錢 江，趙 滿

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

0 引 言

艦船海水管路系統(tǒng)主要用于艦船消防、壓載、設備冷卻、空調(diào)以及日常清潔，關系到艦船的生命力、安全性、可靠性等性能，作用十分重要。海水管路系統(tǒng)在艦船上用量大、分布廣、維修保養(yǎng)復雜。

艦船海水管路系統(tǒng)可分為壓載水系統(tǒng)、日用海水系統(tǒng)、水消防系統(tǒng)、噴水系統(tǒng)、水幕系統(tǒng)、主輔機海水冷卻系統(tǒng)、專用冷卻海水系統(tǒng)、全船冷卻海水系統(tǒng)、空調(diào)、冷藏冷卻海水系統(tǒng)等，常見材質(zhì)有鍍鋅無縫鋼管、紫銅管、B10管和鈦合金管，參見表1。

傳統(tǒng)的B10管、紫銅管、無縫鋼管經(jīng)常出現(xiàn)“跑、冒、滴、漏”等腐蝕造成的問題，而相對較新的鈦管在海水中的耐腐蝕性非常突出。在海水管路系統(tǒng)中合理應用鈦合金材料，能夠顯著改善管路系統(tǒng)的耐腐蝕性，大幅減少維護保養(yǎng)工作，提升艦艇的可靠性和在航率。但局部應用鈦合金材料可能帶來電偶腐蝕、生物污染等新問題，這些需要在論證和設計階段有效解決。

1 艦船應用鈦合金海水管路的優(yōu)勢

采用鈦合金海水管路替換傳統(tǒng)材質(zhì)管路，除了能提升管路的耐腐蝕性外，還能顯著降低系統(tǒng)重量，節(jié)省占用空間。

1.1 提升耐腐蝕性

鈦及鈦合金的耐腐蝕性比其他常用金屬材料高，尤其能夠?qū)购Ｋ新入x子造成的腐蝕。在海水環(huán)境下，鈦表面會鈍化形成一層非常薄卻非常堅固的氧化膜，有效阻止內(nèi)部金屬繼續(xù)腐蝕。這層鈍化膜自愈性很好，在受到破壞或劃傷后能迅速氧化生成新的致密鈍化膜，保護鈦管不被海水腐蝕。鈦合金在流動海水中的腐蝕速率幾乎為0，大大優(yōu)于不銹鋼、銅合金、鋁合金等金屬材料。

1.2 有效減重并節(jié)省空間

鈦的密度只有4.51×103kg/m3，約為銅鎳合金（如B10）的一半。對于相同直徑和壁厚的管路，選擇鈦合金可降低重量。由于鈦合金抗腐蝕和侵蝕的能力強，允許設計更高的管內(nèi)海水流速，故采用更小直徑的管路就能保證同樣的海水流量。較小的管路直徑不但進一步降低自重，而且使得管內(nèi)的容水重量較輕，還可減少管路系統(tǒng)的輔助支撐結(jié)構(gòu)，這3方面變化均有助于減重。

另一方面，管路直徑變小可以節(jié)省空間，管路在艦上的布置也更加方便、靈活，增加了艙室的有效空間。

美軍在實際應用中，推薦采用6 in管徑的Sch10鈦管替代8 in管徑的200級銅鎳合金管，這樣每100 in（30.5 m）管子能減少自重994磅（451 kg），而同樣長度管子的容水可減重986磅（447 kg），兩者相加，平均減重接近3 kg/m。

采用鈦管和銅鎳合金管，體積和重量的對比情況在表2和表3中分別列出。采用鈦合金后，管子體積可減小29%～54%，管子自重可減輕50%以上。

表4列出了采用鈦管后由于管徑變小所帶來容水量變化情況，某些管徑的管子容水量可減小50%以上。

表1 艦船海水管路系統(tǒng)的分類及常用材料Tab.1 Classificaiton and materials of seawater pipelines used in navy ships

2 國外鈦合金海水管路上艦應用情況

美國和俄羅斯等海軍強國，已在多型艦艇上應用了鈦合金海水管路材料。

2.1 美國“圣安東尼奧”級兩棲船塢運輸艦

美軍曾在多型主戰(zhàn)艦艇上都應用過鈦合金材料，但用量不大。由于在海水管路系統(tǒng)中大量采用鈦合金材料，“圣安東尼奧”級兩棲船塢運輸艦（LPD 17）的鈦合金用量較以前的艦艇明顯增加了，詳見表5。

“圣安東尼奧”號2003年6月下水，2006年1月服役。至2012年，共有6艘“圣安東尼奧”級兩棲船塢運輸艦建成并服役，鈦管總長度超過30 000 m，平均每艘5 000 m，法蘭、附件總用量約1萬個。

表2 采用鈦管代替銅鎳合金管后的體積減少量Tab.2 Volume savings as a percent (%) using reduced sizes of Titanium Pipe vs.Cu-Ni Pipe

表3 采用鈦管代替銅鎳合金管后的管重減少量Tab.3 Weight savings as a percent (%) using reduced sizes of Titanium Pipe vs.Cu-Ni Pipe

表4 采用鈦管代替銅鎳合金管后的容水減少量Tab.4 Weight of contained water for reduced size Titanium Pipe and Cu-Ni Pipe

表5 美軍各型艦艇上鈦合金的用量Tab.5 Weight comparison of titanium alloy used in U.S.Navy ships

“圣安東尼奧”號上應用的鈦合金管路，最大公稱直徑達12 in（305 mm）?？紤]到工藝、費用等原因，該艦的海水管路系統(tǒng)并未全部采用鈦合金，如公稱直徑小于2.5 in（63.5 mm）的管路仍采用銅鎳合金制造，閥門仍采用青銅（銅錫合金）材質(zhì)。

2.2 俄羅斯多型潛艇

20世紀60年代至80年代，俄羅斯建造12艘全鈦合金攻擊型核潛艇，包括“阿爾法”級7艘、“麥克”級1艘、“塞拉”級4艘。這些潛艇的海水管路采用鈦合金材料（見表6）。

表6 俄羅斯建造的鈦合金潛艇情況Tab.6 Submarines of Russian Navy made by titanium

2.3 俄羅斯“毒蜘蛛”級導彈艇

20世紀70年代末，俄羅斯開始研制并生產(chǎn)“毒蜘蛛”級導彈艇。該艇速度快，反應時間短，除大量裝備本國外，還出口至其他國家。1985年，俄羅斯向當時的東德出口1艘該級導彈艇，東、西德合并后該船移交美國海軍，重新命名為“希登塞島”號。

該導彈艇的海水管路應用鈦合金管道和青銅閥門。為防止電偶腐蝕，使用墊圈、墊片、絕緣套筒等絕緣形式。該艇移交美國海軍時，其鈦合金管路系統(tǒng)依處于較完好的狀態(tài)。

2.4 鈦合金在其他水面艦艇上的應用情況

表7總結(jié)了美軍部分水面艦艇上鈦合金的應用情況，從中可見管路系統(tǒng)和動力裝置是鈦合金的主要應用部位。

3 鈦合金海水管路上艦應用要解決的關鍵技術問題

國外關于艦船海水管路的應用研究與使用經(jīng)驗表明，在艦船海水管路上采用鈦合金材料，重點要解決異種金屬電偶腐蝕、生物污染和鈦合金材料的焊接工藝等關鍵技術問題。

3.1 異種金屬電偶腐蝕問題

出于成本、制造工藝、裝配、焊接等因素的綜合考慮，采用鈦合金管路的系統(tǒng)中往往也會用到其他金屬材料，如設備、閥門、接頭等。鈦管本身耐海水腐蝕的能力極強，但由于鈦金屬的電位通常高于其他常用金屬材料，可能造成海水管路系統(tǒng)中其他金屬的電偶腐蝕。采用多種金屬材料的管路系統(tǒng)中必須采取電偶腐蝕絕緣防護措施，一般在管道、法蘭、閥門等部位采取電絕緣處理，一旦處理措施失效常會發(fā)生較嚴重的腐蝕。美軍艦艇上常采用或推薦的一些絕緣結(jié)構(gòu)形式如下。

表7 美國海軍艦艇用鈦合金情況Tab.7 Application of titanium in U.S.Navy ships

3.1.1 異種金屬法蘭連接的絕緣結(jié)構(gòu)形式

1）法蘭螺栓連接的絕緣結(jié)構(gòu)

在螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)中，電絕緣的方式是利用不導電的密封墊、螺栓套筒和墊片將所有可能的金屬電學通路都阻斷。

圖1為管道法蘭絕緣防護結(jié)構(gòu)示意圖，在螺紋、螺母與法蘭間增加絕緣塑料墊圈，并在緊固螺栓上套上絕緣塑料套管，防止法蘭與緊固件形成電偶腐蝕。

美軍艦艇上法蘭螺栓結(jié)構(gòu)常采用的絕緣部件和絕緣結(jié)構(gòu)形式如圖2～圖5所示。

圖1 法蘭電絕緣結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Insulation solution of flange

圖2 螺栓法蘭連接的絕緣部件Fig.2 Components for isolation bolted flanged connections

圖3 異種金屬連接結(jié)構(gòu)形式（從左至右依次為：銅鎳合金管與法蘭-銅蝶閥-鈦管與法蘭）Fig.3 An isolated Cu-Ni pipe and flange to a Bronze Butterfly Valve to an isolated Titanium flange and pipe connection

圖4 異種金屬閥門、法蘭、緊固件間的絕緣墊圈和墊片F(xiàn)ig.4 Isolation gasket and washer between disimilar metallic valve，flange and fasteners

圖5 異種金屬緊固件上的絕緣塑料套管Fig.5 Isolation bolt sleeves out of disimilar metallic bolts

2）外覆絕緣涂層的螺栓

緊固件上的絕緣塑料套管易破損，并造成電絕緣失效。為改進緊固件的電絕緣防護方法，美國海軍金屬加工中心專門研發(fā)了新型緊固件絕緣涂層，可將絕緣涂層預先涂覆在緊固件上。與塑料套管方式相比，外覆涂層防護方式的絕緣性更好，使用壽命更長，裝配、維護也更方便。

3）美軍在管路絕緣中曾遇到的工程問題

美國海軍專用型法蘭的徑向間隙只有1/32 in，比普通商用型法蘭1/16 in的間隙小，因而只能采用較薄的1/32 in厚度的絕緣套筒。如需采用海軍專用型法蘭，則應為海軍專用型法蘭和其他配套的鈦合金法蘭定做更大的螺栓孔徑，這樣才能使用更厚的商用型螺栓絕緣套，取得更好的絕緣效果。不過，部分現(xiàn)有螺栓采用預覆涂層的方式絕緣，螺栓外徑是標準尺寸，這時無須擴大海軍專用型法蘭的螺栓孔徑。

圖6 新型緊固件絕緣涂層Fig.6 New type insulation coating of fastener

另外，螺栓的金屬墊片應選用與螺栓配套的公制尺寸墊片，因為公制尺寸墊片的外徑和內(nèi)徑都更小一些。若選用英制尺寸的螺栓墊片，因其內(nèi)外徑尺寸都較大，可能會造成墊片與管件接觸而發(fā)生短路的情況。圖7顯示了一例美軍艦艇上因墊片偏心裝配造成絕緣短路的情形由于金屬墊片內(nèi)徑與螺栓外徑之間的間隙過大，偏心裝配時接觸到了管件。如選用配合度更好的公制墊片，可能不會造成短路。

圖7 因選用不合適的金屬墊片造成絕緣短路的案例Fig.7 An example of an improper installation of a commercial metal washer

3.1.2 穿艙件的絕緣結(jié)構(gòu)形式

當非鈦金屬組件需要接地時，必須將所有與非鈦金屬組件構(gòu)成電學通路的鈦管都進行絕緣處理。此時除采用上述的法蘭絕緣結(jié)構(gòu)外，還要將所有與鈦管接觸的非鈦組件都進行絕緣。這樣，支撐鈦管的管路支架和水密穿艙件/穿甲板件也必須進行絕緣。圖8顯示美國海軍曾試驗過的一種水密并防火穿艙件結(jié)構(gòu)。

圖8 海軍現(xiàn)用于鋼質(zhì)艙壁絕緣的納爾遜公司的水密并防火穿艙件結(jié)構(gòu)（左）和未安裝的納爾遜公司穿艙件（右）Fig.8 Left: An installation of a watertight and fireproof Nelson bulkhead deck penetrator in service (through a steel bulkhead).Right: Nelson bulkhead deck penetrator

3.1.3 管路支架的絕緣結(jié)構(gòu)形式

對于異種金屬的管路支架，只需在管路外徑和管路支架間采取電絕緣措施。某些黑色橡膠因含較多石墨成分而能夠?qū)щ?，故一定要確保絕緣用的橡膠材料不導電。美國《鈦合金通海管路選用指南》推薦采用如圖9所示的阻塊型管路支架。

圖9 納爾遜公司的橡膠阻塊型管路支架Fig.9 Nelson navy type rubber block pipe hanger

3.1.4 “整體式絕緣附件”結(jié)構(gòu)形式

其他工業(yè)領域已開發(fā)出非常有效的絕緣設計結(jié)構(gòu)?！罢w式絕緣附件”是一種焊接連接形式，無須法蘭螺栓結(jié)構(gòu)就可以將不同材質(zhì)的管路相連（見圖10）。工業(yè)應用表明，這種絕緣結(jié)構(gòu)形式比法蘭螺栓結(jié)構(gòu)更加耐用。

3.1.5 在設計上應盡量避免異種金屬組件接地的情況

通常在有電氣設備和非鈦金屬組件連接（如電動閥控制器或發(fā)電機）時，可能出于安全目的將非鈦金屬組件接地。這種情況要做到絕緣，遠比不接地時復雜，成本也高得多，因為此時需要將所有與異種金屬組件構(gòu)成電學通路連接的鈦管都絕緣。由于相連接的鈦管可能有數(shù)條并遍布多個艙室，故將其全部與船體絕緣比只絕緣非鈦金屬組件要困難得多。

圖10 整體式絕緣附件（不使用螺栓就可將鈦管與非鈦組件相連）Fig.10 Monolithic isolation fitting

因此，非鈦金屬組件接地的情況應盡量避免。如有可能，和鈦管相連的非鈦金屬組件應與電氣設備隔離。例如，可通過在電機的軸與閥門的軸之間加裝不導電的聯(lián)結(jié)器，將控制閥門開合的電機與閥門絕緣。在系統(tǒng)設計時就要對這類閥門采取措施。

3.2 生物污染問題

鈦合金具有非常好的生物兼容性，十分適合海生物在其表面生長繁衍。實踐應用表明，美軍艦艇的鈦合金海水管路系統(tǒng)曾發(fā)生過生物污染。鈦合金上艦必須解決好海生物污染問題。以下是外軍為防止鈦合金海水管路污染曾開展過的一些研究和試驗。

3.2.1 防污措施與海水流速的關系

鈦合金耐侵蝕和腐蝕的能力強，因此鈦合金管路可承受較高的海水流速，當海水流速足夠高時，海生物就無法在管內(nèi)壁附著了。美軍提出鈦合金海水管路的設計最小流速為4.6 m/s。

在美軍實船應用中，除海水管路和很少一部分管路附件采用鈦合金材料外，其余多數(shù)部件采用的是其他金屬材料，致使這些海水管路的設計流速遠低于4.6 m/s的鈦管推薦最小流速。海水流速慢，容易出現(xiàn)生物污染。美軍艦艇服役2-4年后，確曾出現(xiàn)過生物污染問題。美國海軍總結(jié)經(jīng)驗后認為，只要海水流速小于4.6 m/s，要在船上安裝生物防污系統(tǒng)。如果設計海水流速超過4.6 m/s，則可在艦艇進港時開展防污作業(yè)，這樣可節(jié)約下安裝防污系統(tǒng)帶來的高昂費用。

需要注意的是，即使設計海水流速足夠快，也應考慮系統(tǒng)停運時的防污策略。

3.2.2 各種防污技術

1）氯氣防污技術

美國水面戰(zhàn)中心的研究表明，向鈦合金熱交換機中連續(xù)通入0.5 ppm濃度的氯氣，可在熱交換機表面形成一層棕色附著層，有效阻止海洋生物藤壺的附著。該附著層在潮濕狀態(tài)下易于清理，在海水沖刷下能夠剝落。而且美軍試驗表明，氯氣不會造成銅基合金腐蝕，說明氯氣防污法比較適用于鈦合金和銅鎳合金混合結(jié)構(gòu)的管路系統(tǒng)。

2）電解海水制氯防污技術

利用特制的電極將海水電解，產(chǎn)生有效氯（包括次氯酸、次氯酸根離子、氯氣）。有效氯是強氧化劑，可殺死海生物的幼蟲或孢子，達到防止海生物附著和生長的目的。

3）紫外光防污技術

紫外光輻照技術已廣泛用于商船飲用水凈化，美國的一些州和市也采用該技術凈化飲用水和污水系統(tǒng)。美國船舶局和美國海岸警衛(wèi)隊規(guī)定，紫外光輻照技術可作為鹵素防污技術的替代方法使用。紫外光防污法的優(yōu)點是對環(huán)境沒有污染。

4）臭氧防污技術

利用臭氧凈化飲用水或污水的技術已在民用領域得到普及。這種方法與紫外光技術一樣，也是環(huán)境友好型的，可有效防污。

5）超聲波防污技術

澳大利亞海軍曾開展過超聲波防污技術的試驗研究。試驗中，在鈦合金熱交換器和管道外部安裝上超聲波發(fā)生器，利用超聲波在海水中激發(fā)出無數(shù)微小氣泡，使微生物難以附著或靠近管道表面。超聲波還能產(chǎn)生空化效應，使已附著的微生物脫落清除。

空化效應：超聲波作用于液體時可產(chǎn)生大量的微氣泡，當聲壓達到一定值時空穴崩潰，產(chǎn)生高溫、高壓、放電、發(fā)光和激震波等的作用為空化效應?？栈浅暡ㄇ逑雌鞯淖钪匾弧?/p>

澳大利亞海軍還對商用Sonoxide超聲波水處理系統(tǒng)進行了評估，認為該系統(tǒng)性能優(yōu)異，但初期安裝費用較高。

6）高分子膜防污技術

美國海軍水面戰(zhàn)中心對用于鈦合金表面的一種新型高分子仿生防污膜mPEG-DOPAx（聚乙二醇—多巴）開展了試驗研究，其中聚乙二醇起到防污作用，膠黏劑DOPA的作用是將高分子粘附在鈦合金表面。結(jié)果顯示，該高分子仿生防污膜的防污性能良好。研究人員還發(fā)現(xiàn)，將DOPA從1增加到3，可同時提升高分子膜的粘結(jié)性能和防污性能。

多巴為一種生物配體，由于其獨特的生物粘附性在近年來的研究中受到關注。

3.2.3 系統(tǒng)陸上防污試驗

美國海軍曾選定紫外光輻照和臭氧處理2種方法作為艦上海水管路防污技術的備選方案，并通過陸上系統(tǒng)開展試驗評估。圖11為鈦合金管路陸上試驗裝置。

試驗結(jié)果顯示，紫外線輻照和臭氧處理2種方法均可顯著改善鈦合金管路系統(tǒng)的微生物附著現(xiàn)象。相比而言，紫外線凈化器比臭氧發(fā)生器運行更加穩(wěn)定，維護時間短，安全性更好，而且紫外線凈化器重量輕，占用空間小，而采用臭氧凈化則要較多的技術保障。

3.3 焊接工藝問題

焊接工藝是采用鈦合金制造管路必須要克服的難點之一。常溫下，由于表面氧化膜的鈍化作用，鈦合金能保持較高的化學穩(wěn)定性。但在高溫下，特別是在熔融狀態(tài)時，鈦合金對氫、氧、氮等氣體有很高的化學活性。吸附這些氣體會顯著降低鈦合金焊接接頭的塑性和韌性，造成接頭脆化。此外，鈦的熔點高、熱容量大、導熱性差，焊接時控制不好易形成較大面積的高溫熔池，造成焊接熱影響區(qū)擴大。

由于鈦合金具有以上特點，使得焊條電弧焊、氣焊、二氧化碳氣體保護焊等常用焊接方法不適用于鈦合金的焊接。目前，鈦合金的焊接主要采用鎢極氬弧焊（GTAW）、熔化極氬弧焊（GMAW）、等離子焊（PAW）等方法，其中鎢極氬弧焊最為常用。

圖11 美國海軍海水管路系統(tǒng)的陸上試驗裝置Fig.11 U.S.Navy land test facility for seawater piping systems

4 結(jié) 語

本文總結(jié)了艦船采用鈦合金海水管路能夠帶來的優(yōu)勢，梳理了美國、俄羅斯鈦合金海水管路的上艦應用情況，分析了鈦合金海水管路上艦需要重點解決的關鍵技術問題。