閉式潛水呼吸器中2.4 L鈦合金球形氣瓶的研制

劉平小，方以群，顧靖華，柳初萌，廖昌波，高文順，蔣文冬

閉式潛水呼吸器(closed circuit rebreather, CCR)具有水下呼吸時(shí)間長(zhǎng)、呼吸氣體使用效率高和幾乎不產(chǎn)生氣泡的優(yōu)點(diǎn)，攜帶的呼吸氣體有氧氣和稀釋氣(氮氧混合氣)，設(shè)計(jì)時(shí)要求氣瓶外形尺寸小、質(zhì)量小、容積大，內(nèi)置于防護(hù)殼體內(nèi)。傳統(tǒng)的潛水圓柱狀鋁、鋼和碳纖維氣瓶大多數(shù)外置懸掛，外形尺寸大、質(zhì)量大、相對(duì)容積小，無(wú)法滿足閉式/半閉式潛水呼吸器設(shè)計(jì)需求。

鈦合金材料(TC4)具有密度小、磁性弱、抗蝕性好、化學(xué)活性大和強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，密度為4.5 g/cm3左右，僅為鋼的60%，在潮濕的大氣和海水介質(zhì)中工作，其抗蝕性遠(yuǎn)優(yōu)于不銹鋼；對(duì)點(diǎn)蝕、酸蝕、應(yīng)力腐蝕的抵抗力特別強(qiáng)；對(duì)堿、氯化物、氯的有機(jī)物品、硝酸、硫酸等有優(yōu)良的抗腐蝕能力。因此，選用該材料制造閉式/半閉式潛水呼吸器的氣瓶，要求可重復(fù)充裝對(duì)鈦合金具有化學(xué)穩(wěn)定性的永久氣體(空氣、氧氣、氦氣、二氧化碳等)，具體技術(shù)要求見(jiàn)表1。

表1 2.4 L鈦合金球形氣瓶技術(shù)要求

1 原材料

根據(jù)QJ 1654[1]的規(guī)定，選用的原材料為T(mén)C4鈦合金，其化學(xué)成分應(yīng)符合GB/T3620.1[2]，并有相應(yīng)批次材料的材質(zhì)證明書(shū)。經(jīng)過(guò)時(shí)效熱處理后，應(yīng)達(dá)到如下力學(xué)性能指標(biāo)要求：抗拉強(qiáng)度為890 MPa；屈服強(qiáng)度為983 MPa；斷裂伸長(zhǎng)為6%。

2 氣瓶結(jié)構(gòu)計(jì)算與設(shè)計(jì)

2.1 安全系數(shù)

按QJ1654規(guī)定強(qiáng)度極限進(jìn)行氣瓶設(shè)計(jì)，并規(guī)定強(qiáng)度安全系數(shù)為nb=1.5～2.0，而具體數(shù)值根據(jù)實(shí)際使用情況自行確定。潛水氣瓶中較為普遍的是鋁合金氣瓶和鋼瓶，依據(jù)GB/T11640[3]，鋁合金無(wú)縫氣瓶的安全系數(shù)一般取值2.1～2.4。同理，依據(jù)GB5099[4]鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶的強(qiáng)度安全系數(shù)為2.3～2.5。所以，本鈦合金球形氣瓶作為潛水氣瓶使用，其材料力學(xué)性能指標(biāo)遠(yuǎn)大于鋁合金和鋼，故取強(qiáng)度安全系數(shù)為2進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)計(jì)算。

2.2 設(shè)計(jì)計(jì)算

2.2.1 內(nèi)徑計(jì)算 根據(jù)技術(shù)要求的規(guī)定，氣瓶采用球形結(jié)構(gòu)。根據(jù)容積要求，對(duì)氣瓶的內(nèi)徑進(jìn)行核算：

(1)

式中：Di為氣瓶?jī)?nèi)徑，單位為mm；

V為氣瓶容積，單位為mm3，取值2.4×106mm3(即2.4 L)。

2.2.2 壁厚計(jì)算 依據(jù)QJ1654標(biāo)準(zhǔn)，則氣瓶的壁厚為：

(2)

式中：S為氣瓶壁厚，單位為mm；

P為氣瓶最高工作壓力，單位為MPa，取值30 MPa；

Di為氣瓶?jī)?nèi)徑，單位為mm，取值165.82 mm；

σb為抗拉強(qiáng)度，單位為MPa，取值890 MPa；

nb為強(qiáng)度安全系數(shù)，取值2；

φ為焊縫系數(shù)，取φ=0.85。

2.2.3 螺紋計(jì)算 本氣瓶瓶嘴采用常規(guī)潛水呼吸器氣瓶的M18×1.5-6H螺紋瓶嘴結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 瓶嘴結(jié)構(gòu)

根據(jù)潛水呼吸器氣瓶的一般規(guī)定，水壓試驗(yàn)壓力條件下瓶口螺紋的剪切安全系數(shù)應(yīng)不小于10。與氣瓶連接的瓶閥外螺紋一般采用M18×1.5-6g，根據(jù)螺紋標(biāo)準(zhǔn)，M18×1.5螺紋的牙型角為60°，則相關(guān)參數(shù)如表2、3所示。

表2 瓶口螺紋尺寸(mm)

表3 閥門(mén)螺紋尺寸(mm)

內(nèi)螺紋牙的受剪面積An：

(3)

最大軸向外載荷Fw：

Fw=PA=45×3.14×18.02÷4=11 445.3 N

(4)

(5)

螺紋剪切應(yīng)力安全系數(shù)：

(6)

因此，當(dāng)瓶嘴螺紋牙數(shù)不少于5時(shí)，水壓試驗(yàn)壓力條件下膽嘴螺紋剪切應(yīng)力安全系數(shù)>10，滿足要求。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，取的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：氣瓶?jī)?nèi)徑165.82 mm，壁厚3.35 mm，瓶口螺紋M18×1.5-6H，完整螺紋牙數(shù)≥6。

氣瓶?jī)H設(shè)計(jì)一個(gè)瓶口，氣瓶簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 2.4 L鈦合金球形氣瓶結(jié)構(gòu)圖

在氣瓶瓶嘴處的圓柱面加工出2個(gè)對(duì)稱的凹槽，以方便利用扳手裝卸瓶閥。經(jīng)測(cè)算，氣瓶參數(shù)符合對(duì)外形尺寸和質(zhì)量的技術(shù)要求，結(jié)果如下：氣瓶外徑172.5 mm，氣瓶長(zhǎng)度200 mm，氣瓶質(zhì)量1.9 kg。

3 工藝

結(jié)合高壓氣瓶及鈦合金加工生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，并從降低氣瓶批量生產(chǎn)成本考慮，2.4 L鈦合金球形氣瓶采用鈦合金板材經(jīng)壓力成形出2個(gè)半球，利用鈦合金棒材機(jī)械加工出氣瓶嘴，然后將氣瓶嘴、2個(gè)半球焊接而成球形氣瓶的工藝方案，如圖3所示。

圖3 2.4 L鈦合金球形氣瓶工藝流程圖

當(dāng)溫度超過(guò)350 ℃時(shí)，TC4鈦合金塑性、韌性等性能會(huì)發(fā)生較大變化，合金的性能很大程度上依賴于熱處理[5]。因此，在加工和焊接過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制溫度，要采取措施抑制其溫度升高。焊接時(shí)，焊縫區(qū)結(jié)構(gòu)和焊接工藝對(duì)氣瓶的安全性和疲勞循環(huán)壽命有極大的影響，在焊縫區(qū)應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)，降低焊縫處應(yīng)力水平，對(duì)近焊縫區(qū)進(jìn)行平滑變厚度設(shè)計(jì)，提高氣瓶殼體的應(yīng)變協(xié)調(diào)[6]。在2.4 L鈦合金球形氣瓶工藝設(shè)計(jì)中，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和焊接工藝改進(jìn)，確保其焊接接頭質(zhì)量和力學(xué)性能，使應(yīng)力水平較低，不會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中。同時(shí)采用了真空熱處理爐進(jìn)行熱處理，使TC4鈦合金的微觀組織和力學(xué)性能沒(méi)有產(chǎn)生異變[7]。

TC4鈦合金在焊接時(shí)，易產(chǎn)生氣孔和形成冷裂紋，焊接接頭易粗化、脆化[8]。為了增強(qiáng)2.4 L鈦合金球形氣瓶的強(qiáng)度，經(jīng)過(guò)對(duì)本體打磨、拋光和超聲波等表面處理后進(jìn)行等離子滲碳，提高硬質(zhì)膜層和基體的匹配性，增強(qiáng)其抗沖蝕性能[9]。

4 試驗(yàn)

按照QJ1655[10]，鈦合金球形氣瓶應(yīng)進(jìn)行氣密性、強(qiáng)度、疲勞和爆破試驗(yàn)。氣瓶逐只進(jìn)行工作壓力(30 MPa)下的氣密試驗(yàn)和1.5倍工作壓力(45 MPa)的水壓強(qiáng)度試驗(yàn)，每批氣瓶中抽取1只氣瓶進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，抽取1只氣瓶進(jìn)行爆破試驗(yàn)，并應(yīng)滿足相關(guān)試驗(yàn)要求。

水壓強(qiáng)度試驗(yàn)壓力按QJ1654-89 9.1 ，強(qiáng)度試驗(yàn)壓力Pa=(1.4～1.6)P，P=30 MPa，取值1.5，即強(qiáng)度試驗(yàn)壓力為45 MPa，保壓60 s，殘余變形<5%。疲勞試驗(yàn)次數(shù)為6 000次，疲勞試驗(yàn)介質(zhì)為液壓油，抽樣進(jìn)行。爆破壓力按照工作壓力為30 MPa，爆破強(qiáng)度系數(shù)2.5～3.0，因此爆破壓力取值90 MPa。考慮到實(shí)際爆破值可能遠(yuǎn)高于90 MPa，在 90 MPa時(shí)保壓30 s，不破裂為合格，后期升壓至爆破為止，實(shí)際爆破壓力值為102.6 MPa，爆破試驗(yàn)介質(zhì)為純凈水或自來(lái)水。