航母選材設計及腐蝕控制對策
航母作為人類有史以來最大的軍事裝備,是一項復雜的巨系統(tǒng)工程,所使用的材料種類繁多,工作環(huán)境復雜。航母用材料既包括金屬材料,也包含大量的非金屬材料,從使用功能上分為船體結構材料、管系材料、覆蓋覆層及涂層材料、阻尼及減震降噪材料等。航母用材種類多、品種規(guī)格復雜,不同種類和規(guī)格的金屬材料、非金屬材料總計達幾千種。材料的性能水平高低很大程度上影響各個系統(tǒng)的功能,進而決定了航母的性能水平。作為最重要的基礎平臺,各種材料能否在超過 40 年的服役期內(nèi)保持優(yōu)良的性能,決定了航母的生命力以及技戰(zhàn)術水平,因此在航母設計時,選材極為重要。選材既要保證材料的安全可靠,滿足航母各部位使用要求,又要綜合考慮材料經(jīng)濟性、穩(wěn)定性、維修性、耐久性等眾多因素。
在諸多影響材料長期性能的因素中,腐蝕對材料的耐久性影響最大。對于航母來說,腐蝕控制是一個復雜的系統(tǒng)工程。為解決這一問題,必須立足于航母的總體設計要求和規(guī)劃,從系統(tǒng)設計、設備設計和制造、施工建造等各方面進行充分考慮,嚴格控制制造、建造全過程中的施工工藝,同時在后續(xù)使用、維修和管理等方面嚴格規(guī)范,才能較好地解決腐蝕的防護和控制問題。

一、航母服役環(huán)境特點
航母要在多種苛刻環(huán)境下工作,其環(huán)境特點如下:
風高浪大,海況險惡
航母要在全球無限海區(qū)航行,須適應高海況環(huán)境。以 9 級海況為例,風速超過32 m/s,浪高超過14 m。在此環(huán)境下,船體結構承受大的應力,對船體材料(包括焊縫)的綜合性能要求甚高。
海洋環(huán)境溫差大、高濕、干濕交替、高鹽霧
航母工作在高溫(或高寒)、高濕、高鹽霧環(huán)境中,其中正常工作溫度低至 - 30 ℃,高至 70 ℃,濕度最大可達100% ,同時還有包括強太陽輻射、霉菌、鹽霧、浸漬、干濕交替等環(huán)境因素作用,這些因素加速了材料(尤其是非金屬材料)的老化、腐蝕進程。
腐蝕介質(zhì)種類多,水、液、氣、海生物共同作用
船體外部腐蝕介質(zhì)包括海浪飛濺沖擊、海水沖刷、泥沙、油污; 船體內(nèi)部腐蝕介質(zhì)包括壓載海水、污水、燃油、潤滑油、液壓油、污油、蒸汽、高溫煙氣、高壓空氣、氮氣、氧氣、酸、堿、輻照等。同時,海水的電化學腐蝕和海洋生物的附著污損,一直是危及艦船安全性的兩大因素,船艦受不同介質(zhì)腐蝕的照片見圖 1。
沖擊振動環(huán)境,多種載荷共同作用
包括海浪砰擊、艦載機作業(yè)產(chǎn)生的瞬態(tài)沖擊、以及各種機械設備運轉(zhuǎn)產(chǎn)生長期交變載荷等對航母造成的各種沖擊。
二、航母材料腐蝕防護及控制特點
航母巨系統(tǒng)工程所使用的各種材料(包括金屬和非金屬材料)的腐蝕防護和控制,因航母結構的復雜性而導致其工藝技術的高難度。
腐蝕環(huán)境多樣,防護要求高,防腐設計難度大
航母在全球范圍航行,各海域腐蝕介質(zhì)多樣,環(huán)境作用苛刻; 船體內(nèi)部腐蝕介質(zhì)復雜。航母使用壽命長達 40 ~50 年,為保證其安全使用,對腐蝕防護提出了更高的要求,艦船上許多材料傳統(tǒng)可實施的腐蝕防護技術面臨瓶頸。
系統(tǒng)組成復雜,設備數(shù)量多,腐蝕故障影響大
航母由船體結構、船舶裝置、動力、電力、船舶保障、航空保障、作戰(zhàn)等多個一級系統(tǒng)和幾十個二級系統(tǒng)組成,設備數(shù)量達數(shù)十萬件。腐蝕嚴重的海水管系就有主機海水冷卻系統(tǒng)管系、電站海水冷卻系統(tǒng)管系、水滅火系統(tǒng)管系、日用海水冷卻系統(tǒng)管系、艙底疏水系統(tǒng)管系等。
我國水面艦船裝備故障大部分是由腐蝕引起,而航母由于系統(tǒng)組成復雜,多個系統(tǒng)中的電子電氣設備可能因腐蝕環(huán)境惡劣而降低可靠性,一個系統(tǒng)的腐蝕故障有可能影響作戰(zhàn)使用甚至波及全艦功能的發(fā)揮,后果影響重大。
艙室結構復雜,防腐施工空間小,修理難度大
因航母結構極其復雜致使腐蝕防護與控制異常繁雜和困難,這是因為:
①航母主甲板下有十幾層,幾千個艙室,由于各種系統(tǒng)交錯布置,底部艙室結構異常復雜,施工空間狹?。?
②由于系統(tǒng)復雜,大量設備要在分段合攏后安裝,分段上涂裝的涂料需要在后期進行大量的修補,嚴重影響涂料的防護效果;
③機艙、電站、冷站、泵艙的艙底部位腐蝕環(huán)境苛刻,但由于設備管路布置緊湊,且在底部區(qū)域施工困難,一旦出現(xiàn)腐蝕,修理難度大。
三、航母材料腐蝕防護與控制的建議及對策
美國擁有最先進的航母腐蝕控制技術,我國在這方面剛剛起步。為我國航母事業(yè)的建設和實現(xiàn)跨越式發(fā)展,提出以下建議和對策。
對航母腐蝕控制工藝技術進行深入研究
①結合航母內(nèi)、外部腐蝕環(huán)境和各系統(tǒng)材料特性和運行條件,對重點部位誘發(fā)腐蝕的內(nèi)因、外因進行全面分析和必要的試驗,掌握主要腐蝕因素及其變化規(guī)律;
②加強材料在使用環(huán)境下的腐蝕特性研究,結合前期水面艦船的腐蝕情況,檢查和清理出現(xiàn)的新問題,重點開展多因素環(huán)境條件下的材料腐蝕規(guī)律研究、多材料耦合條件下的異種金屬電化學腐蝕行為研究、航母海水管系污損及腐蝕機理研究。
開展防腐技術頂層規(guī)劃
①立足于航母特點,從使用需求出發(fā),進行頂層規(guī)劃,構建航母腐蝕防護控制體系。
②按解決當前急需、突破型號研制瓶頸、形成未來技術儲備進行分類,分階段從總體設計、施工控制、仿真計算、試驗驗證、監(jiān)測與評估、材料研制等方面全方位進行防腐專項技術規(guī)劃,全面提高腐蝕控制技術水平。
開展航母腐蝕控制技術方案研究
①根據(jù)航母壽命剖面及使用需求,研究并提出腐蝕防護設計、建造、管理的定量和定性要求;
②根據(jù)航母材料腐蝕環(huán)境和特性,研究各種腐蝕控制技術的適用性及效果,明確從設計到修理各階段的腐蝕控制應對措施。
編制航母材料腐蝕控制指南及相關管理文件
①編制航母腐蝕控制設計、建造、維護修理指南,以及艦載設備腐蝕控制指南,指導各系統(tǒng)設計師、制造工程師、維修工程師、艦員開展腐蝕控制工作;
②編制并下發(fā)相關管理文件,落實航母材料腐蝕控制指南的實施、驗收和檢查。
四、結語
我國目前材料腐蝕控制技術體系還不完善,主要體現(xiàn)在:
①相關規(guī)范和標準不夠,頂層定性規(guī)定較多,在執(zhí)行時存在一定的隨意性;
②基礎研究不足,信息跟蹤、收集、發(fā)布機制不夠健全,缺少足夠的腐蝕控制數(shù)據(jù);
③缺乏完備的腐蝕控制組織機構來統(tǒng)籌防腐研究工作,構建完善的腐蝕控制技術體系。
當前,腐蝕控制設計主要按照規(guī)范以經(jīng)驗設計為主 ,缺乏定量的評估和檢驗方法; 陰極保護設計缺少定量仿真。對腐蝕控制設計的效果評審缺少系統(tǒng)、定量的評估。必須盡快實現(xiàn)從經(jīng)驗設計、經(jīng)驗管理到仿真計算、試驗驗證、在線監(jiān)測、定量評估、科學管理的轉(zhuǎn)變。雖然我國研制了多種型號的艦船結構鋼、管路合金材料、密封材料、防腐涂料,但整體有效服役壽命與航母的要求還有較大差距。因此,要加大新材料的研發(fā)力度,提高結構材料、管路材料的防腐性能; 研發(fā)長效防腐防污涂料、高性能飛行甲板涂料; 加強海水系統(tǒng)腐蝕、污損規(guī)律及控制技術研究; 全面提高材料腐蝕、老化機制評價手段及匹配設計技術。
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