船用新型铜合金阀门的开发与应用

张 程，黄 勇，郭 宁

（1.中国核工业二三建设有限公司，北京 101300；2.中国船舶集团有限公司第七二五研究所，河南 洛阳 471000）

21 世纪被称为海洋的世纪，海洋拥有广阔的空间和丰富的资源，海洋层面的竞争已成为世界军事和经济竞争的重要领域，同时人类和社会的生存和发展也会越来越依赖海洋。因此，为把我国建设成为海洋强国，必须要大力发展船舶与海洋工程装备。材料是船舶研制和发展的最基础环节，材料的研制与选用对船舶行业发展起着重要的影响。舰船的管路系统包括燃油管系、蒸汽管系、循环水管系和冷却水管系、各种水泵等。在舰船管路系统中，阀门是必不可少的零部件，阀门可接通或者截断管路介质的流通，改变介质流通的方向、压力和流量，达到保护管路和维持设备的正常运行的作用。阀门材质的选择也至关重要，需要综合考虑安全可靠性，工艺可靠性和操作、安装、维修便利性和经济性4 个方面的因素。合理选用阀用铜合金对于保证船用阀门的可靠性有着重要的作用。铜合金具有良好的耐海水腐蚀性能、机加工特性以及较高的强度，此外还有良好的耐菌性，其在船用阀门及零部件上应用广泛。

本文以铜合金材料的基本属性为基础，简要介绍铜及铜合金的性能，同时结合船用阀门的特性和现状，介绍铜合金阀门在舰船上的选材与应用情况，介绍新型铜合金阀门的开发情况，分析其应用前景，旨在为铜合金阀门的选材提出参考并进一步推广新型铜合金阀门在舰船上的应用。

1 铜合金基本属性

铜合金具有优异的导电、导热、抗磁、耐蚀和抑菌等特性，同时还具备良好的加工成形、切削、密封等机械性能和力学力学性能。此外，船用阀门铜合金还具备经济、实用等优点，因此铜合金被广泛应用于船用阀门及零部件上。下面重点介绍铜合金适合用于穿用阀门的的几个特性。

1）耐腐蚀。铜和铜合金具有良好的耐腐蚀性能，在大气、淡水和冷凝水中具有良好的耐腐蚀性能。铜合金耐海水腐蚀性能好，一是由于铜的热力学稳定性高，二是铜合金表面直接形成了氧化亚铜保护薄膜，腐蚀产物往往沉积在这层薄膜上起到保护作用。纯铜具有面心立方结构，无同素异构转变。黄铜的耐蚀性与纯铜相近，在大气和淡水中是比较稳定的。在海水中耐蚀性稍差，容易脱锌和季裂。青铜包括锡青铜及铝青铜等，其中锡青铜在大气、海水及低浓度碱性溶液中耐腐蚀性能极高，应用于航海事业；锡青铜铸件收缩率小，具有优良的耐磨性和耐蚀性，可浇注成形状复杂、壁厚变化大的零件，广泛应用于船用阀门。铝青铜的强度、硬度、耐磨性和耐蚀性均超过锡青铜和黄铜，铸造性能良好，但其切削性能、焊接性能较差。QAl9-2、QAl9-4 由于在铜铝基础上又添加了Fe、Mn、Ni 等元素，使得合金的强度、耐磨性及耐蚀性均显著提高，可用来制造在复杂条件下工作的高强度耐磨零部件，如阀门用的齿轮、轴套、螺母和蜗杆等。

2）耐磨性。铜合金具有良好的耐磨性能，塑性好，加工性能好。

3）抑菌性。微生物腐蚀是造成海水管系腐蚀的重要原因，腐蚀的微生物主要有硫酸盐还原菌、产粘泥菌、产酸菌和产氨菌。铜合金具备防海生物生长和附着的性能，增加了船壳的平滑性，减少人工维护成本。铜合金表面形成了对生物有毒的氧化亚铜腐蚀产物膜，起到了防污的作用。控制船舶海水管系统微生物腐蚀的最有效办法是定期投加杀菌剂、缓蚀剂和粘泥剥离剂。

4）加工成形工艺性能好。铜合金具备优异的机加工性能，融入不同元素后其性能可能到明显提升，强度提高；此外，铜合金可进行熔铸、热挤压、轧管和拉拔等工艺。

5）经济适用性。铜经过合金化后组织结构发生改变，材料性能得到明显提升，铜合金的强度明显提高，形成各种牌号的铜合金，有效满足船用阀门的材质要求。同时铜合金的加工工艺都属于成熟的流程化工艺，生产成本低，制造质量好。

2 船用阀门的特点与现状

2.1 船用阀门特点

舰船特殊的工作环境使得船用阀门与普通阀门有所不同，形成一个独立的体系。在外形、重量、材料等方面都体现出船用阀门与普通阀门的不同之处。

船用阀门与普通阀门的工作原理相同，但由于船用阀门使用环境的不同，相比普通阀门，其质量要求往往较高[1]。船用阀门要适合海上环境的要求，尤其对于军用舰船而言，其使用的阀门要具备耐腐蚀、抗冲击、耐震动、高可靠性的性能。民用船舶阀门必须符合国际标准ISO9002 的相关标准，军用舰船则需要满足各种军用标准的要求。军用舰船阀门往往要经过多重测试，比如液压试验、气密性试验、疲劳寿命试验、功能试验、震动试验和扭矩试验等。民用船舶的阀门需要各国船级社的质量证书，军用舰船的阀门则需要本国国防部门质量保证委员会的证书。舰船上的空间有限，对阀门的重量、体积都要较严格的要求。此外，船用阀门的可靠性要求较高，要求维修简便省时。船用阀门质量不过关会影响舰船在航率，增加维修成本和维修时间，军用舰船甚至会贻误战机危及舰船人员生命安全。

2.2 船用阀门现状

新中国成立以来，我国的船用阀门技术得到了明显提升。一方面通过消化吸收苏联方面的船用阀门技术，制定相关的配套设施与标准；另一方面自力更生，研究船用阀门相关技术。自1965 年我国发布第一批船用阀门国家标准以后，经过数代人的努力，我国目前阀门规格种类和船用阀门标准基本齐全，已经基本满足我国的造船工业的需要。

每艘舰船都需要上千台不同的阀门。在舰船上，闸阀、截止阀、蝶阀、球阀、止回阀、安全阀、流量调节阀和通海阀等阀门均有广泛应用。船用阀门的材料主要包括铸铁、合金钢、铜合金、铝合金、钛合金和不锈钢等，适用介质包括淡水、海水、空气、蒸汽、燃油和润滑油等。最高使用压力可达到600 MPa，最高使用温度可达到650 ℃（本体）、1 200 ℃（耐火材料衬里），最低使用温度可达到-196 ℃，最大公称通径可达到5 350 mm。阀门的性能优劣直接影响舰船的系统和总体性能。

3 船用铜合金阀门选材与应用

铜及铜合金具有优异的导电、导热、抗磁、耐腐蚀和抑菌等特性，同时还具备良好的加工成形、切削、密封等机械性能和力学力学性能，此外船用阀门铜合金还具备经济、实用等优点；因此铜合金被广泛应用于船用阀门及零部件上[2]。铜合金阀门在舰船上的应用关键在于其腐蚀性。由于铜的热力学稳定性高，铜合金表面直接形成了氧化亚铜保护薄膜，腐蚀产物往往沉积在这层薄膜上起到保护作用。海水和海水中的雾气会对铜合金造成较严重的化学腐蚀。铜合金材料在接触海水或者海水盐雾一段时间后，阀门上的阀座、阀瓣会被腐蚀导致泄露，此外海生物也会对阀门造成腐蚀。阀门腐蚀、破坏原因主要有以下2 种类型：一是冲刷腐蚀，阀体流速较高时会形成紊流，使阀体遭受严重的冲刷腐蚀；二是电偶腐蚀，阀体、阀座和阀杆及管道用的材料往往不一样，在海水介质中工作时，会产生较为严重的电偶腐蚀。电偶腐蚀不仅会加速阳极构件的腐蚀破坏，还可诱发点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀等更为危险的腐蚀破坏。因此，船用阀门及其零部件的材质选择至关重要。

针对铜合金的特点，满足经济实用型的要求，可选择不同种类的铜合金制造阀门及其零部件。表1 列举出典型铜合金阀门中部分零部件材料的选用情况，目前而言，较普遍的铜合金材料选用阀门主体材料为铸锡青铜，阀瓣为铸铝青铜，阀杆为铝青铜。

4 船用新型铜合金阀门开发

由于铜合金良好的物理性能和工艺性能，铜合金在船用阀门行业得到了广泛应用。与此同时，老标准的船用铜合金阀门耐蚀性差、寿命短，不能完全满足船舶的使用要求。

近年来，随着舰船自动化程度的不断提高，我国开发设计出许多船用新型铜合金阀门，船用新型铜合金阀门在材料、结构和工艺方面均有不同程度的创新，满足了舰船对铜合金阀门的要求，同时研制的新产品中还有不少具备推广价值。

在材料方面，Cu-Ni 合金由于良好的耐海水腐蚀性能、机加工特性及良好的导热导电性能，被广泛应用于船舶的海水管系如冷凝器、海水管路、热交换器等。洛阳船舶材料研究所在管路主体材料为Cu-Ni 合金的基础上，开发出一种新型Cu-Ni-Al 合金，该新型Cu-Ni-Al 合金阀门的电位与B10 等常用海水管系材料接近，可有效避免电偶腐蚀。

在设计方面，洛阳船舶材料研究所在舰船材料方面具备强大的设计能力，针对传统铜合金阀门耐蚀性差，寿命短等缺陷，积极投入到船用新型铜合金阀门的开发与应用。其阀门技术人员采用有限元分析的方法协同工程理念与手段设计开发船用新型铜合金阀门，实现CAD/CAPP/CAM 一体化，采用仿真模拟设计与优化，缩短设计工期，提高产品质量，同时有效降低开发成本。如图1 所示，通过仿真分析可明确得到通海阀的应力分析，通过参数化设计和反复比对，最终得到最优参数，明显缩短产品研发周期，提高产品可靠性。

图1 通海阀应力分析

下面就具体的新研发的船用新型铜合金阀门进行说明。洛阳船舶材料研究所研究的船用新型铜合金低噪声舷侧通海阀，结构上采用内旁通均压结构，可双向承压，有效降低启闭力矩，相比现在通海阀可启闭力矩可降低80%，有效延长使用寿命，预计寿命达到30 年。通过流道优化设计（图2、图3），可有效降低流阻与噪声，数据显示新型通海阀相比之前通海阀流阻可降低18%，流体噪声可降低7%。阀门采用先进的表面硬化、绝缘、防污处理，明显增加可靠性；此外，其小型化和轻量化的设计让新型铜合金阀门具备良好的安装空间匹配性。

图2 全开状态下的压力分布云图（正向）

图3 全开状态下的速度分布云图（正向）

5 船用新型铜合金阀门前景分析

铜合金在船用阀门行业得到了广泛应用，但我国船用铜合金阀门和国外先进国家相比还存在很大差距。具体表现在耐蚀性差、寿命短，不能完全满足船舶的使用要求。此外，船用铜合金阀门的制造成品率还有待提高。目前，各海洋强国均重视舰船用高性能铜合金的研发与应用，着重关注铜合金的理化性能、经济性和配套性，时刻关注铜合金的发展趋势，强化铜合金的基础研究工作。鉴于此，我国更应该迎头改进，做好铜合金的技术研究，可重点从以下几方面着手。

1）高寿命、耐蚀性好的铜合金产品研发。

2）铜合金低成本技术研究。

3）铜合金高强度、优良焊接工艺技术研究。

4）产品成分精确化控制技术。