苏联起火沉没核潜艇已监测到核泄漏!咋办?
2019-07-12 09:50:48 作者:本网整理 来源:综合整理

据“今日俄罗斯”新闻网7月9日报道,一组研究人员日前公布了一段关于前苏联海军沉没的核潜艇“共青团员”号的视频,并宣称已经检测到该艘核潜艇泄露的放射性物质。据报道,来自俄罗斯和挪威的联合科学小组正在对这艘失事的潜艇进行例行监测,在一份从深度约为1700米的海水中取出的样本里,研究人员检测到该样本的放射性水平非常高。在他们提取的三个样本中,这一样本的辐射水平比普通海水高出10万倍。而更令人担心的还有随之而来的核污染,该潜艇上的核燃料浓度非常高,并且潜艇上十枚鱼雷中有两枚是核弹头。

据了解,苏联的共青团号号称苏联最强的核攻击型潜艇。为了保证核潜艇的安全性,苏联使用了当时最昂贵的金属钛合金来制作这艘核潜艇的外壳,因此,这艘核潜艇也被称之为是用金子所做的鱼。

 

1.jpg 

 

 

 

 延伸阅读:

 

全面解析舰船用钛合金及其腐蚀防护

 

舰船是海军最重要的装备,是海上运输、战斗的平台,用于建造舰船的材料要能耐海水、海洋大气的腐蚀,比强度高,塑韧性及加工工艺性好。由于舰船整体结构复杂,所使用的材料量大,且品种、规格多。选择性能优异的材料制作军舰是保证海军装备完整性和先进性的基础。


钛合金在舰船上得以应用,主要是基于钛合金的以下特性:很宽的强度范围,优异的机械性能,独特的物理性能(包括磁性能),较高的比强度和结构有效性,优异的耐腐蚀性能和耐冲刷腐蚀性能,优良的抗冲击性能,良好的可加工性和焊接性,合理的成本及有效性。大量船用管系材料使用经验证实,管路系统中传统材料的使用寿命是有限的,其中,钢管路系统使用 1.2 ~ 2 年后会发生腐蚀,CuNi 管路系统使用寿命为 6 ~ 8 年,而钛合金管路系统中的管、泵、阀、热交换器等设备可服役 40 年以上。由于船用钛合金需在海洋环境中长期服役,设计船用钛合金时需综合考虑合金的强度、应力腐蚀断裂韧性、可焊性等。


国内外船用钛合金应用

 

1.俄罗斯船用钛合金应用

 

4.png

俄罗斯护卫舰

 

俄罗斯是世界上研制和使用船用钛合金最早的国家,也是船用钛合金使用范围最广泛、数量最多的国家。主要包括PT-7M、PT-1M、PT-3V、37、5V 钛合金及其相应的焊丝,并形成了 490、585、686、785MPa 等不同强度级别的船用钛合金产品。钛合金已被成功应用于舰船上的以下部件及设备中:深水立管、补给管、泵、过滤器、通海管路、饮用水管、钻井管和地下水管路、热交换器、柴油机独立消防泵和灭火系统、深水设备壳体、外井系统柔性管、压力容器、平台紧固接头的高强柔性拉伸部件、工艺溶液的管系和容器等,并相继在前苏联系列核动力破冰船“列宁号、”北极“号、”俄罗斯“号、”苏联“号和其他型号的舰船上使用。前苏联系列核动力破冰船上的钛制蒸汽发生器,已安全使用 20 ~ 40年,并且未发生任何严重破损。


1.png

 

 

2.美国船用钛合金及其应用

 

美国船用钛合金主要以航空用钛合金为基础,选取了在海水腐蚀环境下具有耐蚀性、可焊性和抗应力腐蚀性的钛合金, 包 括 纯 钛、Ti-0.3Mo-0.8Ni、Ti-3Al-2.5V、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4VELI、Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr。此外,针对船用钛合金的特点,还研制了 Ti-5Al-1Zr-1Sn-1V-0.8Mo-0.1Si、Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo 等其他船用钛合金。舰船上使用高性能钛合金对于提高舰船的移动性、稳定性、有效性,减轻船体质量等都具有显著的作用。美国海军在 20 世纪 90年代曾对以下舰船进行认证考核,包括:核动力航母(CVN)、导弹巡洋舰(CG-47)、导弹护卫舰(FFG-7)、探测船(MCM)、水陆两栖登陆艇(LSD41CV)、登陆船、气垫船(LVCA)、水陆两栖强击登陆船(LHD)、快速作战军需品补给船(AOE-6)、双层壳体监视船(SWATHT-AGOS19)、海岸探测船(MHC-51)、导弹驱逐舰(DDG-51)。这些舰船的海水冷却系统、海水系统和灭火系统、结构件、推进器、污水处理系统、电器元件、紧固件等,均已使用或即将使用高性能钛合金。


2.png

 

5.png

美国大型游轮

 

3.中国船用钛合金及其应用

 

中国船用钛合金的研究与应用始于 20 世纪 60 年代,经过几十年的发展,已形成较完整的船用钛合金体系,能够满足舰艇、潜艇和深潜器对不同强度级别的要求。应用领域涉及船体结构、推进系统、电力系统、电子信息系统、辅助系统、特种装置等。按屈服强度等级划分,即屈服强度在 490MPa 以下为低强钛合金,具有优异的塑性;490 ~ 790MPa 为中强钛合金,高于 790MPa 为高强钛合金,主要用于船舶动力工程中的耐热耐蚀部件和船舶特种机械等。


3.png

 

4.日本船用钛合金及其应用

 

日本船用钛合金主要有纯钛、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4VELI,主要被应用于深潜器的耐压壳体及各种民用游船、渔船。


使用中存在问题及解决方法

 

1.缝隙腐蚀

 

腐蚀问题:舰船中使用的可拆卸连接件(法兰、螺纹连接等)等部件存在较小缝隙,缝隙内会存在具有侵蚀性的高浓度氯离子和氟离子,这就要求钛合金在海水环境中具有良好的抗高温缝隙腐蚀能力。钛合金热交换器和海水淡化设备内,工况环境为 90 ~ 250℃、介质 pH 值为 1.5 ~ 4.0(尤其是在盐和煤油状沉积物处),其缝隙腐蚀是非常致命的。防腐措施:(1)在钛合金中添加 Pd、R u 元素可有效改善钛合金的耐缝隙腐蚀性能。(2)在钛合金表面进行含 Ru/Pd 的表面处理,例如在钛合金表面渗入 Ru/Pd 元素或者进行微弧氧化在钛合金表面形成含 Ru/Pd 元素的氧化物。为减少表面处理的成本,也可以在钛合金表面制备含 Ru/Pd 元素的梯度涂层。(3)采用阴极保护技术保护钢结构时,电位在- 800mV ~- 1050mV之间,避免产生氢过饱和导致钛合金出现氢致开裂。


2.电偶腐蚀

 

钛与钢、铜连接时极易出现电偶腐蚀,防护措施包括:


⑴管材进行热氧化、微弧氧化、阳极氧化,在金属表面形成氧化层或陶瓷层以实现绝缘。对钛管进行氧化处理,形成的氧化膜可降低钛合金阴极极化效应 80% ~ 90%,氧化膜寿命等同于钛管寿命。


⑵在管材、阀嘴与钢、铜设备接触的界面处用沥青质橡胶进行绝缘处理;⑶在钛管与不锈钢喷嘴连接处进行中间凸缘保护。


3.大型结构件的焊接腐蚀

 

防护措施包括:


⑴舰船上使用的壳体、高压压力容器、拉伸部件等大型结构件基于耐压性能要求需要使用高强钛合金,并且要求高强钛合金厚壁焊接件的连接在海水中要有极好的可操作性,焊后无须进行热处理。


⑵美国和欧洲采用 TC4 钛合金和低间隙 TC4 钛合金(氧含量控制在 0.13% 以内);俄罗斯普罗米修斯结构材料中央研究院研发了 PT-3V、37、5V 船用钛合金;中国研发了TA24、TA31 钛合金。


⑶对于大型结构件,焊接后不能进行热处理,而表面存在拉伸应力,大大降低钛合金构件耐腐蚀和抗疲劳性能。可对焊接件表面进行超声冲击处理,将焊接件表面拉伸应力转变成为压应力,以利于疲劳性能的提高。


中国船用钛合金的发展展望

 

对于材料研究来说,中国船用钛合金还需开展钛合金在海洋环境中的性能研究,包括:


①工况环境(温度、pH 值、溶液成分)、受力方式(自由状态、反向弯曲、扭转)、交变载荷对钛合金在空气和海水中腐蚀疲劳、疲劳裂纹扩展速率、应力腐蚀断裂韧性的影响研究;②加工工艺对钛合金管材织构类型(径向织构、轴向织构)以及织构类型对管材加工工艺(扩口、压扁、爆破)性能的影响;③ Pd、Ru 微量元素对钛合金在 H 2 S、Cl - 环境中耐蚀机理的研究;④钛合金在辐照环境下的拉伸、疲劳性能评价;⑤耐蚀钛合金不同焊接形式的焊接变形控制和矫正研究;⑥耐蚀钛合金新型近净成形技术的研究与评价。

 

 

钛及钛合金在国外舰船上的应用

 

0 引 言

 

钛及钛合金是 20 世纪 50 年代发展起来的新型材料,具有强度高、密度小、耐腐蚀、无磁、焊接性能好、透声、抗冲击性好等优点,尤其是在海水、海洋环境中具有良好的耐蚀性,是优异的轻型材料。


各国海军及造船业对钛及钛合金在舰船上的应用研究十分重视,并在舰船上采用钛合金,以提高舰船设备运行的可靠性和使用寿命,从而提高舰船的综合性能。


1 钛及钛合金的性能特点

 

1.1 耐蚀性优异

 

钛在中性和氧化性环境及众多恶劣环境中比其他常用金属材料耐腐蚀性高,特别是对海水中氯离子具有很强的抗腐蚀能力。钛的表面可形成一层非常薄且坚固的氧化膜,使钛钝化而不受海水腐蚀。钛的钝化膜具有很好的自愈性,当受到破坏或划伤后可以迅速自动修复,形成新的保护膜。正是这层氧化膜保护钛不受海水侵蚀,在无化学变化和污染的情况下,钛可以完全抵抗自然海水的腐蚀。与不锈钢、铝合金、铜合金相比,钛合金在流动海水中的腐蚀速率几乎为 0。


纯钛在严峻的海洋环境中,容易受到缝隙腐蚀和点蚀的影响,而钛合金的疲劳性能和韧性则不受海水影响,并且对海水应力腐蚀裂纹有抵抗作用,因此在易出现缝隙腐蚀和点蚀的地方可以采用钛合金代替纯钛。


1.2 比强度高

 

比强度是指材料强度与密度的比值。比强度越大,以相同强度设计就能获得更小的结构重量,反之相同结构质量下就能获得更高的强度。高的比强度可以使设备设计更加紧凑,大幅减小结构质量,同时提高装备的安全性。


1.3 无磁性

 

钛合金没有磁性,可以提高探测仪器及工具的抗磁干扰,保证信号的准确性,同时减小设备的磁物理场效应。在很强的磁场中也不会被磁化,不易被磁探测仪发现,增加隐蔽性,可使装磁引信的水雷或鱼雷失效,可以避免磁性雷的攻击,具有良好的反监护作用。


1.4 耐热和耐低温性能优异

 

钛的耐热性和耐低温性能良好。目前的热强钛合金最高使用温度可达 500 ℃ ~ 600 ℃,结构钛合金的使用温度也可达到 300 ℃ ~ 400 ℃。同其他轻质材料如铝、镁合金比较,在 300 ℃时,钛的强度要高 1 个数量级,而超过 400 ℃,铝、镁合金已丧失工作能力,而钛合金却能继续保持足够的使用强度,具有明显的性能优势。钛的耐低温能力很突出,采用低间隙元素的钛合金可以耐 –253 ℃的低温,在此温度下,合金强度比室温提高了 1 倍,而塑性则保持室温状态下的水平。


1.5 中子辐照衰减性能优异

 

在同等强度的中子辐照条件下,普通钢材受到辐射需要近 100 年才能逐渐衰减,而钛合金的辐照衰减性能是其 10 倍以上,即 8 – 10 年后就可以安全回收,这对核废料的掩埋、核动力设备的回收以及生态环境的保护具有非常重要的意义。


2 钛合金在国外舰船上的应用情况

 

基于钛合金上述优异性能,使用钛合金可以大幅降低舰船装备的结构重量,在实现舰船高机动性的同时,还可以保障其高可靠性和安全性。


以美国和俄罗斯为主的国外海军很早便开始了钛及钛合金在舰船上的研究和应用。


2.1 美国

 

美国海军于 1950 年便开始关注将钛合金应用于舰船工业的可能性,并于 1963 年开始逐步开展相关的工程研究,主要应用过的舰船用钛合金包括:纯钛、Ti-0.3 Mo-0.8 Ni,Ti-3Al-2.5V,Ti-6 Al-4 V,Ti-6 Al-4VELI,Ti-6 Al-2 Nb-1Ta-0.8 Mo,Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr 等。表 1 列举了美军舰船常用钛合金及其性能特点。其中,Gr.32 即为 Ti-5111,是美国海军与钛金属公司(Titanium Metals Corporation—Timet)共同合作研制的,其名义化学成分为 Ti-5 Al-1 Zr-1 Sn-1 V-0.8Mo-0.1 Si。该合金的突出特点是具有良好的断裂韧性及抗应力腐蚀性能,同时又具有良好的抗室温蠕变性能;其冲击韧性约为 Ti-6 Al-4 V 的 3 倍,并且易于焊接,能够进行大规格型材的焊接。


1.png

 

2.png

图 1 “阿尔文”号深潜器的载人舱

 

美国首先在深潜器耐压壳体上试用钛合金材料,1973 年用板厚 49 mm 的钛合金代替 1964 年建造时采用的 HY100 高强钢(板厚 33.8 mm),制成了“阿尔文”号科研深潜器的耐压壳体,下潜深度从 2 000 m 增加到 3 600 m。近年来,美国又对新型“阿尔文”号进行了研制工作,其下潜深度将增加至 6 500 m。


1981 年和 1982 年建造的“海崖”号深潜器装备了钛制的观察舱和操纵舱,下潜深度可达 6 500 m。


20 世纪 80 年代,美国启动了高强钛合金在舰船上应用的适应性研究,并陆续将一些高强钛合金应用于舰船装备。


早期的应用之一即为 SPY-1D 雷达的冷却器,冷却器由 0.5 in 的钛管集束组成,使用了工业纯钛 2级,最初安装于 DDG 51 驱逐舰和CG 47 巡洋舰的雷达系统 。


钛合金在美海军舰船上早期的另一应用是涡轮发动机的冷凝器,最先应用于“埃尔默·蒙哥马利”号护卫舰上(FF1082)。此外,CVN航母、CG 47巡洋舰、DDG 51驱逐舰 的海水泵也使用了钛合金。


在 “圣 安 东 尼 奥 ”级 两 栖 船 坞 运 输 舰 ( LPD17)上应用钛合金海水管系,是美军舰船钛合金的一个标志性应用。前期投入虽然比铜-镍合金管系高,但全寿期节省成本近 1 700 万美元。近年来,美军海军又启动相关项目,将钛合金应用于“自由”级濒海战斗舰(LCS)主燃汽轮机排气管道(进气口),可使重量减少达 8 100 ~ 9 900 kg 。


在潜艇方面,除了在管路系统中应用钛合金外,美国海军已经成功将钛合金 Ti-5111 应用于潜艇高数据率通信天线,其结构和在潜艇上的应用如图 2 所示。


潜艇的天线工作环境较为苛刻,腐蚀较为剧烈,Ti-5111 合金制作的高数据率天线得益于钛合金材料耐腐蚀、高强度的特性,抗拉强度达到 689 MPa,屈服强度为 586 MPa,并且具有极高的断裂韧性。该天线已在美国 30 艘潜艇上应用。


表 2 总结了美国海军舰艇用钛合金情况,从表中可看出,目前美军舰船上应用钛合金最多的为各种管路系统和动力系统装置。


3.png

 

2.2 俄罗斯

 

俄罗斯船用钛合金的研究和实际应用水平居世界前列,拥有专门的船用钛合金系列,如船体用钛合金ПЫ-1 M;船机用钛合金 ПЫ-7 M;船舶动力装置用钛合金 ПЫ-3 B,5 B 等,强度级别分别为 490 MPa,585 MPa,686 MPa,785 MPa 。


俄罗斯是世界上第 1 个拥有钛合金核潜艇的国家,从开始的试验艇“帕帕”(PaPa)级钛合金巡航导弹核潜艇(661 型)(简称 P 级),到后来的“阿尔法”级钛合金潜艇,再到“麦克”(Mik)级,最后到“塞拉”(Slerra)级,1963 – 1988 年的 20 多年间,俄罗斯共建成了 3 级 12 艘全钛合金攻击型核潜艇,包括 7 艘“阿尔法”(Alfa)级、1 艘“麦克”级和 4 艘“塞拉”级。表 3 列举了俄罗斯采用钛合金作为耐压壳体的相关潜艇。


4.png

 

俄罗斯“基洛”级常规潜艇,其早期最典型的特点就是声呐导流罩结构全部采用钛材。声呐罩全部结构 的 所有部位 ( 透声板 、 支架 、 法兰 ) 均使用ПT3B单一钛合金制造,采用单壁结构,由数控铣床加工出均布透声孔,具有良好的透声性、足够大的刚度以及优秀的抗变形能力。


近些年,根据钛合金耐腐蚀的优点,俄罗斯改变了钛材耐压艇体的使用方向,在热交换器、海水淡化器、冷却器、冷凝器、管道等设备中大量采用。


2.3 其他国家

 

日本的舰船钛合金型号主要有 Ti-6 A1-4 V,Ti-6AI-4 VELI,主要应用于深潜器的耐压壳体。日本科学技术厅 1981 年建造的深海载人潜水调查船“深海2000”号,其外壳骨架、均压容器、配管等均采用了钛合金,下潜深度达 2 000 m。神户制钢公司高砂制作所建造的“深海 6500”号调查船,耐压壳体采用 Ti-6A1-4 V,其下潜深度达 6 500 m。此外,近些年日本还将钛合金越来越多的应用于潜艇的柴油机排气管与海水系统管路等部位。


法国 1984 年建成的载人深潜器的耐压壳体由钛合金制造,下潜深度为 6 000 m。


3 钛合金应用于舰船的关键技术

 

3.1 焊接工艺

 

常温下,由于表面氧化膜的作用,钛及钛合金能保持高的稳定性和耐蚀性。但钛在高温下,特别是在熔融状态时对气体有很高的化学活性。氢、氧、氮等气体被钛吸收后,会降低焊接接头的塑性和韧性,引起接头的脆化。另一方面,钛的熔点高、热容量大、导热性差,焊接时易形成较大的熔池,并且熔池的温度很高。


基于上述特点,焊条电弧焊、气焊、CO 2 气体保护焊难以用于钛及钛合金的焊接。目前,钛及钛合金的焊接主要采用钨极氩弧焊(GTAW)、熔化极氩弧焊(GMAW)、等离子焊(PAW)等。其中,钨极氩弧焊是最常用的方法,常用于焊接厚度在 3 mm 以下的钛及钛合金。


1)现行主要焊接工艺-钨极氩弧焊(GTAW)

 

“圣安东尼奥”级两栖船坞运输舰(LPD 17)上的钛合金海水管系是美国海军首次在舰船上大规模的采用钛合金,平均每艘安装的钛合金管道多于 3 600 m。


1996 年,诺·格公司签订建造合同时便确定了手工钨极氩弧焊和自动钨极氩弧焊相结合的方法来完成管路的焊接工作。其管路选用的是工业纯钛 2 级,公称尺寸小于 12 in,其中 2 ~ 12 in Schedule10 的管路采用手工焊,6 ~ 12 in 的管路采用自动焊 。


随后,埃文代尔(Avondale)造船厂制定了钛合金管路的焊接工艺规程,包括生产计划、测试规程、质量控制和焊接工培训,这些规程得到海上系统司令部的批准。为成为认证的焊接工,需要进行一系列培训,包括课堂学习、课后练习和实际训练;进行自动焊操作的焊接工还需进行额外训练。


1999 年,埃文代尔船厂完成了第一批钛合金管路的焊接工作。生产工作开始后,埃文代尔船厂、爱迪生焊接研究院(EWI)、海军连接中心和海上系统司令部继续对焊接工艺进行改进以最大化的减少费用,将层间温度由 250 °F 提高到 600 °F,保护气体的露点由 –60 °F 升至 –40 °F。在焊接了约 2 万米的钛合金管道后,埃文代尔船厂的产品不合格率已低于 0.15%。


2)焊接工艺新进展

 

为提高船厂环境下大型结构件的焊接生产效率,美国海军主要针对以下几个焊接工艺开展研究:搅拌摩擦焊、药芯焊丝电弧焊、脉冲熔化极氩弧焊(P-GMAW)。


搅拌摩擦焊 1991 年由英国焊接研究所发明,是一种在机械力和摩擦热作用下的连接方法。与传统钨极氩弧焊相比,搅拌摩擦焊在接头力学性能上具有明显优势。


搅拌摩擦焊已经实现了铝合金、镁合金构件制造的大规模应用。美国海军研究局(ONR)与空军实验室、小企业创新计划一起资助了搅拌摩擦焊的研究工作。


美国海军变形双体概念舰 T-craft 计划利用搅拌摩擦焊技术制造钛合金全尺寸船体。中段结构中长达 6 m的主甲板由 6 块钛合金经搅拌摩擦焊焊接而成。


除搅拌摩擦焊外,美国海军同时还进行了药芯焊丝电弧焊、脉冲熔化极氩弧焊的研究,以更高效的完成大型结构件的焊接。


5.png

图 3 钛合金管道自动钨极氩弧焊装置

 

6.png

图 4 LPD 17 上使用铜镍合金法兰、青铜阀门及钛合金管道

 

3.2 电偶腐蚀

 

1)钛合金海水管道电偶腐蚀问题

 

“圣安东尼奥”级两栖船坞登陆舰(LPD 17)中前 6 艘舰艇大量使用了钛合金材料的管道,其管道最大外径约 30.5 cm。


由于制造工艺、成本、装配、焊接等因素,舰船管道、阀门、法兰等使用了不同的材料,例如与管道连接的阀门使用的是铜锡合金,其主要是因为钛合金阀门成本高昂(是铜锡合金的 5 倍以上),尤其是小型支管的阀门,其焊接、装配工艺要求更高。而采用不同金属材料的管系须进行电偶腐蚀防护,在管道、法兰、阀门等部件中进行电绝缘处理 。


2)钛合金海水管道电偶腐蚀防护措施

 

海水管道实施电偶腐蚀防护,要对法兰连接处、管道托架与管道连接处、甲板与舱壁通管之间等部位实施电绝缘防护。如图 5 所示的管道法兰绝缘防护中,其重要方法是将异种金属接触部位物理隔离,将螺纹、螺母与法兰接触面之间使用塑料垫圈隔离,并用绝缘塑料套管套在紧固螺钉上,防止紧固件与法兰面发生电偶腐蚀。


由于装配等问题,舰船管系电绝缘通常较难实施,且实施后较难保持,出现管道绝缘器件失效、法兰隔绝组件失效等情形。此外,舰员进行钛合金管系维修时的失误或不当操作,可能也会导致管系电绝缘失效。若绝缘措施不当,钛合金管道和青铜阀门的电偶腐蚀强烈,维护成本高昂。


7.png

图 5 法兰电绝缘措施

 

由于紧固件上使用的塑料套管容易破损,易导致电绝缘防护失效,因此美国海军金属加工中心研发了新型紧固件绝缘涂层,改进紧固件电绝缘防护方法。新型的绝缘涂层涂覆在紧固件上,与塑料套管相比,其使用寿命更长,绝缘性能更好,可靠性更高。且紧固件装配方便,维修便捷。首批采用了该涂层的紧固件将在 LPD17 的钛合金海水管道上使用。


3.3 生物防污

 

对于长时间在海水中航行的舰船来说,微生物附着等海洋污染不可避免。海洋微生物附着或黏液沉积在材料表面会对设备的整体性能产生影响,甚至导致设备无法正常运转。另外,在舰船维护时,清理海洋污染物也需要花费大量的时间和资金。因此,在舰船设计过程中需要考虑海洋防污问题。


8.png

图 6 新型紧固件绝缘涂层

 

钛合金在舰船的应用过程中,无论是在热交换机、冷凝器、管道还是整体船只中的应用,都必须考虑海洋污染问题。长期运行在海洋环境中的钛合金热交换机和冷凝器,其管道表面容易附着一层海洋有机微生物并形成隔热层,使热交换机的热阻超过设计时的允许值。另外,当管道表面形成黏液层时(微生物分泌的一种粘性胶状物,有些酸性分泌物对船体有腐蚀作用),会使管道内的压力降低。美国海军水面战中心卡迪洛克分部的实验表明黏液层在管路表面形成4 个月内,管道内的压力可降低超过 2 倍。


为解决钛合金管道的生物防污问题,国外海军和研究机构开展了如下防污措施的研究:


1)氯气防污

 

当海水流速较低时,钛合金热交换器或冷凝器需要一些防污保护措施,否则,除化学或机械清洗外,热交换器和冷凝器的热阻无法维持。向管道中的海水通入氯气是有效的防污方法。


美国水面战斗中心卡迪洛克分部的研究显示,向钛合金热交换机中连续通入浓度为 0.5 ppm 的氯气,发现氯气可以有效保持管道的清洁和阻止有机物附着。当氯气通入钛合金热交换机管道时,会在热交换机表面形成一层棕色的附着层,主要成分为二氧化硅、锰和铁,可以阻止海洋生物藤壶的附着。潮湿状态下的该附着层非常容易清理,且能够随着海水的流动剥落。


此外,卡迪洛克分部在试验中并未检测到通入氯气的管道系统中有铜基合金的腐蚀情况。这说明,在钛合金和铜-镍合金的混合结构管路中,氯化防污法对非钛合金部分的腐蚀作用很小。


2)电解氯防污

 

对于低流速,温度为 9.5 ℃ ~ 23.4 ℃,盐度在 12.5 ~30.85 ppt 范围内的海水环境中,电解氯可以起到很好的防污效果 [8] 。通常电解氯防污方法采用海水作为电解液,将海水通入电解池中,经过电解产生氯原子,氯原子又迅速与海水中的次氯酸盐和次氯酸反应形成次溴酸盐,再将次溴酸盐溶液注入进入冷却器之前的水蒸气中,随后进入冷凝器中。电解氯可有效阻止有机生物的附着,如藤壶或管蠕虫。


3)高流速海水防污

 

钛合金热交换机或冷凝器管道内海水的最大流速为 2.7 m/s,当海水以较高的流速(不小于 2.4 m/s)通过管道时,海水本身的速度就可以杀死大量的海洋微生物。管道内的高流速海水短时间内可杀死 50%的微生物,其中小型(1 ~ 2 mm)藤壶将被全部杀死,而大型藤壶有存活下来的可能。但经过长时间的海水冲刷,热交换机或冷却器管道将被彻底清洁 。


4)超声波防污

 

澳大利亚皇家海军对超声波防污方法进行了试验 [9] 。


将超声波发生器装在钛合金热交换器和管道的外部,并通过转换器将超声波的电能转换为液压振动,在液体中产生亿万个微小的气泡,使海水中的微生物难以靠近管道表面,无法附着。同时使海水升温,产生扩张及压缩,形成空化效应,使管道表面、内部及缝隙中的附着物迅速脱落,从而达到清除管道内附着物的目的。


澳大利亚皇家海军还对商用产品“Sonoxide”超声波水处理系统进行研究。该系统通过将空气引入超声波室来制造大量的微气泡,提高了低功率和高频超声波的性能。虽然 Sonoxide 系统性能优异,但初期安装费用较高。


5)高分子膜防污

 

美国海军水面作战中心卡迪洛克分部对用于钛合金表面的一种新型高分子仿生防污膜进行试验研究 。


仿生高分子防污膜的为 mPEG-DOPA x (聚乙二醇—多巴 [4] )高分子膜,其中 DOPA 为胶黏剂,作用是将高分子粘附在材料表面,而聚乙二醇则起到防污作用。


试验证明该高分子仿生防污膜具有良好的抗污性。另外,该实验还发现,将 DOPA 从 1 增加到 3,不仅可以增强高分子膜的粘结性能还可以增强高分子膜的防污能力。


4 结 语

 

以美国、俄罗斯为主的国外海军已经在耐压壳体(潜艇和深潜器)、管路系统、动力系统装置等方面成熟应用了钛合金,解决了焊接工艺、电偶腐蚀、生物防污等应用的关键技术;同时对相关关键技术的深入研究仍在开展,以更好地解决钛合金应用于舰船的经济性问题等。

为什么退役军舰不回收炼钢,却任由自然腐蚀?

 

1.jpg

 

首先要澄清一件事,即俄罗斯退役军舰并非随意停放而是一种有组织封存。封存军舰是前苏联海军一项传统,后来为俄罗斯所继承,这主要因为前苏联海军早期非常落后,军舰太少,退役军舰可以拆卸武器留下舰体等合适机会再次改装,所以前苏联时代起就很少像欧洲国家那般将退役军舰完全拆解报废。


2.JPG

 

此外,军舰拆解实际上成本很高而且非常浪费,世界上有能力做到退役即拆解的国家也只有英美等少数海军大国。然而,时至今日,许多介绍俄罗斯海军现状资料经常展示俄海军大批退役军舰停泊于北极海域被自然腐蚀照片。


3.JPG

 

这种情况是由特殊历史原因造成,实际上那些停泊地并非无人管理的荒芜海域而是前苏联时期修建的退役舰艇停泊港,可是,由于苏联解体造成国际经济严重衰退,俄罗斯军费连年缩减,武器维修保养都颇成问题更毋庸提去妥善管理这些退役军舰,这也是我们今天看到这些军舰正被自然侵蚀主要原因。


4.JPG

 

此外,前苏联时期海军舰艇退役有严格周期制度,所以停泊港口容量一直处于正常状态。然而苏联解体后,俄罗斯无力维持如此庞大海军力量,被迫将数千艘大小军舰直接退役,其中很多军舰尚处于服役最佳年限或刚服役。


5.JPG

 

这造成俄海军实力迅速衰退同时也给退役军舰停泊港带来巨大压力,因为他们的承载量根本不足以短期内接纳如此庞大数量退役军舰,再加上经费短缺及里面有很多维护非常麻烦的先进且崭新甚至武器都未曾卸载的军舰,退役军舰妥善维护基本成为一种奢望。


6.JPG

 

无奈之下,俄罗斯政府只能将这些军舰大量停放于北冰洋沿海特殊港口任由自然腐蚀,其中甚至包括曾经世界最大弹道导弹核潜艇“台风”级。因为这样不仅节约维护或拆解经费,还能避免武器出现意外造成伤亡。

服役条件严苛且周期长,核潜艇外壳用钢可不简单

 

钢铁,作为全世界年消耗量超过25亿吨的基本材料,被称为“工业的骨骼”,研发高性能的特殊钢材对于国防和国家建设有着非比寻常的意义。今天我们就来聊聊其中的核潜艇外壳用钢问题。


(一)核潜艇外壳用钢是怎样的存在?


世界上的潜艇大致可以分为单壳体潜艇和双壳体潜艇两类。


顾名思义,单壳体的艇体直接由耐压壳体构成,在耐压壳体外没有其他包覆壳,耐压艇体直接裸露在外;而双壳体潜艇除去内部的耐压壳外,外部还包覆一层非耐压壳。所谓“好钢用在刀刃上”,通常我们所讨论的高强度潜艇耐压钢都用在耐压壳上。


那么,单壳体和双壳体结构各有什么技术特点呢?


1.jpg

 

与双壳体相比,单壳体结构因为少了一层外壳,也没有了双壳体潜艇复杂的舷侧空间结构,所以结构相对简单,在工程量上要比双壳体结构少。


就单纯的工程角度而论,采用单壳结构有利于减少建造时间,扩大建造产量,降低单艇建造成本。


除此以外,与同样条件下的双壳体潜艇相比,单壳体潜艇的体积较小,容积和湿面积也较小,单壳体的湿表面积就是潜艇表面积,因此不增加阻力。而其他的壳体结构,或多或少都会增加潜艇与水接触的表面积,而与水接触的面积越多,受到的阻力就越大。因为具备最小的湿表面积,单壳体潜艇水下快速性也在所有结构中最优秀,是其他结构所不可比拟的。


而双壳体潜艇在耐压壳外新包覆了一层轻质的外壳(通常情况下直径要增加1.5-2米),虽然具备了更多的储备浮力,但也让湿表面积大大增加,因此所增加的阻力也是所有壳体结构里最多的。


不过,由于增加了一层外壳体,整个潜艇便多了一层保护壳,在作战时,由于外壳的保护,以及两层艇体之间结构的支撑和多出的空间,鱼雷爆炸时真正威胁到耐压壳内部的损伤也要低得多。因此,双壳体潜艇的生命力在所有壳体结构中是最优秀的。


2.JPG

(“台风”级核潜艇是人类历史上最大的潜艇,为双壳体结构)

 

一般来说,耐压壳体所需要用到的钢材都极为强韧,同时也意味着很难加工。总体而言,单壳体和双壳体各有侧重,需要根据潜艇任务需求和技术水平来取舍。


双壳体潜艇的外壳不需要承担耐压任务,可以根据潜艇最佳的外形设计需要来加工,而内部的耐压艇体则可以根据施工难度最小、最经济的形状来加工,既降低了建造难度,也控制了施工风险。


对于工业能力较弱的国家来说,双壳体降低了工程建造上的门槛,而对于材料、加工能力较强的国家来说,单壳体可以同时满足耐压和良好流线型的需求,进一步提升潜艇性能。


据称中国的新一代095和096核潜艇将使用单壳体结构,这也就意味着对潜艇外壳材料的性能和可加工性提出了更高要求。


(二)最好的钢材用于制造核潜艇耐压壳

 

由于核潜艇常年潜入深海中巡逻,服役条件苛刻,使用周期很长,可以说是要求最苛刻的钢材了。除了需要满足潜艇本身的性能要求外,考虑到工程的性价比因素,这种钢材的加工成本和难度也不能过高。


核潜艇用钢需要在以下几个方面拥有较好的性能:


(1)高屈服强度。


为提高潜艇的各项战术性能,必须尽可能增加潜艇的下潜深度。同时,潜艇下潜深度越大,深水对潜艇耐压壳体的压力也越大。增加耐压壳体钢板的厚度,虽然可承受更大的压力,但这将导致潜艇的重量增加。所以,提高钢的屈服强度是根本的办法。


钢的屈服强度越高,耐压壳体重量就越轻,下潜的深度越深,潜艇的隐蔽性就越好,能够显著提高潜艇战术性能。


(2)高韧性。


全球海洋的海水温差极大,温度的波动为零下34到零上49摄氏度,在这个温度范围内,潜艇钢必须具有良好的韧性。


潜艇钢材的韧性要求比一般的工程结构要严格得多,特别是在潜艇表面遭受攻击并产生较大的变形时,也不允许轻易产生破损,因此还要求有良好的抗爆性能。


(3)良好的可加工性。


整个潜艇是一个大型的焊接结构,焊接是潜艇建造的主体工艺,潜艇整体表面要尽量保持相同的性能,这是一个相当严格的要求。


焊接过程是金属重新熔化、重新凝固的过程,它与一体化制造的母材是完全不同的,二者有较大差异。但是要求潜艇钢材必须具有好的焊接性能才能满足潜艇建造和使用的技术要求,否则会产生安全隐患。


(4)良好的耐海水腐蚀性。


海水是一种复杂的多种盐类的平衡溶液,在长久的使用周期中,潜艇用钢材必须在海水中均匀腐蚀小,在焊缝附近不产生局部腐蚀。


(5)抗疲劳性能。


潜艇在平时需要经常下潜或上浮,潜艇耐压壳体用钢要承受反复的压力循环,这会缩短潜艇耐压壳体用钢的使用寿命,因此,对于潜艇耐压壳来说,材料的抗疲劳性必须强。


(三)“超级钢”让中国核潜艇质量提升成为可能

 

去年,中国对外宣布,已成功完成了“超级钢”的研制并开始小规模工业化量产,这一最新科技成果随即登上了全球顶级学术期刊《科学》。


据悉,这种“超级钢”拥有2200兆帕的屈服强度和16%的均匀延伸率,屈服强度是其他全球同类产品的两倍。同时,“超级钢”的密度还比普通钢材低30%,意味着这款钢材的综合性能极佳,在军工产品制造上前景广阔,可能已经首先应用于中国即将开始量产的095以及096核潜艇。


我们知道,材料在硬度和延展性上属于鱼与熊掌不可兼得的关系,硬度越大的材料意味着其延展性极大受限,这给材料的再加工带来了极大的困难,比如大家熟悉的陶瓷以及钛合金。


因此研发一种即有硬度又有良好延展性的材料一直是各国武器装备特别是核潜艇建造的关键点。


而这次“超级钢”的诞生,则意味着中国在强度、韧性、可加工性、耐海水腐蚀性、耐疲劳性等方面要求最高的潜艇耐压壳体钢材上,终于拥有了达到甚至超过世界先进水平的国产钢材。


3.JPG

(中国“超级钢”研究取得巨大突破)

 

反映在直观的数据上,中国的新型潜艇在使用“超级钢”之后,潜水深度比起上一代至少可以增加50%,这意味着潜艇的下潜深度可以达到900米。艇体重量更轻,速度也会增加不少,这使得水下的作战深度、广度和空间被大大拓宽了。


在绝大多数情况下,目前在役的鱼雷根本无法做到有效攻击900米深度的目标,而深水炸弹虽然在理论上可以做到,但其下降的速度非常慢,不要说比得上攻击核潜艇,甚至连高速航行的AIP潜艇都无法追上。


水下作战的深度类似于空战中的高度,一旦中国具备“上视上射”的潜艇能够掌握深度(相当于战机“下视下射”),就可以在作战中拥有绝对的主动权,逐个猎杀敌方的海军力量。


目前,中国是世界上唯一一个可以量产“超级钢”的国家,由于项目刚起步,且需要经历一个“产能爬坡”的阶段,这些“超级钢”将优先供给国防工业制造先进的装备,它为中国下一代主战装备的钢材问题的解决提供了一种新的可能性。


不过,需要指出的是,像“超级钢”这种屈服强度下的钢材,在建造核潜艇的时候焊接会成为一个极大的难题,加之其韧性和耐腐蚀性还是一个未知数,因此,能否成功应用到核潜艇这种长期在恶劣环境中工作的领域,目前还是一个未知数。


结语

 

以“超级钢”为代表的一批“超材料”的诞生,使得人类的应用材料技术向前推移了一大步,通过排列组合和深层研发,一定能够以新设计、新工艺、新材料创造出更伟大的产品,走进千家万户的生活中。

免责声明:本网站所转载的文字、图片与视频资料版权归原创作者所有,如果涉及侵权,请第一时间联系本网删除。