航母设计选材及腐蚀控制需求

朱英富，孙九霄，杨雄辉，高新华

(中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430063)

1 前 言

航母作为人类有史以来最大的军事装备，是一项复杂的巨系统工程，所使用的材料种类繁多，工作环境复杂。航母用材料既包括金属材料，也包含大量的非金属材料，从使用功能上分为船体结构材料、管系材料、覆盖覆层及涂层材料、阻尼及减震降噪材料等。航母用材种类多、品种规格复杂，不同种类和规格的金属材料、非金属材料总计达几千种。

材料的性能水平高低很大程度上影响各个系统的功能，进而决定了航母的性能水平。作为最重要的基础平台，各种材料能否在超过40年的服役期内保持优良的性能，决定了航母的生命力以及技战术水平，因此在航母设计时，选材极为重要。选材既要保证材料的安全可靠，满足航母各部位使用要求，又要综合考虑材料经济性、稳定性、维修性、耐久性等众多因素。

在诸多影响材料长期性能的因素中，腐蚀对材料的耐久性影响最大。对于航母来说，腐蚀控制是一个复杂的系统工程。为解决这一问题，必须立足于航母的总体设计要求和规划，从系统设计、设备设计和制造、施工建造等各方面进行充分考虑，严格控制制造、建造全过程中的施工工艺，同时在后续使用、维修和管理等方面严格规范，才能较好地解决腐蚀的防护和控制问题。

2 航母服役环境特点

航母要在多种苛刻环境下工作，其环境特点如下：

风高浪大，海况险恶航母要在全球无限海区航行，须适应高海况环境。以9级海况为例，风速超过32 m/s，浪高超过14 m。在此环境下，船体结构承受大的应力，对船体材料(包括焊缝)的综合性能要求甚高。

海洋环境温差大、高湿、干湿交替、高盐雾航母工作在高温(或高寒)、高湿、高盐雾环境中，其中正常工作温度低至-30 ℃，高至70 ℃，湿度最大可达100%，同时还有包括强太阳辐射、霉菌、盐雾、浸渍、干湿交替等环境因素作用，这些因素加速了材料(尤其是非金属材料)的老化、腐蚀进程。

腐蚀介质种类多，水、液、气、海生物共同作用船体外部腐蚀介质包括海浪飞溅冲击、海水冲刷、泥沙、油污；船体内部腐蚀介质包括压载海水、污水、燃油、润滑油、液压油、污油、蒸汽、高温烟气、高压空气、氮气、氧气、酸、碱、辐照等。同时，海水的电化学腐蚀和海洋生物的附着污损，一直是危及舰船安全性的两大因素，船舰受不同介质腐蚀的照片见图1。

图1 船舰受不同介质腐蚀的宏观照片:(a)海水腐蚀，(b)电化学腐蚀，(c)海洋生物附着污损Fig.1 Macrographs of warships corroded by several different corrosion mediums:(a)seawater corrosion,(b)electrochemistry corrosion and (c)attachment defile by halobios

冲击振动环境，多种载荷共同作用包括海浪砰击、舰载机作业产生的瞬态冲击、以及各种机械设备运转产生长期交变载荷等对航母造成的各种冲击。

3 航母设计选材原则

航母选材时优先选用成熟材料，通常应遵照以下几项基本原则： ①所选材料必须符合现行标准，应经过定型鉴定并经海军订货部门或其委托验收单位的批准。②所选材料的力学性能、物理性能以及规格应符合产品的战术、技术性能要求。对有特殊要求者，除常规力学性能外，所选材料还应满足相应特定的性能要求，如阻尼性能、防弹性能、防磁性能、透声性能、吸波性能、抗辐照性能、耐光辐射性能、高温性能、低温性能等，并应使结构重量尽可能小。③所选材料必须品种规格及配套材料齐全。尽可能采用通用化程度高的材料，简化材料的种类、牌号、品种和规格；所使用的材料必须可靠性、稳定性、安全性、工艺性、适修性、经济性好。④积极推广应用新材料。在确保材料各项性能得到检测验证且满足使用需求的前提下，选材时积极应用新材料，提高舰船用材性能指标。

除上述通用选材原则外，几种常用航母材料还有特殊的要求。

3.1 船体材料选材原则

目前，各海军强国均建立了较完整的结构钢体系，并依据舰船发展需求仍在不断研发、完善、提高[1-3]。美国海军于2007～2010年开展了“HSLA-115高性能钢的评价和实施第Ⅱ阶段”项目的研究，对HSLA钢在CVN78航母上的应用进行验证[4-5]。复合材料等船体结构新型材料越来越受到各海军强国的高度重视[6-9]。

船体结构材料研发、考核环节众多，周期较长，其材料必须经过以下3个阶段才能确定能否应用于实际型号产品：①材料研制阶段。根据总体设计需要的材料性能要求，开展材料成分及工艺路线设计、工业试制、综合性能评价等，并制定生产技术规程。②应用研究阶段。对材料各项应用性能进行研究，分析材料研制中存在的问题，同时对新材料作出确切评价，为型号设计选材提供技术支撑。对用量最大的结构用钢材，确定钢及配套材料的成分及工艺路线，制订材料的供货验收技术条件，满足生产与供货，并制订钢的冷热加工及焊接工艺。③模型考核阶段。选取实船典型结构进行模拟建造及解剖实验，并选择在冬季等恶劣环境下施工，全方位考核材料的各项性能，考核所制定工艺的正确性与可操作性，形成完整技术文件，完成新材料性能考核及工艺验证，从而确定其能否用于型号产品。图2所示为船体结构用钢板及球扁钢。

图2 船体结构用钢材的照片：(a)钢板，(b)球扁钢Fig.2 Photos of steel in hull structure：(a)steel plate and(b)bulb bar

航母船体结构材料在选材时除满足上述通用选材要求外，还应当要求材料具有优良的耐腐蚀性能、焊接性能、冷/热加工性能、低温韧性水平、抗爆抗冲击水平。

3.2 管路及附件材料选材原则

航母的动力、保障系统中大部分由设备和管路构成。管路由管子、阀件和附件组成。管子、阀件及附件材料选材要根据管内介质的种类、性质、压力和温度等使用条件，并结合管路的安装位置、安装环境和敷设方式等多项因素，进行经济性分析后选取，除通用选材要求外应遵照以下几项基本原则：①所选管子、阀件及附件材料的设计压力、设计温度、流体介质特性等性能应符合系统的技术性能要求；②同一系统的阀件和管路附件材料应与管材相匹配，同一系统尽可能减少管系材料、阀件和管路附件的种类；③海水管系中阀件和管路附件材料电位高于管材(大阳极小阴极)。

3.3 非金属材料选材原则

非金属材料的选用主要考虑功能性，即防火、隔热、装饰、吸波、阻尼、吸声等等，同时满足各使用环境的腐蚀、高低温、冲击、振动、磨损及相应的介质条件，其次是安全性，即满足舰船规定的毒性、烟密度、阻燃性或低播焰性等性能。另外必须兼顾配套性、可靠性、稳定性、工艺性、适修性、经济性。

航母飞行甲板涂料需具有好的防腐性能，摩擦系数满足飞机作业要求，耐高温高速气流冲击、耐磨损，具有较好的施工性和修补性[10]。使用寿命不小于3 a，能承受飞机起降1万架次轮胎冲击。防腐防污涂料需具有良好的配套性和施工性，分别满足各部位腐蚀环境，其防腐、防污期效满足规定的等级修理周期要求。

4 航母材料腐蚀防护及控制特点

航母巨系统工程所使用的各种材料(包括金属和非金属材料)的腐蚀防护和控制，因航母结构的复杂性而导致其工艺技术的高难度。

4.1 腐蚀环境多样，防护要求高，防腐设计难度大

航母在全球范围航行，各海域腐蚀介质多样，环境作用苛刻；船体内部腐蚀介质复杂[11-14]。航母使用寿命长达40～50 a，为保证其安全使用，对腐蚀防护提出了更高的要求，舰船上许多材料传统可实施的腐蚀防护技术面临瓶颈。

4.2 系统组成复杂，设备数量多，腐蚀故障影响大

航母由船体结构、船舶装置、动力、电力、船舶保障、航空保障、作战等多个一级系统和几十个二级系统组成，设备数量达数十万件。腐蚀严重的海水管系就有主机海水冷却系统管系、电站海水冷却系统管系、水灭火系统管系、日用海水冷却系统管系、舱底疏水系统管系等。

我国水面舰船装备故障大部分是由腐蚀引起，而航母由于系统组成复杂，多个系统中的电子电气设备可能因腐蚀环境恶劣而降低可靠性，一个系统的腐蚀故障有可能影响作战使用甚至波及全舰功能的发挥，后果影响重大。

4.3 舱室结构复杂，防腐施工空间小，修理难度大

因航母结构极其复杂致使腐蚀防护与控制异常繁杂和困难，这是因为：①航母主甲板下有十几层，几千个舱室，由于各种系统交错布置，底部舱室结构异常复杂，施工空间狭小；②由于系统复杂，大量设备要在分段合拢后安装，分段上涂装的涂料需要在后期进行大量的修补，严重影响涂料的防护效果；③机舱、电站、冷站、泵舱的舱底部位腐蚀环境苛刻，但由于设备管路布置紧凑，且在底部区域施工困难，一旦出现腐蚀，修理难度大。

5 航母材料腐蚀防护与控制的建议及对策

美国拥有最先进的航母腐蚀控制技术，我国在这方面刚刚起步。为我国航母事业的建设和实现跨越式发展，提出以下建议和对策。

对航母腐蚀控制工艺技术进行深入研究①结合航母内、外部腐蚀环境和各系统材料特性和运行条件，对重点部位诱发腐蚀的内因、外因进行全面分析和必要的试验，掌握主要腐蚀因素及其变化规律；②加强材料在使用环境下的腐蚀特性研究，结合前期水面舰船的腐蚀情况，检查和清理出现的新问题，重点开展多因素环境条件下的材料腐蚀规律研究、多材料耦合条件下的异种金属电化学腐蚀行为研究、航母海水管系污损及腐蚀机理研究。

开展防腐技术顶层规划①立足于航母特点，从使用需求出发，进行顶层规划，构建航母腐蚀防护控制体系。②按解决当前急需、突破型号研制瓶颈、形成未来技术储备进行分类，分阶段从总体设计、施工控制、仿真计算、试验验证、监测[15]与评估、材料研制等方面全方位进行防腐专项技术规划，全面提高腐蚀控制技术水平。

开展航母腐蚀控制技术方案研究①根据航母寿命剖面及使用需求，研究并提出腐蚀防护设计、建造、管理的定量和定性要求；②根据航母材料腐蚀环境和特性，研究各种腐蚀控制技术的适用性及效果，明确从设计到修理各阶段的腐蚀控制应对措施。

编制航母材料腐蚀控制指南及相关管理文件①编制航母腐蚀控制设计、建造、维护修理指南，以及舰载设备腐蚀控制指南，指导各系统设计师、制造工程师、维修工程师、舰员开展腐蚀控制工作；②编制并下发相关管理文件，落实航母材料腐蚀控制指南的实施、验收和检查。

6 结 语

我国目前材料腐蚀控制技术体系还不完善，主要体现在：①相关规范和标准不够，顶层定性规定较多，在执行时存在一定的随意性；②基础研究不足，信息跟踪、收集、发布机制不够健全，缺少足够的腐蚀控制数据；③缺乏完备的腐蚀控制组织机构来统筹防腐研究工作，构建完善的腐蚀控制技术体系。

当前，腐蚀控制设计主要按照规范以经验设计为主[16]，缺乏定量的评估和检验方法；阴极保护设计缺少定量仿真。对腐蚀控制设计的效果评审缺少系统、定量的评估。必须尽快实现从经验设计、经验管理到仿真计算、试验验证、在线监测、定量评估、科学管理的转变。

虽然我国研制了多种型号的舰船结构钢、管路合金材料、密封材料、防腐涂料，但整体有效服役寿命与航母的要求还有较大差距。因此，要加大新材料的研发力度，提高结构材料、管路材料的防腐性能；研发长效防腐防污涂料、高性能飞行甲板涂料；加强海水系统腐蚀、污损规律及控制技术研究；全面提高材料腐蚀、老化机制评价手段及匹配设计技术。

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