国外海军舰船水密门的应用与发展

田正东

(海军装备部，北京 100071)

国外海军舰船水密门的应用与发展

田正东

(海军装备部，北京 100071)

水密门是维持舰船水密性的重要船体属具之一，一直以来倍受各国海军的关注和重视。近年来，新材料、新技术的发展推动了各国海军舰船水密门的升级换代。本文对国外海军舰船水密门的应用和发展进行深入分析研究，并以标准压力作动门为例，详细介绍了美国海军新型舰船水密门的研制、质量认证试验等情况，最后对舰船水密门的发展进行展望。

海军；舰船；水密门

0 引 言

美国海军海上系统司令部出版的《舰船技术手册》对水密门进行了定义，即水密门是一类关闭后能防止一定压力的水从一侧流动到另一侧的门，通常布置于水密舱室舱壁或者其他相类似的部位[1]。舰船水密门是水面舰船常见的船体属具之一，用于防止水、火、毒气在船内蔓延，同时作为舰员进出舱室和运送物品的通道口[2]。

舰船水密门对提高舰船水密性、抵抗各种破损灾害，最大程度保证舰船生命力和作战能力、保障舰员生命安全具有重要作用[3-4]。随着对舰船作战性能、全寿期费用等要求的不断提高，舰船水密门也日益成为国外海军关注的重点。

美国、德国、法国等海军科技发达国家都在相应的军用标准或船级社舰船入级规范中对水密门的研制和应用进行了规定[5-8]。本文对水密门在国外海军舰船中的应用和发展进行深入研究分析，并以标准压力作动门为例，详细介绍了美国海军新一代舰船水密门的研制和质量认证试验情况，最后对我国舰船水密门的发展提出建议。

1 国外海军舰船水密门的应用

1.1 国外海军舰船水密门的应用

由于舰船不同部位对水密门的需求不同，水密门的类型和规格多种多样。根据开启方式的不同，当前各国所用的舰船水密门主要可以分为轧扣式水密门、速动式水密门和滑动式水密门[9]。

1)轧扣式水密门

轧扣式水密门是目前国外舰船中使用较广泛的一类水密门。轧扣式水密门主要由门板、填料、轧扣、拉手等部件组成，轧扣的数量一般有4、6、8、10或12个。少于10个轧扣的水密门的水密性能一般，多作为水密性能要求较低的风雨密门。轧扣式水密门的启闭需要操作多个轧扣，较为繁琐且启闭速度慢，因此主要应用于不频繁使用或不需快速出入的舱室，如油漆间、甲板装置机舱、储物间、底部舱室(如机舱室)到主甲板的快速逃生通道两端等。

2)速动式水密门

速动式水密门又称为铰链式水密门，在国外舰船上有非常广泛的应用。速动式水密门主要由门板、门框、填料、铰链、夹扣、锁紧装置等部件组成，具有结构轻便、启闭简便的优点，因此主要应用于日常通道、从露天甲板到上层建筑入口、主要走廊和人员生活工作区，如作战信息中心、雷达中心、机舱室、损管中心等，通常为人员流动较频繁的区域。

图1 美国海军使用的轧扣式水密门示意图[9]Fig.1 The schematic diagram of US navy′s individually dogged watertight door

图2 美国海军使用的速动式水密门示意图Fig.2 The schematic diagram of US navy′s quick-acting watertight door

3)滑动式水密门

滑动式水密门主要应用舰船上关键部位。根据门的操纵方式，可分为手动滑动式水密门、电动滑动式水密门和液压滑动式水密门。滑动式水密门主要由门板、门框、滚轮装置、轨道、缓冲器、填料、锁紧装置等部件组成，结构牢固，但需配控制系统。需要在舰船主控制台上远程启闭的水密门多采用滑动式水密门。通行较大体积物品、开口尺寸较大的水密门也设置为滑动式水密门，如美国濒海战斗舰(LCS)油料舱采用的电动滑动水密门。

表1列出了国外海军舰船所用水密门的类型和相应的主要应用位置。

表1 国外海军舰船水密门类型及主要应用位置Tab.1 The types and primary application positions of watertight door on foreign naval warships

1.2 美国海军舰船水密门的发展历程

从20世纪40年代起，美国海军舰船先后使用了多种非标准化水密门，并在80年代进行了标准化更新换代。21世纪初，美国又开始酝酿新一轮的升级换代，开始研制标准压力作动门和复合材料水密门等新型水密门。

1)非标准化水密门

20世纪80年代以前，美国海军舰船上装备的水密门尺寸规格多达20余种，每种水密门均具有各自独特的设计，标准化程度低，由于备件不通用等原因导致维修保养费用高昂[10]。非标准速动水密门多采用手轮操作，根据其内部的夹扣联动方式，可分为滑动夹扣式水密门、旋转夹扣式水密门和带齿轮架的旋转夹扣式水密门等。

2)海军标准水密门

20世纪80年代以后，美国海军舰船开始大量装备海军标准水密门(NSWD)。NSWD从20世纪50年代开始研发，据估计目前在美国海军舰船上装备的NSWD超过32 000套[11]。90%以上的NSWD采用统一尺寸(26英寸×66英寸，即66 cm×167.6 cm)和配置，大大提高了通用性，降低了维护成本。

NSWD的材质为A36低碳钢，含门板、框架和配套五金件在内的总重量约为292 磅(约132 kg)，可承受10 磅/平方英寸(0.07 MPa)的静水压力，每套NSWD的造价在4 700美元左右。由于NSWD较大的重量、易腐蚀和磨损的材料，以及制造和安装的缺陷，使其水密性不高且维护成本居高不下，每套门每年的维护费用在500美元左右。美国海军估计每艘DDG-51上的NSWD每年的维护费用就高达44 000美元之巨。

3)海军标准压力作动门(NSPAD)

21世纪后，美国海军着手解决NSWD更新换代的问题，开始研制改进型水密门，即海军标准压力作动门(NSPAD)[12]。NSPAD的尺寸保持了原有NSWD的规格，材质为304或316不锈钢，重量约为218 磅(约99 kg)，最高可承受15磅/平方英寸(0.10 MPa)的静水压力[13]。订单数量在100套以下时，每套门的造价为9 600美元左右；500套以上批量生产时，造价在5 800美元左右。预计每套NSPAD每年的维护费用在100美元左右，与NSWD相比，大幅降低了80%。

图3 美国海军标准压力作动门(带观察窗)[13]Fig.3 The US navy standard pressure actuated door (with window)

4)复合材料水密门

2002年起，美国海军授予威伯可技术公司合同，以开发轻质、耐冲击和防火的舰船用复合材料水密门[14]。威伯可技术公司联合马佛·霍特卡普公司和巴斯钢铁厂进行该项目研究。复合材料水密门设计中采用TYCOR品牌的复合材料平板。该平板使用纤维增强泡沫，集成纤维编织表层和防火酚醛树脂泡沫，具有很好的结构力学性能和防火性能。复合材料水密门同时采用了马佛公司的仅需要较低维护成本的先进水密门系统。但该水密门从2005年后报道不多，可能是美国海军已选择技术更成熟的标准压力作动水密门作为下一代水密门。

2 标准压力作动门的研制和试验

2002年起美国海军授权宾夕法尼亚州立大学的应用研究实验室、美国海军水面战斗中心卡迪洛克分部舰船系统工程站以及诺斯罗普·格鲁曼公司纽波特纽斯造船厂联合进行新型水密门NSPAD的设计、制造和质量认证试验。

2.1 NSPAD的部分关键技术

减轻重量是新型水密门的重要目标之一。NSPAD采用了激光切割和焊接板结构-LASCELL，其原理为用激光切割金属加强筋，然后相互垂直固定成为机械互锁的方形或长方形蜂窝结构，再用自动激光焊接工艺将该蜂窝结构焊接到切割好的面板中，得到了轻质高强的水密门板[15]。

密封垫圈是水密门实现水密性的关键之一。研制单位为NSPAD开发了新型的液压驱动密封系统，设计了新的垫圈形状，通过调控垫圈的长度，使垫圈在受压时能形成受压部分间的平滑连接，并通过控制衬垫放置的位置和衬垫空腔的平整度，实现规定静水压下的水密完整性。

高强度、抗冲击是水密门重要的性能指标之一。NSPAD在水密门开门一侧的门框边安装有一个固定手臂条，手臂条中的把手通过铰链连接门框上的3个门闩，形成能够快速启闭的机构。如此提高了启闭机构的稳定性，增强了把手的抗冲击性能和稳定性。

水密门门框变形是频繁导致连锁性辅助元件故障的重要因素之一。NSPAD用插孔式门框策略消除了由于舱壁不平整对密封系统的影响。相比海军标准水密门通过搭焊连接紧固至舱壁的方式，在门框与舱壁不平整或不在同一平面的问题上有了很大改善[16]。

2.2 水密门的质量认证试验和要求

美国海军舰船水密门的质量认证试验主要包括两类：陆上质量认证试验和上舰服役鉴定[17]。技术授权管理部门根据陆上质量认证试验和上舰服役鉴定的结果颁发最终合格许可证。陆上质量认证试验由美国海军水面作战中心卡迪洛克分部统筹安排，根据相关的军标和船级社规范开展试验，包括静水压试验、启闭循环试验、振动试验、冲击试验、耐火性能试验、电磁干扰试验等[18]。上舰服役鉴定是研制单位将水密门安装到不同的舰船平台上，随舰船服役一段时间，以验证其水密性、安全性、操作性等实际使用性能。

根据美国海军军用标准规定，速动水密门的质量认证试验及其指标要求为[19]：1)进行相应级别的静水压试验(5，10，15磅/平方英寸，即0.03，0.07，0.10 MPa)，在内、外2个方向上的静水压需保持10 min且无泄漏；需进行高于设计要求50%的静水压验证试验，在2个方向上保持10 min，允许有微弱泄漏，但水密门不能产生永久变形；2)在安全锁和集成防护系统(CPS插销)解锁状态下，进行一百万次以上的启闭循环试验，要求启闭时把手角度范围为90°～180°，操作力控制在35～50磅，启闭过程中把手无明显阻碍或粘滞，启闭试验后水密门无需更换配件仍能具有设计的静水压承载能力且粉笔测试合格；3)通过检验垫圈的密封性和平整性的粉笔试验；4)水密门能够通过冲击试验军标MIL-S-901D中A级别A类型Ⅰ类别的中等重量冲击试验，试验分3个方向，每个方向3次，在冲击试验前后需进行静水压试验并合格[20]；5)按照军标MIL-STD-167的规定进行2-15 Hz频率范围的振动试验，试验过程中需保证无任何组件脱落，试验前后需进行静水压试验并合格。

2.3 NSPAD的陆上质量认证试验和结果

美国航空研究实验室在2010年3月至4月完成了NSPAD的静水压试验。依据静水压试验矩阵，NSPAD在2种框架/平板连接方法、2个水压负载方向(内、外)和3个同规格密封件的排列组合的试验条件下，进行了共32次试验。试验过程中，水密门被焊接到模拟舱壁的具有相应抗压强度的1.5 in厚板上，在10磅/平方英寸(0.07 MPa)压力下保持15 min没有任何泄漏，并通过了15磅/平方英寸(0.10 MPa)的验证试验，即在15磅/平方英寸下有微弱的泄露，但各结构组件无损坏变形。

2011年7月，NSPAD进行了启闭循环试验，试验过程为100万次“拨闩-开门-关门-上闩”的循环，启闭试验前后进行了静水压试验，均合格[21]。

图4 NSPAD冲击试验的3个方向装配图Fig.4 The three direction assemblages of NSPAD for shock test

2014年10月，NSPAD根据《舰船机械、设备与系统冲击试验要求》(MIL-S-901D)的相关规定进行了冲击试验，在与试验基座刚性连接的条件下进行3个方向上的试验，即水密门垂直方向，水密门在门板平面内旋转45°的方向和水密门在门板面外旋转45°方向[22]。认证试验过程中，NSPAD无任何结构破损，并通过了冲击测试前后进行的静水压试验。

此外，NSPAD通过了标准《密封部件电磁屏蔽性能测试》(IEEE-STD-299)规定的电磁干扰试验、标准《舰船设备机械振动试验标准》(MIL-STD-167)规定的频率为25 Hz的振动试验，以及标准《水面舰船耐火性能实践标准》(MIL-STD-3020)规定的1100℃高温灼烧10 min的耐火性能试验[23]。

2.4 NSPAD的上舰服役鉴定结果

2011年12月前，美国海军在“蒙特利”号(CG 61)巡洋舰、“波特”号(DDG 78)驱逐舰、“黄蜂”号(LHD 1)两栖登陆舰等3艘舰船平台上安装了8套NSPAD进行上舰服役鉴定。至2014年，两年半的水密门服役结果表明，8套门中只有1套在每天开关2 000次的情况下，改装过把手并更换过5次衬垫外，其余7套均未进行过计划性维修，达到了服役鉴定的要求。经过改进后，不久或将批量生产和安装以替换原有的标准水密门并应用在新舰船平台上[24]。

3 结 语

从国外海军舰船水密门的应用和发展看，处于技术领先地位的美国海军在水密门的设计、测试、使用和维护等方面均有较系统的标准和规范，新型水密门的研制速度也较快。这给我们带来了一些可借鉴的方向：

1)增大承载荷能力。静水压承载能力是水密门最重要的的性能指标之一，美国海军舰船水密门的静水压承载能力最大为0.10 MPa，比目前我国水密门的承载荷能力高。在平衡综合性能的基础上，应进一步增大我国舰船水密门的静水压承载能力。

2)提高抗冲击性能。抗冲击性能的高低是水密门在高海况情况下能否保持水密性的重要因素。美国海军将水密门作为对舰船安全和持续作战能力最重要的类别来进行质量认证的冲击试验。在水密门的研制过程中，应建立冲击试验的标准并严格执行，以提高水密门的抗冲击性能。

3)提升标准化程度。种类复杂的水密门会给使用和维护带来巨大负担，国外海军舰船均采用军用标准或行业标准对水密门的尺寸规格、使用和维护进行标准化，以提高通用性。在水密门的研制和使用中，应逐步统一规格，建立和完善标准规范体系，提升水密门的标准化程度。

4)加快新型水密门研制。国外海军舰船水密门正朝着减轻重量、提高耐腐蚀能力2个方向发展，减轻重量对于舰船的机动性和持续作战能力具有重要意义，提高耐腐蚀能力可大幅降低维护成本。不锈钢或复合材料等新材料、激光焊接等新工艺的发展为实现该目标提供了可能。因此，应加快重量轻、耐腐蚀的新型水密门的开发和传统水密门的更新换代。

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The application and development of watertight door on foreign naval warships

TIAN Zheng-dong

(Naval Armament Department of PLA,Beijing 100071,China)

Watertight door is one of the important fittings to maintain watertight integrity of warship.It has attracted much attention from navies since long time ago.Recently, new materials and technologies promoted the upgrade of naval watertight doors.In this study, the application and development of watertight doors were systematically researched.Meanwhile, the navy standard pressure actuated watertight door was selected as an example, to describe the research and qualified test of new US naval watertight door.Finally, some advices are put forward.

navy;warship;watertight door

2015-08-15

田正东(1972-)，男，高级工程师，研究方向为船舶工程。

TP393

A

1672-7649(2015)12-0175-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2015.12.036