間利用率，更對潛器的重心高度控制帶來不利影響。此外，根據標準要求[5]，潛器舵板設計中一般在其內部也設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），其廣泛應用體育、醫療及核電行業。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，對潛器的重心及穩性控制帶來一定優勢。世界上最早的潛器“海龜”號在艙內布置有壓載鉛塊，二戰德國U型潛艇在艇體下部布置有壓載鉛塊，英國“丘吉爾”號潛艇上也布置有鉛塊。水面船方面，西班牙“納瓦拉”號護衛艦在發動機艙、桅桿和壓載艙中布置有壓載鉛塊，而大多數休閑帆船因其緊張的內部空間也將鉛壓載作為其固定壓載材料的首選。此外，對于舵板中的平衡壓載物，由傳統鋼制結構替換為鉛后，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、安全防護等角度出發，開展潛器鉛壓載的應用技術分析研究，為潛器鉛壓載的應用提供參考。

1 金屬鉛的主要物理化學特性

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327 ℃，沸點1 525 ℃，溫度超過400 ℃時即有大量鉛蒸汽逸出，在空氣中氧化形成氧化鉛煙。質地柔軟，延性弱，展性強，抗拉強度為14.7 MPa，伸長率為60%～70%。壓力加工性能極好，不產生加工硬化[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，遠高于傳統的低碳鋼。因此，鉛在電解質環境中與傳統低碳鋼接觸形成電位差后，極易導致低碳鋼的腐蝕加速，是工程應用中需要重點關注的地方。

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施工人員、使用環境等的防護。

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構。如作為潛器固定壓載的材料，考慮壓載的搬運、安裝等需求，可參照原規范設計的灰鑄鐵壓載外形，采用鑄造加工成標準的塊狀結構，單個壓載重量可同樣設計為20 kg，單個壓載尺寸可由原規范的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，由于其熔點較低，超過一定高溫易產生鉛蒸汽，焊接產生的高溫易將鉛壓載融化，且不利于施工人員的安全防護，本文提出以下2種安裝方式：

1）鉛壓載布置前，其兩側固定角鋼預先與船體結構焊接，將鉛壓載布置完畢后，其頂部角鋼采用螺栓與兩側角鋼連接，縫隙處采用楔形塊壓實，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）根據相關文獻資料，粘接結構與焊接、鉚接等連接方式相比，具有應力分布均勻、穩定性高、成型工藝性好以及制造成本低等優點，已被廣泛應用于航空航天、武器、機械制造等領域。其中環氧樹脂膠粘劑通常用于各種金屬材料的粘接和加固等，具有粘接強度高、電絕緣性能優良、耐腐蝕等優點。相關試驗表明，采用環氧樹脂進行鋼-鉛、鉛-鉛粘接，粘接強度較高，粘接牢固[7-9]。因此，可以認為環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，環氧樹脂優良的電絕緣性能同時還能有效確保鉛壓載與船體結構鋼的電化學隔離。

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

4 潛器鉛壓載應用后的環境影響分析

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

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

2）采用鉛與其他無毒的材料結合而成的鉛復合材料，即內部為鉛，外部結合其他無毒材料進行密閉，可充分發揮鉛與其他無毒材料的特性，如與鋼、PVC塑料等形成的鉛復合材料[11]，可極大降低鉛壓載的毒性影響，同時與船體結構鋼不發生電化學腐蝕。

5 結 語

本文根據金屬鉛的物理化學特性，對鉛應用于潛器固定壓載的意義進行了分析，同時從制造、安裝及安全防護等角度開展了應用技術研究。可以看出，環氧樹脂以及鉛復合結構是未來潛器鉛壓載應用的關鍵材料和應用方向。后續，還需進一步開展潛器鉛壓載的制造、安裝及工藝等試驗驗證，確保鉛壓載的安全應用。