水面舰船钛合金海水管路标准体系研究

2020-06-15马维良盛伟群

船舶标准化工程师 2020年3期

马维良，李佳，盛伟群

（上海船舶设备研究所，上海 200031）

0 引言

海水管路系统是水面舰船中的重要系统，分布于舰船各个部位，服务于消防、抗沉、日用及重要设备冷却水等系统。水面舰船海水管路系统主要分为日用海水系统、消防系统、水幕系统、海水冷却系统等，涉及到舰船的生命力、安全性及可靠性等多方面，其用量大、分布广、维修保养复杂，在舰船中处于十分重要的地位[1]。钛合金管作为海水系统的管材，具有耐腐蚀、重量轻等优点。目前钛合金管一次性投入成本与铜镍合金管（B10）基本相当。而钛合金管路能够实现全寿期服役，维修成本大幅度降低，符合未来舰船装备对轻质、耐蚀、长寿命钛合金材料的应用需求。

水面舰船钛合金海水管路设计是一个系统工程，不仅涉及到优质管路材料的选用，还与管路设计、加工制造、检测试验等密切相关。目前，国内钛合金材料的应用水平还处于分散、零星的状态，尚未形成总体设计、材料研究、产品设计、生产制造之间的有效协调合作机制，管路系统设计方法还需长期试验数据支撑，与管路相关的管路附件、海水泵、阀门等配套标准规范比较缺乏。为更好地保障和指导水面舰船海水管路设计，固化研究成果，在分析船用钛合金标准现状的基础上，开展水面舰船钛合金海水管路标准体系研究，并提出钛合金海水管路系列标准需求清单。

1 船用钛合金标准现状分析

我国船用钛合金工业起步于20世纪60年代，经过几十年的发展，其研究、制造水平有了很大的提高，并初步形成了自己的船用钛合金体系，且已能生产板、管、棒、饼、环、丝和铸件等多种形式产品，能满足不同强度级别和不同部位的要求。主要船用钛合金牌号有：Ti31、TA5、Ti75、Ti80、Ti-6AI-3Nb-1Mo合金等，能满足水面舰艇、潜艇和深潜器的使用需求[2]。我国自上世纪60年代开始研仿俄罗斯3M合金，通过成分优化研制成功国内第一个船用钛合金牌号TA5，用于船舶机械；随后，针对二回路动力系统设备研制了Ti75合金，针对一回路余热排出冷却器研制了高温耐蚀的Ti31合金，针对透声结构研制了透声型Ti70、Ti50合金，针对载人潜器耐压壳体研制了Ti80合金。“十二五”期间研发了舰船高温结构钛合金、耐压部件用高弹性模量钛合金、水下装备用高损伤容限型钛合金等几种新型船用钛合金。通过五十余年的努力，我国已经形成了一套钛合金材料体系，基本能够满足舰船装备的建造需求[3]。

目前，国内船用钛及钛合金材料应用研制过程中经常引用的标准主要涉及国家标准（GB）、国家军用标准（GJB）、船舶行业标准（CB）、航空行业标准（HB）、机械行业标准（JB）、能源行业标准（NB）等6大类。通过收集整理国内现行标准，共梳理分析出142项标准规范，涵盖通用基础、材料、工艺、产品、检测试验等技术领域。如果按属性分类，则包含国家标准93项、国家军用标准9项、船舶行业标准9项、航空行业标准15项、机械行业标准3项、能源行业标准13项，其属性分布如图1所示；如果按类别分类，则包含通用基础标准9项、材料技术标准19项、产品技术标准6项、工艺技术标准17项、检测试验标准84项、其他标准7项，其类型分布如图2所示。

从标准属性来看，现有钛合金相关标准中，民用标准较多，主要涉及材料、工艺和检测的国家标准及行业标准。军用标准相对缺乏，仅有一部分关于材料、板材、铸件、锻件等系列标准。目前看来民用钛合金及配套材料综合性能还达不到军用要求，军用钛合金性能虽然能够满足民船要求，但用于民船建造会大幅提高建造成本，不利于钛合金在舰船上的推广应用。

图1 钛合金相关标准属性分布

图2 钛合金相关标准类型分布

从标准类别来看，目前针对钛合金材料的检测试验类标准较多，基本涵盖材料强度、塑性、冲击韧性等方面的性能评价，但针对钛合金材料上舰应用所涉及的防腐防污设计标准、工艺技术标准及相关产品技术标准（设备、泵、阀、管系附件等）依然比较缺乏，材料技术标准中也仅有尺寸偏差、常规力学性能、化学成分等基本要求，难以满足军船建造要求。

2 标准体系建立原则

2.1 针对性和目标性原则

标准体系的建立服务于水面舰船钛合金海水管路的特殊使用工况，突出标准的目的性和针对性，围绕海水管路系统设计、加工制造、检验验收、维修保障等过程中对钛合金材料的优化选型、防腐防污、焊接工艺等方面提出要求。

2.2 完整性和系统性原则

标准体系的建立涵盖总体设计技术、建造技术、钛合金成品件技术、保障技术，标准制定应尽可能完整、协调、成系统，能够为水面舰船钛合金海水管路设计、制造、试验、保障等各阶段提供依据。

2.3 可行性和急用性原则

标准体系的建立要充分考虑现有钛合金海水管路技术发展水平和上舰应用的实际情况，把标准研制重点放在急需的、对装备使用性能和可靠性有直接影响的专业技术标准和配套产品规范上来。

3 标准体系框架及项目明细表

3.1 标准体系框架

根据标准体系建立原则，结合水面舰船钛合金海水管路系统设计、加工制造、检验验收及维修保障的实际过程，开展标准体系研究，搭建水面舰船钛合金海水管路标准体系框架，详见图 3。体系框架由4层架构组成：第一层为标准体系顶层；第二层为大类，包括总体设计标准、建造技术标准、成品件标准、检测试验标准、保障技术标准共5个大类；第三层为中类，包括流速设计标准、加工工艺标准、设备标准、检测标准等16个中类；第四层为小类，包括离心泵、潜水泵、截止阀、安全阀等19个小类。具体说明如下。

1）总体设计标准主要包括钛合金海水管路系统流速设计、材料优化及选型、综合防腐技术（异种金属电偶腐蚀、非钛管路冲刷腐蚀）、防海生物污损技术、噪声控制设计等标准规范。

2）建造技术标准主要包括钛合金海水管路加工工艺、焊接技术、安装技术等标准规范。

3）成品件标准主要包括钛合金海水管路设备（离心泵、板式换热器、滤器等）、阀件（截止阀、通海阀、安全阀等）、附件（法兰、弯头、三通、异径等）、管路等产品类标准规范。

4）检测试验标准主要包括钛合金海水管路材料性能、焊接性能检测类标准，以及系统验收、系泊航行试验类标准规范。

5）保障技术标准主要包括钛合金海水管路维护、保障、培训类标准规范。

3.2 现有标准明细表

水面舰船钛合金海水管路设计现有标准主要包括管路材料、工艺、检验等，以及辅助上述内容的通用基础、产品及配套件标准，初步梳理出67项标准，包括国家标准（GB）58项、国家军用标准（GJB）5项、船舶行业标准（CB）4项，详见表1。

4 标准需求清单

现有船用钛合金牌号已基本能满足海水管路的用钛要求，但指导钛合金海水管路系统设计的标准规范较少。例如，《舰船通用规范》（GJB 4000—2000）作为舰船设计通用要求，从顶层上提出了管路设计的原则，主要对各种管系采用材料进行了规定，并未明确钛合金管材的应用范围，对钛合金海水管路的设计选型缺乏指导。又如，钛合金管路焊接的工艺评定及验收标准主要参照《钛制焊接容器附录》（JB/T 4745—2002）进行，缺乏管材、配套管件的检测技术要求及钛合金海水管路系统试验、验收的相关标准规范。

根据水面舰船钛合金海水管路标准体系框架，结合装备设计、生产、制造、试验、保障等过程中对标准化工作的需求，在梳理已有相关标准的基础上，形成水面舰船钛合金海水管路系列标准需求清单，如表2所示。

5 下一步工作建议

随着现代舰船使命任务越来越重，装备质量与可靠性要求越来越高，需要建立一套完整的水面舰船钛合金海水管路标准规范，根据水面舰船钛合金海水管路系列标准需求清单，结合装备设计、生产、制造、试验、保障等过程，在梳理已有相关标准的基础上，对后续工作建议如下：

1）加强水面舰船钛合金海水管路标准建设工作，从钛合金海水管路系统的应用实际出发，开展钛合金海水管路标准体系深化研究，不断完善并形成一套全面、切实可行的钛合金海水管路系列标准规范，促进钛合金海水管路在舰船上准确、高效的应用。

2）结合型号研制工作，对影响钛合金海水管路上舰应用的重点标准开展预先研究并形成标准草案，包括《水面舰船钛及钛合金海水管路系统规范》、《水面舰船钛及钛合金海水管路系统防腐防污技术要求》、《水面舰船钛及钛合金海水管路系统加工及焊接技术要求》、《水面舰船钛及钛合金海水管路系统维修保障技术要求》等4项标准。