艦用40 MPa高壓空氣系統銅合金接頭研究

（武漢第二船舶設計研究所，武漢 430205）

0 引言

高壓空氣系統接頭是構成艦用高壓空氣系統的基本單元，早期的艦船高壓空氣系統最高壓力級為20 MPa和25 MPa，隨著裝備任務剖面不斷擴展，艦船高壓空氣系統的壓力級提高到40 MPa，CB 316標準接頭壓力級不再滿足系統使用要求，需要研究一種高壓力級的接頭。

目前，國內外不同行業對高壓空氣密封連接方面的研究已經較多，航空航天和陸用系統已有較成熟的40 MPa級高壓空氣接頭，其密封面主要采用球面和錐面接觸的線密封結構，以提高密封比壓，然而這種密封結構在艦船高壓空氣系統使用時，由于船體變形會在高壓空氣管路施加附加載荷，易引起管路密封面錯位，導致空氣泄漏；李廷等［1］提出一種套管形式的鐵基形狀記憶合金管接頭，室溫下使套管接頭擴孔形變，插入被連接管子后，加熱接頭至一定溫度，套管接頭收縮抱緊管子，達到連接管道目的，但該型接頭對實船施工環境考慮不足，實際施工過程中很多部位無法滿足套管接頭所需的加熱空間要求；王新海等［2］在CB 316標準接頭結構的基礎上，對比了平墊片、橡膠O型圈、空心金屬O型環、錐面密封、透鏡墊和八角墊6中密封結構的密封性能，結果表明40 MPa高壓空氣系統的DN32管接頭采用鋸齒平墊和透鏡墊2種密封結構可滿足密封要求，但對CB 316接頭使用過程中暴露的結構適應性不足問題未做研究；Buchter對金屬密封進行的試驗研究表明，金屬密封面的接觸區產生彈性變形的接觸力不能形成耐高壓的緊密密封，只有在密封接觸力使接觸面產生永久變形時，才能形成密封，且密封接觸力是墊片材料屈服強度的兩倍等［2］。

通過上述文獻分析發現，國內外不同行業對高壓空氣密封連接的研究為艦船用40 MPa高壓空氣接頭研制奠定了較好的研究基礎，但由于使用環境的特殊性，必須從材料強度、密封性能、操縱力矩等多方面著手，研究一種新的40MP高壓空氣接頭，以滿足艦艇40 MPa高壓空氣系統使用需求。

1 艦船高壓空氣系統接頭應用情況

早期艦船高壓空氣系統壓力級為20 MPa，采用的是CB 316-64標準的高壓空氣接頭，通徑為DN15、DN20、DN32三種。基本組成和連接方式如圖1所示：系統管路和接頭平肩材料為HDR雙相不銹鋼，旋入接頭材料為20#鋼，外套螺母材料為QAl9-2鋁青銅，密封墊片材料為T2紫銅，各部件材料力學性能及在海水中腐蝕電位見表1［3-14］。

圖1 CB 316-64標準高壓空氣接頭組成及連接方式示意Fig.1 Schematic diagram of CB 316-64 high pressure air joint composition and connection method

隨著高壓空氣系統壓力級提高到25 MPa，艦船高壓空氣系統改用CB 316-95標準的接頭，其結構形式與CB 316-64基本相同，在實際使用過程中，上述標準接頭出現了外套螺母變形、開裂和旋入接頭銹蝕嚴重的問題。

表1 CB 316-64標準接頭各部件材料力學性能及在海水中腐蝕電位Tab.1 Mechanical properties of parts and corrosion potential in seawater of CB 316-64 joint

分析認為，接頭失效主要原因為：

（1）外套螺母強度偏低，設計安全余量偏小。CB 316標準接頭外套螺母材料為QAl9-2鋁青銅，抗拉強度約為平肩接頭HDR材料強度的2/3，正常工況下設計強度滿足要求，但受船體變形和管路充放氣影響，存在交變應力；而且長時間海水浸泡，工作環境極為惡劣。

（2）操縱力矩大。CB 316標準接頭滿足系統密性要求的實測操縱力矩值達到600 N·m，安裝時外套螺母操縱力矩過大、撞擊式拆裝或管路安裝對中度不好，導致外套螺母承受過大的應力。

（3）旋入接頭材料耐蝕性差。CB 316標準接頭的旋入接頭材質為20#鋼，在海水中耐腐蝕性較差；而且與外套螺母材質存在明顯電位差，海水滲入后，易形成電偶腐蝕。

鑒于CB 316標準結構形式的高壓空氣接頭在實際使用中暴露的上述諸多問題，高壓空氣系統升級至40 MPa后，CB 316標準接頭除壓力級不滿足系統使用要求外，部件材料和結構形式也需進行改進。

2 技術方案

2.1 密封技術

25 MPa高壓空氣接頭密封墊片采用的是帶3～6圈直角齒的T2紫銅墊片，密封效果良好。系統壓力級提高到40 MPa后，為避免船體變形施加在高壓空氣管路附加載荷引起的管路密封面錯動影響系統密性，40 MPa接頭的總體連接結構，仍采用外套螺母壓緊平肩接頭的結構，為簡化接頭結構，將原CB 316標準接頭的旋入接頭和左側平肩接頭合并為一個部件；同時為提高密封比壓，滿足40 MPa系統使用要求，我們提出將鋸齒形密封墊片更換為梯形平墊片，并在旋入接頭和平肩接頭的密封面上刻制密封槽，進一步提高密封可靠性，新型接頭連接及密封結構如圖2所示。

圖2 40 MPa接頭密封形式示意Fig.2 Schematic diagram of 40 MPa joint sealing form

2.2 材料匹配性技術

艦用高壓空氣管路采用HDR雙相不銹鋼，與管路對焊連接的旋入接頭、平肩接頭應與管路材料匹配，故采用HDR材料，因此新型40 MPa高壓空氣接頭的部件材料主要圍繞HDR材料進行匹配。主要考慮以下影響因素：艦用40 MPa高壓空氣接頭處于干、濕交替的海水腐蝕環境之中，系統壓力級高，因此要求接頭基本材料具有良好的耐腐蝕性能，較高的強度，良好的機加工性能；同時由于浸泡在海水介質中，接頭各部件材料之間不能存在較大電位差，否則易產生電位腐蝕導致部件失效，對艦艇安全性造成不良影響；配對接頭部件的螺紋副還要注意防止產生咬合，不能影響接頭拆卸。

HDR材料抗拉強度σb為≥650 MPa，耐腐蝕性能良好，在海水中的電位為+134～+165 mV/SCE，首先，我們以強度、腐蝕電位、耐蝕性等與HDR相當KA145抗咬合金材料作為接頭外套螺母材料，提出了40 MPa抗咬合金接頭方案。但在實際試驗中，由于KA145材料機加工性能差，精度控制不好時，個別接頭會出現外套螺母和旋入接頭螺紋咬合的問題，因此該技術方案不是40 MPa高壓空氣接頭的最佳方案。

通過擴大外套螺母材料選擇范圍，我們發現了一種廣泛用于飛機起落架作動筒襯套以及輔機結構高強度軸套、螺帽等材料的高強度耐蝕性銅合金材料QAl10-4-4鋁青銅，其與HDR、鋁青銅QAl9-2材料性能對比見表2。

QAl10-4-4銅合金材料耐蝕性好，加工性能優良；不會同HDR旋入接頭的螺紋副發生咬合；在海水中的腐蝕電位略高于QAl9-2，參照CB 316標準接頭的使用經驗，鋁青銅外套螺母和平肩接頭之間無明顯電偶腐蝕。因此，QAl10-4-4銅合金材料可以用作40 MPa高壓空氣接頭外套螺母材料，40 MPa銅合金高壓空氣接頭各部件材料選型情況見表3。

表2 QAl10-4-4銅合金材料與HDR、鋁青銅QAl9-2等材料性能對比Tab.2 Comparison of properties of QAl10-4-4 with HDR，QAl9-2 and other materials

表3 40MPa銅合金高壓空氣接頭各部件材料選型方案Tab.3 Material selection scheme of parts of 40 MPa copper alloy high pressure air joint

2.3 低操縱力矩技術

隨著接頭工作壓力從25 MPa提高至40 MPa，如仍采用原密封結構，滿足系統密性要求的接頭操縱力矩必然隨之增加。新研40 MPa銅合金高壓空氣接頭通過采用梯形密封墊片、V形密封槽和QAl10-4-4外套螺母等設計方案，減小了密封面接觸面積，有利于提高密封比壓。根據機械設計手冊及Buchter對金屬密封進行的試驗研究結果，作者對新型40 MPa銅合金接頭操縱力矩進行了設計核算，外套螺母QAl10-4-4銅合金材料與平肩接頭HDR間摩擦系數取0.15；密封比壓參考閥門密封比壓計算公式，并和Buchter提出接觸比壓計算方式進行比較，取較大值進行操縱力矩計算，計算得到的不同通徑40 MPa銅合金接頭操縱力矩計算值見表4。

表4 40 MPa銅合金接頭操縱力矩計算值Tab.4 Operating torque calculations of 40 MPa copper alloy joint

綜上所述，通過低操縱力矩的設計方案，新型40 MPa銅合金高壓空氣接頭的理論操縱力矩較CB 316標準接頭有較大程度降低。

3 有限元仿真分析與計算

艦艇船體在不同工作深度的結構變形，會對與船體剛性連接的高壓空氣管路產生附加載荷，鑒于高壓空氣接頭在船體變形過程中受力情況比較復雜，為了確切分析接頭的性能和主要零部件受力情況，我們采用ANSYS有限元分析軟件，建立了高壓空氣管接頭和典型高壓空氣管路的仿真計算模型，對高壓空氣管路及接頭隨船體變形的受力情況進行了建模和有限元仿真分析與計算。

3.1 仿真模型

以DN32的B型銅合金高壓空氣中間接頭為例，幾何模型如圖3所示。接頭有限元模型如圖4所示，分析中根據對稱性，取一半模型進行分析。外套螺母和平肩接頭倒角如圖5所示。

圖3 B型高壓空氣中間接頭幾何模型Fig.3 Geometric model of B-type high pressure air intermediate joint

圖4 高壓空氣典型管路及接頭有限元模型Fig.4 Finite element model of typical high-pressure air pipelines and joints

圖5 外套螺母和平肩接頭倒角示意Fig.5 Schematic diagram of chamfering of outer shell nut and flat shoulder joint

模型網格劃分如圖6所示，采用整體、局部相結合方法劃分網格，網格細化處采用六面體單元，其余采取四面體單元，既提高了仿真的精準度，又合理減少了計算量；并通過對不同網格密度模型的試算，綜合考慮網格無關性和計算效率，選擇了中等密度的網格進行最終的仿真計算。

圖6 模型網格劃分Fig.6 Mesh division of finite element model

3.2 仿真結果

選擇艦艇常用工作深度的船體變形量δ=4 mm和設計極限工作深度的船體變形量δ=6 mm為仿真計算的輸入，計算高壓空氣系統管路與船體的剛性連接點間距取2 m和3 m兩種典型工況，載荷加載分為預緊力加載和變形量加載2個載荷步，不同工況的計算結果見表5。

表5 計算結果匯總Tab.5 Summary of calculation results

以接頭應力最為惡劣的管路長度2 m、船體變形量6 mm工況為例，外套螺母應力分布如圖7所示。

圖7 管路長度2 m船體變形量6 mm工況外套螺母應力分布Fig.7 Stress distribution of outer shell nut under the condition of 2 m pipeline length and 6 mm hull deformation

由以上有限元分析結果可知：

（1）通過增加高壓空氣管路與船體剛性連接點的間距，可以減小船體變形附加載荷引起管路接頭應力，在管路長度2 m、船體變形量6 mm工況下，青銅QAl10-4-4材料外套螺母最大應力值 424.2 MPa，與材料屈服極限（σ0.2≥480 MPa）和抗拉極限（σb≥635 MPa）相比，仍有一定儲備強度，但安全系數已經較低，系統設計時，應盡量避免高壓空氣管路與船體剛性連接點的間距過小。

（2）高壓空氣管路與船體剛性連接點的間距達到3 m時，即使在設計極限工作深度引起的船體變形量下，鋁青銅QAl10-4-4材料外套螺母最大應力值349.7 MPa，與材料屈服極限（σ0.2≥480MPa）和 抗 拉 極 限（σb≥635 MPa）相比，仍有較高的儲備強度，可滿足系統使用需求。

4 試驗驗證分析

4.1 試驗內容

按照上述方案，制造了DN32的40 MPa銅合金中間接頭樣機，為驗證40 MPa銅合金高壓空氣接頭的實際性能，開展了以下試驗內容的試驗驗證研究：（1）重復組裝試驗，驗證接頭拆裝靈活性；（2）液壓強度試驗，檢驗接頭材料的水壓強度；（3）緊密性試驗，檢驗接頭的密封性；（4）爆破試驗，檢驗接頭的極限承壓能力；（5）拉脫試驗，檢驗接頭的抗軸向負荷能力；（6）振動（疲勞）、脈沖試驗，驗證接頭在壓力交變下的綜合性能；（7）操縱力矩試驗，確定接頭最小擰緊扭矩。

4.2 試驗結果

40 MPa銅合金高壓空氣接頭樣機的試驗結果見表6，表6同時給出了達到相應試驗要求的接頭操縱力矩。

表6 40 MPa銅合金接頭樣機試驗結果Tab.6 Test results of 40 MPa copper alloy joint prototype

綜上所述，由表6中試驗數據可知，研制的40 MPa銅合金高壓空氣接頭強度、密性、爆破、拉脫及振動（疲勞）、脈沖等各項試驗檢測結果都滿足系統使用要求，設計工況的操縱力矩約為350 N·m，比 CB 316標準的 25 MPa高壓空氣接頭緊固力矩下降30%以上，在保證系統密性同時，有效降低了操縱力矩，有利于現場安裝［3-8］。

5 結語

本文借鑒前人對金屬密封接觸力和密封結構的研究成果，提出采用梯形墊片和密封槽結合的密封結構，與鋸齒平墊相比，增加了接頭的密封比壓，降低了操縱力矩；通過仿真計算和接頭樣機的強度、密性、爆破、拉脫等試驗結果表明，研制的艦用40 MPa銅合金接頭滿足艦船40 MPa高壓空氣系統使用要求，并且具有強度高、加工容易、操縱力矩小等諸多優點，該型接頭的研究成功，可解決高壓空氣系統壓力級提升難題，具有極強的工程應用價值。