舰船动力装置及其腐蚀防护要求研究

伍赛特

（上海汽车集团股份有限公司，上海 200438）

引言

以柴油机、汽轮机及燃气轮机等热力发动机作为动力来源是舰船推进装置发展过程中的一次革命[1-4]，也是古代战船向近代舰船飞跃中的关键一环。在相当长的一段历史时期，风帆一直是船舶的主要推进方式。以风帆为动力装置的战船的优势是只要装载足够的食品、淡水和作战物资，就能在海上随风逐浪航行达数月之久，但同时其最大劣势是对风能依赖性较高，缺乏作战机动性，很难捕捉到战机，而且一旦其风帆或桅杆受损，会使全舰就失去前进动力。因此，一直在对舰船推进方式开展相关研究。

1 舰用蒸汽动力装置、螺旋桨及其腐蚀防护要求研究

自1768 年蒸汽机问世后，立即引起造船界的广泛关注，并逐步将其作为船舶的动力来源。到19 世纪30 年代后期，由半螺旋面组成的螺旋桨研制成功，引发了船舶推进器的变革。随后，美国方面建造了世界第一艘由螺旋桨推进的蒸汽机战船。在1853 年的锡诺普海战中，土耳其16 艘军船中唯一的蒸汽巡洋舰幸免于难并重创一艘俄国战列舰，使人们真正认识到了以热力发动机作为动力来源的重要性。

1897 年，汽轮机被首次用于“透平尼亚”号船上。1900年，第一艘由汽轮机驱动的战船——英国海军“蝮蛇”号鱼雷驱逐舰正式服役。此后，该类功率大、转速高、重量轻的新型机器开始代替往复式蒸汽机作为舰船的主要动力装置。目前，蒸汽动力装置的关键技术有：增压锅炉的设计技术、主汽轮机组的长叶片技术，以及大功率齿轮减速器的制造技术等方面。

舰用汽轮机与电厂汽轮机不同，其经常在变工况条件下工作，在启动、停车、变速、正倒车等工况条件下来回变化，同时其受力情况更复杂。故一般在机组用材上更偏重于铬镍钢，其在设计上的安全系数也相对较高。

在腐蚀防护方面，螺旋桨要求能耐海生物腐蚀及空泡腐蚀。机组主轴和转子在高温、高压、蒸汽介质中工作[5]，并在高速旋转下承受较复杂的应力，要求耐磨蚀、高温腐蚀及应力腐蚀。叶轮和轮盘承受巨大的切向应力和径向拉应力[6]，对于长期工作温度超过400℃的轮盘或叶轮还要考虑蠕变及持久强度，需要较好的耐高温腐蚀和应力腐蚀的性能。汽轮机叶片主要承受气流的冲击力、弯曲力，高速运转时的离心力[7]，以及由各种原因形成的振动作用，叶片材料要求具有较好的高温力学性、耐蚀性、减振性、耐磨性，以及良好的工艺性能。汽缸、隔板、喷嘴室、阀壳等静子零部件，视其工作条件及工作温度之不同，往往要求更高的热强性。为对汽缸、隔板、轮盘等的螺钉、螺帽、铆钉等零件进行固定，要求材料在高温条件下具有较好的抗松弛性能、较小的缺口敏感性、较小的蠕变脆化倾向，以及一定的耐蚀性等[8]。

2 舰用柴油机动力装置及其腐蚀防护要求研究

1896 年10 月5 日，德国制造了世界上第一台柴油机。由于柴油机效率高[9]、重量轻，被首先用于潜艇上。通过采用柴油机与蓄电池相结合的动力形式，使常规潜艇很快进入了柴-电推进时代，大幅提高了全艇机动性。自1925 年以后，美国、德国开始在水面舰船，特别是小型舰艇上采用柴油机推进动力，同样也提高了全舰的作战能力。柴油机动力装置的关键技术主要有：燃油喷射技术、涡轮增压技术、柴油机电控技术等。柴油机是舰艇上的主要动力装置之一，由于其体积小、重量轻、启动简便迅速，故轻型及快速舰船多以其作为主机。柴油机燃烧室内的温度可高达1400℃以上，同时通过连杆、曲轴、齿轮、轴等来传递动力，这些零件的受力情况、工作条件各不相同，因而需要选用各种不同的材料来满足它们的使用要求。曲轴的功能是将连杆的往复运动转变为旋转运动，其受到周期变化的扭转、弯曲、压缩和冲击等多种载荷的作用[10]。尤其是在变工况情况（改变转速、正倒车、启停等情况）下的受力情况更复杂。因此，要求曲轴材料应具有良好的综合力学性能、抗疲劳性能和轴颈部位的耐磨性。

连杆是将活塞的往复运动为曲轴的旋转运动的重要传动零件，其所承受的是方向会发生变化并周期性出现的力，除拉压作用外还有弯曲作用，其主要破坏形式是拉压疲劳破坏，因此要求连杆材料应有较高的屈服强度和疲劳强度，制作连杆的合金钢则均采用调质处理。

应用于柴油机的齿轮种类繁多且大小不同。柴油机在工作时，齿轮除承受交变的弯曲载荷外，其表面还要承受强烈的摩擦作用及交变压应力。在柴油机启动及停机时，其受到较大的冲击载荷，因此齿轮应选用具有高疲劳强度的材料。为了提高齿面的接触疲劳极限、耐磨性和抗点腐蚀性，还要采用渗碳、氮化、高频淬火等热处理工艺。

气阀是柴油机配气机构中的重要零件之一。进、排气阀处于不同的工作条件下。进气阀的工作温度一般为300～400℃，排气阀的工作温度最高可达 750～800℃。排气阀不仅工作温度高，而且受到高温气体的冲刷，以此其耐蚀条件比进气阀更为恶劣。阀盘不仅需要具有在高温下抵抗腐蚀、蠕变和疲劳的性能，而且应具有能抵抗热冲击的较高强度和耐磨性。气阀的杆部不仅受颈部弯曲疲劳的影响，而且会在润滑不良的条件下与导管发生摩擦，故需要有较高的减摩和耐磨性能。气阀的顶端与挺杆撞击，必须有足够的硬度以防止阀面塌陷。

3 舰用燃气轮机动力装置及其腐蚀防护要求研究

针对蒸汽动力装置效率低、启动加速慢、装置重量大、结构较复杂、管理使用较麻烦和柴油机单机功率小、装置重量较大等问题，开始加快了对舰用燃气轮机的研究工作。曾于1947 年制造出第一台舰用燃气轮机——英国加特里克（G1）燃气轮机，并配装于MGB2009 高速炮艇。燃气轮机是一类以空气为工质，并将燃料的化学能转化为热能，继而再转换成机械功的回转式热力发动机。

磷含量在121.25～195.36mg/100g之间，平均含量高达158.12mg/100g，不同部位含量的平均高低依次为后腿肉含量162.43mg/100g、臀腿肉含量160.98mg/100g、前腿肉含量157.05mg/100g、颈肩肉含量155.12mg/100g、背肌肉含量145.06mg/100g。

自主研发燃气轮机有着较高的技术要求，其涵盖了空气动力学、工程热力学、结构力学、冶金、材料、工艺、机械加工、试验测试等多项学科和技术领域。目前，燃气轮机的关键技术主要有：高压比高效率压气机设计制造技术、持续提高燃气初温的技术、中冷回热技术。高温燃气直接作用于涡轮叶片上以推动涡轮运转，因此叶片的材料必须具有耐高温、耐腐蚀、抗蠕变、抗热疲劳的性能。同时，叶片还需要采用先进的冷却技术，包括对流冷却、冲击冷却、气膜冷却和发散冷却等方式，以降低叶片表面的实际工作温度[11-12]。因此，叶片的表面和内部需要配备有用于冷却的气孔和通道，这又给叶片的加工制造带来了难度。目前燃气轮机叶片的制造过程已采用无余量精密铸造技术、定向结晶技术和单晶铸造技术等。燃气轮机的主要部件均在高温条件下运作，因此，对燃气轮机零件材料的要求主要是强调高温性能。燃气轮机主要部件所选用的材料大多为耐热钢和高温合金。

4 舰用核动力装置及其腐蚀防护要求研究

潜艇的作战威力和生命力在于其别具一格的隐蔽性。因此，潜艇从诞生之日起，就一直在逐步提高其水下续航力和快速性。1949 年，美国海军针对第一艘攻击型核潜艇而开展了研制工作。至1954 年，第一艘核动力潜艇“鹦鹉螺”号正式下水。将核动力装置用作潜艇推进动力后，大幅提高了其水下作战时的航速，并有效提升了其水下续航力，使潜艇成为真正意义上的潜艇。

自核潜艇得以成功研制之后，美国方面看到了舰用核动力装置的优越性，由此及彼，将核动力装置运用至航空母舰上，同样大幅提升了航空母舰的续航力，扩大了其作战区域。核动力装置上舰后，还消除了常规动力装置排放的废气在飞行甲板末端的空气湍流，改善了舰载机着舰条件，提高了舰载机着舰的安全性。同时，使航空母舰上无需装载大量舰用燃油，并可提高航空燃油和弹药的装载量，改良舰载机的持续作战能力。

舰用核动力反应堆及一回路用材料按其作用可分为结构材料和功能材料两大类。结构材料几乎全部是金属材料[13]。功能材料主要有核燃料、中子吸收材料等与反应性相关的材料，以及屏蔽材料、隔热材料等与安全防护相关的材料。考虑到核燃料举足轻重的作用与性能的独特性，往往将其置于与所有其他材料并行的位置。

核动力装置对材料使用中的共性要求主要体现在力学性能、抗辐照性能、耐蚀性和焊接性能等四方面。材料的服役工况普遍为高温高压、辐照、腐蚀和动静态载荷等多场耦合作用环。因此，要求所用材料有着较高的性能指标，并对其质量进行严格要求。在其研发过程具有牵涉面广、综合性强、周期长、难度大、验证过程复杂等特点。

5 潜艇用AIP 系统及其腐蚀防护要求研究

常规潜艇因蓄电池容量有限，需要经常上浮到通气管状态进行充电，暴露率高，生命力容易受到威胁。因此，从20 世纪80 年代以后，开始发展不依赖空气的动力装置（AIP）。按能量转换装置不同，AIP 有多种形式，主要有热气机、闭式循环柴油机、燃料电池，闭式循环汽轮机和小型核动力装置等[14]。

潜艇用闭式循环柴油机AIP 系统的工作原理主要如下：液氧汽化后与柴油机排气中的部分废气混合，送到柴油机汽缸内燃烧，形成固定循环，同时使燃气直接做功。闭式循环柴油机通常是在普通柴油机的基础上进行改装。如上文所述，柴油机本身技术较为成熟，且应用广泛，因此在改装过程中需要重点解决闭式循环柴油机的系统问题。闭式循环柴油机系统的关键材料技术主要有：空气再生技术、液氧储存及汽化、CO2吸收器材料等，以及液氧在整个过程中的密封、腐蚀与安全问题。

燃料电池具有效率高、振动噪声小、热辐射低、可靠性强、环保清洁和民用市场巨大等优势。潜艇用燃料电池AIP 系统主要由氢源系统、氧源系统、电堆系统及为确保系统正常运行的辅助系统组成。从目前的技术状况看，除氧源技术与热气机AIP 系统相同，燃料电池仍面临着一系列的研究难关，其关键技术主要有：甲醇重整制氢和金属吸附储氢材料及技术、电堆密封技术等。

潜艇如配置有小型核动力装置AIP 系统，能有效解决常规潜艇通气管状态航行充电隐蔽性差的问题，因而是真正意义上的不依赖空气的AIP 系统。如上文所述，潜艇装有小型核动力装置后，其水下续航力将有效提升，从而大幅度提高了全艇的隐蔽性[15]。小型核动力AIP 系统的关键技术主要有：低温低压反应堆材料及技术及能量转换材料技术等。由于涉及反应堆技术，核辐射及腐蚀防护也是关键技术之一[16]。

6 综合全电力推进系统及其腐蚀防护要求研究

综合全电力推进系统可将舰船推进系统与电力系统融合为统一体，将全舰所需的能源以电力的形式集中，并统一调度、分配和管理[17]。这种全新的系统将使全舰系统和设备的布置更加灵活，并可为激光、电磁武器提供能源，是近年来舰船动力系统的重要革命，也将为舰载武器系统带来革命性的变化。

综合全电力推进技术从20 世纪80 年代末期开始发展，美国从1988 年即已推行舰船综合全电力推进系统的发展。综合全电力推进系统的主要优势有经济性好、可提升全舰战斗力、增强全舰生命力，并改善全舰维修性等方面[18]。

舰船综合全电力推进系统的关键技术主要有：高压大功率电力电子器件设计制造技术、舰用高压大容量变频调速器设计制造技术、多相推进电机设计制造技术、高温超导材料技术、永磁材料技术、储能材料技术等[19]。为确保各类材料的寿命和材料可靠性，为此针对其腐蚀防护而开展的研究不可或缺。

7 结论与展望

舰船动力装置的更新换代直接推动了舰船技术领域的重要发展。就目前而言，以动力装置为基础的舰船领域重大技术飞跃主要有三点。一是以蒸汽机用作动力装置、以螺旋桨作为推进器，并应用钢铁材料，同时结合火炮技术的优化，大幅提升了水面舰船的作战能力。第二是潜艇的发明，并以内燃机和电能用于推进，同时以鱼雷作为攻击方式，使其成为了一类重要的舰船类型。第三是核动力装置的问世，并将其应用于航空母舰及潜艇，大幅提升了海防力量。就目前而言，针对舰船动力装置腐蚀防护工作的研究可使舰船有效避免重大事故，并提升全舰的寿命和在航率，因此有着重要而深远的意义。