田正東

(海軍裝備部，北京 100071)

國外海軍艦船水密門的應(yīng)用與發(fā)展

田正東

(海軍裝備部，北京 100071)

水密門是維持艦船水密性的重要船體屬具之一，一直以來倍受各國海軍的關(guān)注和重視。近年來，新材料、新技術(shù)的發(fā)展推動了各國海軍艦船水密門的升級換代。本文對國外海軍艦船水密門的應(yīng)用和發(fā)展進(jìn)行深入分析研究，并以標(biāo)準(zhǔn)壓力作動門為例，詳細(xì)介紹了美國海軍新型艦船水密門的研制、質(zhì)量認(rèn)證試驗等情況，最后對艦船水密門的發(fā)展進(jìn)行展望。

海軍；艦船；水密門

0 引 言

美國海軍海上系統(tǒng)司令部出版的《艦船技術(shù)手冊》對水密門進(jìn)行了定義，即水密門是一類關(guān)閉后能防止一定壓力的水從一側(cè)流動到另一側(cè)的門，通常布置于水密艙室艙壁或者其他相類似的部位[1]。艦船水密門是水面艦船常見的船體屬具之一，用于防止水、火、毒氣在船內(nèi)蔓延，同時作為艦員進(jìn)出艙室和運(yùn)送物品的通道口[2]。

艦船水密門對提高艦船水密性、抵抗各種破損災(zāi)害，最大程度保證艦船生命力和作戰(zhàn)能力、保障艦員生命安全具有重要作用[3-4]。隨著對艦船作戰(zhàn)性能、全壽期費(fèi)用等要求的不斷提高，艦船水密門也日益成為國外海軍關(guān)注的重點(diǎn)。

美國、德國、法國等海軍科技發(fā)達(dá)國家都在相應(yīng)的軍用標(biāo)準(zhǔn)或船級社艦船入級規(guī)范中對水密門的研制和應(yīng)用進(jìn)行了規(guī)定[5-8]。本文對水密門在國外海軍艦船中的應(yīng)用和發(fā)展進(jìn)行深入研究分析，并以標(biāo)準(zhǔn)壓力作動門為例，詳細(xì)介紹了美國海軍新一代艦船水密門的研制和質(zhì)量認(rèn)證試驗情況，最后對我國艦船水密門的發(fā)展提出建議。

1 國外海軍艦船水密門的應(yīng)用

1.1 國外海軍艦船水密門的應(yīng)用

由于艦船不同部位對水密門的需求不同，水密門的類型和規(guī)格多種多樣。根據(jù)開啟方式的不同，當(dāng)前各國所用的艦船水密門主要可以分為軋扣式水密門、速動式水密門和滑動式水密門[9]。

1)軋扣式水密門

軋扣式水密門是目前國外艦船中使用較廣泛的一類水密門。軋扣式水密門主要由門板、填料、軋扣、拉手等部件組成，軋扣的數(shù)量一般有4、6、8、10或12個。少于10個軋扣的水密門的水密性能一般，多作為水密性能要求較低的風(fēng)雨密門。軋扣式水密門的啟閉需要操作多個軋扣，較為繁瑣且啟閉速度慢，因此主要應(yīng)用于不頻繁使用或不需快速出入的艙室，如油漆間、甲板裝置機(jī)艙、儲物間、底部艙室(如機(jī)艙室)到主甲板的快速逃生通道兩端等。

2)速動式水密門

速動式水密門又稱為鉸鏈?zhǔn)剿荛T，在國外艦船上有非常廣泛的應(yīng)用。速動式水密門主要由門板、門框、填料、鉸鏈、夾扣、鎖緊裝置等部件組成，具有結(jié)構(gòu)輕便、啟閉簡便的優(yōu)點(diǎn)，因此主要應(yīng)用于日常通道、從露天甲板到上層建筑入口、主要走廊和人員生活工作區(qū)，如作戰(zhàn)信息中心、雷達(dá)中心、機(jī)艙室、損管中心等，通常為人員流動較頻繁的區(qū)域。

圖1 美國海軍使用的軋扣式水密門示意圖[9]Fig.1 The schematic diagram of US navy′s individually dogged watertight door

圖2 美國海軍使用的速動式水密門示意圖Fig.2 The schematic diagram of US navy′s quick-acting watertight door

3)滑動式水密門

滑動式水密門主要應(yīng)用艦船上關(guān)鍵部位。根據(jù)門的操縱方式，可分為手動滑動式水密門、電動滑動式水密門和液壓滑動式水密門?；瑒邮剿荛T主要由門板、門框、滾輪裝置、軌道、緩沖器、填料、鎖緊裝置等部件組成，結(jié)構(gòu)牢固，但需配控制系統(tǒng)。需要在艦船主控制臺上遠(yuǎn)程啟閉的水密門多采用滑動式水密門。通行較大體積物品、開口尺寸較大的水密門也設(shè)置為滑動式水密門，如美國瀕海戰(zhàn)斗艦(LCS)油料艙采用的電動滑動水密門。

表1列出了國外海軍艦船所用水密門的類型和相應(yīng)的主要應(yīng)用位置。

表1 國外海軍艦船水密門類型及主要應(yīng)用位置Tab.1 The types and primary application positions of watertight door on foreign naval warships

1.2 美國海軍艦船水密門的發(fā)展歷程

從20世紀(jì)40年代起，美國海軍艦船先后使用了多種非標(biāo)準(zhǔn)化水密門，并在80年代進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化更新?lián)Q代。21世紀(jì)初，美國又開始醞釀新一輪的升級換代，開始研制標(biāo)準(zhǔn)壓力作動門和復(fù)合材料水密門等新型水密門。

1)非標(biāo)準(zhǔn)化水密門

20世紀(jì)80年代以前，美國海軍艦船上裝備的水密門尺寸規(guī)格多達(dá)20余種，每種水密門均具有各自獨(dú)特的設(shè)計，標(biāo)準(zhǔn)化程度低，由于備件不通用等原因?qū)е戮S修保養(yǎng)費(fèi)用高昂[10]。非標(biāo)準(zhǔn)速動水密門多采用手輪操作，根據(jù)其內(nèi)部的夾扣聯(lián)動方式，可分為滑動夾扣式水密門、旋轉(zhuǎn)夾扣式水密門和帶齒輪架的旋轉(zhuǎn)夾扣式水密門等。

2)海軍標(biāo)準(zhǔn)水密門

20世紀(jì)80年代以后，美國海軍艦船開始大量裝備海軍標(biāo)準(zhǔn)水密門(NSWD)。NSWD從20世紀(jì)50年代開始研發(fā)，據(jù)估計目前在美國海軍艦船上裝備的NSWD超過32 000套[11]。90%以上的NSWD采用統(tǒng)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，降低了維護(hù)成本。

NSWD的材質(zhì)為A36低碳鋼，含門板、框架和配套五金件在內(nèi)的總重量約為292 磅(約132 kg)，可承受10 磅/平方英寸(0.07 MPa)的靜水壓力，每套NSWD的造價在4 700美元左右。由于NSWD較大的重量、易腐蝕和磨損的材料，以及制造和安裝的缺陷，使其水密性不高且維護(hù)成本居高不下，每套門每年的維護(hù)費(fèi)用在500美元左右。美國海軍估計每艘DDG-51上的NSWD每年的維護(hù)費(fèi)用就高達(dá)44 000美元之巨。

3)海軍標(biāo)準(zhǔn)壓力作動門(NSPAD)

21世紀(jì)后，美國海軍著手解決NSWD更新?lián)Q代的問題，開始研制改進(jìn)型水密門，即海軍標(biāo)準(zhǔn)壓力作動門(NSPAD)[12]。NSPAD的尺寸保持了原有NSWD的規(guī)格，材質(zhì)為304或316不銹鋼，重量約為218 磅(約99 kg)，最高可承受15磅/平方英寸(0.10 MPa)的靜水壓力[13]。訂單數(shù)量在100套以下時，每套門的造價為9 600美元左右；500套以上批量生產(chǎn)時，造價在5 800美元左右。預(yù)計每套NSPAD每年的維護(hù)費(fèi)用在100美元左右，與NSWD相比，大幅降低了80%。

圖3 美國海軍標(biāo)準(zhǔn)壓力作動門(帶觀察窗)[13]Fig.3 The US navy standard pressure actuated door (with window)

4)復(fù)合材料水密門

2002年起，美國海軍授予威伯可技術(shù)公司合同，以開發(fā)輕質(zhì)、耐沖擊和防火的艦船用復(fù)合材料水密門[14]。威伯可技術(shù)公司聯(lián)合馬佛·霍特卡普公司和巴斯鋼鐵廠進(jìn)行該項目研究。復(fù)合材料水密門設(shè)計中采用TYCOR品牌的復(fù)合材料平板。該平板使用纖維增強(qiáng)泡沫，集成纖維編織表層和防火酚醛樹脂泡沫，具有很好的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能和防火性能。復(fù)合材料水密門同時采用了馬佛公司的僅需要較低維護(hù)成本的先進(jìn)水密門系統(tǒng)。但該水密門從2005年后報道不多，可能是美國海軍已選擇技術(shù)更成熟的標(biāo)準(zhǔn)壓力作動水密門作為下一代水密門。

2 標(biāo)準(zhǔn)壓力作動門的研制和試驗

2002年起美國海軍授權(quán)賓夕法尼亞州立大學(xué)的應(yīng)用研究實驗室、美國海軍水面戰(zhàn)斗中心卡迪洛克分部艦船系統(tǒng)工程站以及諾斯羅普·格魯曼公司紐波特紐斯造船廠聯(lián)合進(jìn)行新型水密門NSPAD的設(shè)計、制造和質(zhì)量認(rèn)證試驗。

2.1 NSPAD的部分關(guān)鍵技術(shù)

減輕重量是新型水密門的重要目標(biāo)之一。NSPAD采用了激光切割和焊接板結(jié)構(gòu)-LASCELL，其原理為用激光切割金屬加強(qiáng)筋，然后相互垂直固定成為機(jī)械互鎖的方形或長方形蜂窩結(jié)構(gòu)，再用自動激光焊接工藝將該蜂窩結(jié)構(gòu)焊接到切割好的面板中，得到了輕質(zhì)高強(qiáng)的水密門板[15]。

密封墊圈是水密門實現(xiàn)水密性的關(guān)鍵之一。研制單位為NSPAD開發(fā)了新型的液壓驅(qū)動密封系統(tǒng)，設(shè)計了新的墊圈形狀，通過調(diào)控墊圈的長度，使墊圈在受壓時能形成受壓部分間的平滑連接，并通過控制襯墊放置的位置和襯墊空腔的平整度，實現(xiàn)規(guī)定靜水壓下的水密完整性。

高強(qiáng)度、抗沖擊是水密門重要的性能指標(biāo)之一。NSPAD在水密門開門一側(cè)的門框邊安裝有一個固定手臂條，手臂條中的把手通過鉸鏈連接門框上的3個門閂，形成能夠快速啟閉的機(jī)構(gòu)。如此提高了啟閉機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，增強(qiáng)了把手的抗沖擊性能和穩(wěn)定性。

水密門門框變形是頻繁導(dǎo)致連鎖性輔助元件故障的重要因素之一。NSPAD用插孔式門框策略消除了由于艙壁不平整對密封系統(tǒng)的影響。相比海軍標(biāo)準(zhǔn)水密門通過搭焊連接緊固至艙壁的方式，在門框與艙壁不平整或不在同一平面的問題上有了很大改善[16]。

2.2 水密門的質(zhì)量認(rèn)證試驗和要求

美國海軍艦船水密門的質(zhì)量認(rèn)證試驗主要包括兩類：陸上質(zhì)量認(rèn)證試驗和上艦服役鑒定[17]。技術(shù)授權(quán)管理部門根據(jù)陸上質(zhì)量認(rèn)證試驗和上艦服役鑒定的結(jié)果頒發(fā)最終合格許可證。陸上質(zhì)量認(rèn)證試驗由美國海軍水面作戰(zhàn)中心卡迪洛克分部統(tǒng)籌安排，根據(jù)相關(guān)的軍標(biāo)和船級社規(guī)范開展試驗，包括靜水壓試驗、啟閉循環(huán)試驗、振動試驗、沖擊試驗、耐火性能試驗、電磁干擾試驗等[18]。上艦服役鑒定是研制單位將水密門安裝到不同的艦船平臺上，隨艦船服役一段時間，以驗證其水密性、安全性、操作性等實際使用性能。

根據(jù)美國海軍軍用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，速動水密門的質(zhì)量認(rèn)證試驗及其指標(biāo)要求為[19]：1)進(jìn)行相應(yīng)級別的靜水壓試驗(5，10，15磅/平方英寸，即0.03，0.07，0.10 MPa)，在內(nèi)、外2個方向上的靜水壓需保持10 min且無泄漏；需進(jìn)行高于設(shè)計要求50%的靜水壓驗證試驗，在2個方向上保持10 min，允許有微弱泄漏，但水密門不能產(chǎn)生永久變形；2)在安全鎖和集成防護(hù)系統(tǒng)(CPS插銷)解鎖狀態(tài)下，進(jìn)行一百萬次以上的啟閉循環(huán)試驗，要求啟閉時把手角度范圍為90°～180°，操作力控制在35～50磅，啟閉過程中把手無明顯阻礙或粘滯，啟閉試驗后水密門無需更換配件仍能具有設(shè)計的靜水壓承載能力且粉筆測試合格；3)通過檢驗墊圈的密封性和平整性的粉筆試驗；4)水密門能夠通過沖擊試驗軍標(biāo)MIL-S-901D中A級別A類型Ⅰ類別的中等重量沖擊試驗，試驗分3個方向，每個方向3次，在沖擊試驗前后需進(jìn)行靜水壓試驗并合格[20]；5)按照軍標(biāo)MIL-STD-167的規(guī)定進(jìn)行2-15 Hz頻率范圍的振動試驗，試驗過程中需保證無任何組件脫落，試驗前后需進(jìn)行靜水壓試驗并合格。

2.3 NSPAD的陸上質(zhì)量認(rèn)證試驗和結(jié)果

美國航空研究實驗室在2010年3月至4月完成了NSPAD的靜水壓試驗。依據(jù)靜水壓試驗矩陣，NSPAD在2種框架/平板連接方法、2個水壓負(fù)載方向(內(nèi)、外)和3個同規(guī)格密封件的排列組合的試驗條件下，進(jìn)行了共32次試驗。試驗過程中，水密門被焊接到模擬艙壁的具有相應(yīng)抗壓強(qiáng)度的1.5 in厚板上，在10磅/平方英寸(0.07 MPa)壓力下保持15 min沒有任何泄漏，并通過了15磅/平方英寸(0.10 MPa)的驗證試驗，即在15磅/平方英寸下有微弱的泄露，但各結(jié)構(gòu)組件無損壞變形。

2011年7月，NSPAD進(jìn)行了啟閉循環(huán)試驗，試驗過程為100萬次“撥閂-開門-關(guān)門-上閂”的循環(huán)，啟閉試驗前后進(jìn)行了靜水壓試驗，均合格[21]。

圖4 NSPAD沖擊試驗的3個方向裝配圖Fig.4 The three direction assemblages of NSPAD for shock test

2014年10月，NSPAD根據(jù)《艦船機(jī)械、設(shè)備與系統(tǒng)沖擊試驗要求》(MIL-S-901D)的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行了沖擊試驗，在與試驗基座剛性連接的條件下進(jìn)行3個方向上的試驗，即水密門垂直方向，水密門在門板平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)45°的方向和水密門在門板面外旋轉(zhuǎn)45°方向[22]。認(rèn)證試驗過程中，NSPAD無任何結(jié)構(gòu)破損，并通過了沖擊測試前后進(jìn)行的靜水壓試驗。

此外，NSPAD通過了標(biāo)準(zhǔn)《密封部件電磁屏蔽性能測試》(IEEE-STD-299)規(guī)定的電磁干擾試驗、標(biāo)準(zhǔn)《艦船設(shè)備機(jī)械振動試驗標(biāo)準(zhǔn)》(MIL-STD-167)規(guī)定的頻率為25 Hz的振動試驗，以及標(biāo)準(zhǔn)《水面艦船耐火性能實踐標(biāo)準(zhǔn)》(MIL-STD-3020)規(guī)定的1100℃高溫灼燒10 min的耐火性能試驗[23]。

2.4 NSPAD的上艦服役鑒定結(jié)果

2011年12月前，美國海軍在“蒙特利”號(CG 61)巡洋艦、“波特”號(DDG 78)驅(qū)逐艦、“黃蜂”號(LHD 1)兩棲登陸艦等3艘艦船平臺上安裝了8套NSPAD進(jìn)行上艦服役鑒定。至2014年，兩年半的水密門服役結(jié)果表明，8套門中只有1套在每天開關(guān)2 000次的情況下，改裝過把手并更換過5次襯墊外，其余7套均未進(jìn)行過計劃性維修，達(dá)到了服役鑒定的要求。經(jīng)過改進(jìn)后，不久或?qū)⑴可a(chǎn)和安裝以替換原有的標(biāo)準(zhǔn)水密門并應(yīng)用在新艦船平臺上[24]。

3 結(jié) 語

從國外海軍艦船水密門的應(yīng)用和發(fā)展看，處于技術(shù)領(lǐng)先地位的美國海軍在水密門的設(shè)計、測試、使用和維護(hù)等方面均有較系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，新型水密門的研制速度也較快。這給我們帶來了一些可借鑒的方向：

1)增大承載荷能力。靜水壓承載能力是水密門最重要的的性能指標(biāo)之一，美國海軍艦船水密門的靜水壓承載能力最大為0.10 MPa，比目前我國水密門的承載荷能力高。在平衡綜合性能的基礎(chǔ)上，應(yīng)進(jìn)一步增大我國艦船水密門的靜水壓承載能力。

2)提高抗沖擊性能?？箾_擊性能的高低是水密門在高海況情況下能否保持水密性的重要因素。美國海軍將水密門作為對艦船安全和持續(xù)作戰(zhàn)能力最重要的類別來進(jìn)行質(zhì)量認(rèn)證的沖擊試驗。在水密門的研制過程中，應(yīng)建立沖擊試驗的標(biāo)準(zhǔn)并嚴(yán)格執(zhí)行，以提高水密門的抗沖擊性能。

3)提升標(biāo)準(zhǔn)化程度。種類復(fù)雜的水密門會給使用和維護(hù)帶來巨大負(fù)擔(dān)，國外海軍艦船均采用軍用標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對水密門的尺寸規(guī)格、使用和維護(hù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，以提高通用性。在水密門的研制和使用中，應(yīng)逐步統(tǒng)一規(guī)格，建立和完善標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，提升水密門的標(biāo)準(zhǔn)化程度。

4)加快新型水密門研制。國外海軍艦船水密門正朝著減輕重量、提高耐腐蝕能力2個方向發(fā)展，減輕重量對于艦船的機(jī)動性和持續(xù)作戰(zhàn)能力具有重要意義，提高耐腐蝕能力可大幅降低維護(hù)成本。不銹鋼或復(fù)合材料等新材料、激光焊接等新工藝的發(fā)展為實現(xiàn)該目標(biāo)提供了可能。因此，應(yīng)加快重量輕、耐腐蝕的新型水密門的開發(fā)和傳統(tǒng)水密門的更新?lián)Q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

田正東(1972-)，男，高級工程師，研究方向為船舶工程。

TP393

A

1672-7649(2015)12-0175-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2015.12.036