劉平小,方以群,顧靖華,柳初萌,廖昌波,高文順,蔣文冬
閉式潛水呼吸器(closed circuit rebreather, CCR)具有水下呼吸時間長、呼吸氣體使用效率高和幾乎不產(chǎn)生氣泡的優(yōu)點,攜帶的呼吸氣體有氧氣和稀釋氣(氮氧混合氣),設(shè)計時要求氣瓶外形尺寸小、質(zhì)量小、容積大,內(nèi)置于防護(hù)殼體內(nèi)。傳統(tǒng)的潛水圓柱狀鋁、鋼和碳纖維氣瓶大多數(shù)外置懸掛,外形尺寸大、質(zhì)量大、相對容積小,無法滿足閉式/半閉式潛水呼吸器設(shè)計需求。
鈦合金材料(TC4)具有密度小、磁性弱、抗蝕性好、化學(xué)活性大和強(qiáng)度高等優(yōu)點,密度為4.5 g/cm3左右,僅為鋼的60%,在潮濕的大氣和海水介質(zhì)中工作,其抗蝕性遠(yuǎn)優(yōu)于不銹鋼;對點蝕、酸蝕、應(yīng)力腐蝕的抵抗力特別強(qiáng);對堿、氯化物、氯的有機(jī)物品、硝酸、硫酸等有優(yōu)良的抗腐蝕能力。因此,選用該材料制造閉式/半閉式潛水呼吸器的氣瓶,要求可重復(fù)充裝對鈦合金具有化學(xué)穩(wěn)定性的永久氣體(空氣、氧氣、氦氣、二氧化碳等),具體技術(shù)要求見表1。
表1 2.4 L鈦合金球形氣瓶技術(shù)要求
根據(jù)QJ 1654[1]的規(guī)定,選用的原材料為TC4鈦合金,其化學(xué)成分應(yīng)符合GB/T3620.1[2],并有相應(yīng)批次材料的材質(zhì)證明書。經(jīng)過時效熱處理后,應(yīng)達(dá)到如下力學(xué)性能指標(biāo)要求:抗拉強(qiáng)度為890 MPa;屈服強(qiáng)度為983 MPa;斷裂伸長為6%。
2.1 安全系數(shù)
按QJ1654規(guī)定強(qiáng)度極限進(jìn)行氣瓶設(shè)計,并規(guī)定強(qiáng)度安全系數(shù)為nb=1.5~2.0,而具體數(shù)值根據(jù)實際使用情況自行確定。潛水氣瓶中較為普遍的是鋁合金氣瓶和鋼瓶,依據(jù)GB/T11640[3],鋁合金無縫氣瓶的安全系數(shù)一般取值2.1~2.4。同理,依據(jù)GB5099[4]鋼質(zhì)無縫氣瓶的強(qiáng)度安全系數(shù)為2.3~2.5。所以,本鈦合金球形氣瓶作為潛水氣瓶使用,其材料力學(xué)性能指標(biāo)遠(yuǎn)大于鋁合金和鋼,故取強(qiáng)度安全系數(shù)為2進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計計算。
2.2 設(shè)計計算
2.2.1 內(nèi)徑計算 根據(jù)技術(shù)要求的規(guī)定,氣瓶采用球形結(jié)構(gòu)。根據(jù)容積要求,對氣瓶的內(nèi)徑進(jìn)行核算:
(1)
式中:Di為氣瓶內(nèi)徑,單位為mm;
V為氣瓶容積,單位為mm3,取值2.4×106mm3(即2.4 L)。
2.2.2 壁厚計算 依據(jù)QJ1654標(biāo)準(zhǔn),則氣瓶的壁厚為:
(2)
式中:S為氣瓶壁厚,單位為mm;
P為氣瓶最高工作壓力,單位為MPa,取值30 MPa;
Di為氣瓶內(nèi)徑,單位為mm,取值165.82 mm;
σb為抗拉強(qiáng)度,單位為MPa,取值890 MPa;
nb為強(qiáng)度安全系數(shù),取值2;
φ為焊縫系數(shù),取φ=0.85。
2.2.3 螺紋計算 本氣瓶瓶嘴采用常規(guī)潛水呼吸器氣瓶的M18×1.5-6H螺紋瓶嘴結(jié)構(gòu),如圖1所示。
圖1 瓶嘴結(jié)構(gòu)
根據(jù)潛水呼吸器氣瓶的一般規(guī)定,水壓試驗壓力條件下瓶口螺紋的剪切安全系數(shù)應(yīng)不小于10。與氣瓶連接的瓶閥外螺紋一般采用M18×1.5-6g,根據(jù)螺紋標(biāo)準(zhǔn),M18×1.5螺紋的牙型角為60°,則相關(guān)參數(shù)如表2、3所示。
表2 瓶口螺紋尺寸(mm)
表3 閥門螺紋尺寸(mm)
內(nèi)螺紋牙的受剪面積An:
(3)
最大軸向外載荷Fw:
Fw=PA=45×3.14×18.02÷4=11 445.3 N
(4)
(5)
螺紋剪切應(yīng)力安全系數(shù):
(6)
因此,當(dāng)瓶嘴螺紋牙數(shù)不少于5時,水壓試驗壓力條件下膽嘴螺紋剪切應(yīng)力安全系數(shù)>10,滿足要求。
2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計
根據(jù)上述計算結(jié)果,取的設(shè)計參數(shù)如下:氣瓶內(nèi)徑165.82 mm,壁厚3.35 mm,瓶口螺紋M18×1.5-6H,完整螺紋牙數(shù)≥6。
氣瓶僅設(shè)計一個瓶口,氣瓶簡圖如圖2所示。
圖2 2.4 L鈦合金球形氣瓶結(jié)構(gòu)圖
在氣瓶瓶嘴處的圓柱面加工出2個對稱的凹槽,以方便利用扳手裝卸瓶閥。經(jīng)測算,氣瓶參數(shù)符合對外形尺寸和質(zhì)量的技術(shù)要求,結(jié)果如下:氣瓶外徑172.5 mm,氣瓶長度200 mm,氣瓶質(zhì)量1.9 kg。
結(jié)合高壓氣瓶及鈦合金加工生產(chǎn)經(jīng)驗,并從降低氣瓶批量生產(chǎn)成本考慮,2.4 L鈦合金球形氣瓶采用鈦合金板材經(jīng)壓力成形出2個半球,利用鈦合金棒材機(jī)械加工出氣瓶嘴,然后將氣瓶嘴、2個半球焊接而成球形氣瓶的工藝方案,如圖3所示。
圖3 2.4 L鈦合金球形氣瓶工藝流程圖
當(dāng)溫度超過350 ℃時,TC4鈦合金塑性、韌性等性能會發(fā)生較大變化,合金的性能很大程度上依賴于熱處理[5]。因此,在加工和焊接過程中應(yīng)嚴(yán)格控制溫度,要采取措施抑制其溫度升高。焊接時,焊縫區(qū)結(jié)構(gòu)和焊接工藝對氣瓶的安全性和疲勞循環(huán)壽命有極大的影響,在焊縫區(qū)應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計,降低焊縫處應(yīng)力水平,對近焊縫區(qū)進(jìn)行平滑變厚度設(shè)計,提高氣瓶殼體的應(yīng)變協(xié)調(diào)[6]。在2.4 L鈦合金球形氣瓶工藝設(shè)計中,進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和焊接工藝改進(jìn),確保其焊接接頭質(zhì)量和力學(xué)性能,使應(yīng)力水平較低,不會導(dǎo)致應(yīng)力集中。同時采用了真空熱處理爐進(jìn)行熱處理,使TC4鈦合金的微觀組織和力學(xué)性能沒有產(chǎn)生異變[7]。
TC4鈦合金在焊接時,易產(chǎn)生氣孔和形成冷裂紋,焊接接頭易粗化、脆化[8]。為了增強(qiáng)2.4 L鈦合金球形氣瓶的強(qiáng)度,經(jīng)過對本體打磨、拋光和超聲波等表面處理后進(jìn)行等離子滲碳,提高硬質(zhì)膜層和基體的匹配性,增強(qiáng)其抗沖蝕性能[9]。
按照QJ1655[10],鈦合金球形氣瓶應(yīng)進(jìn)行氣密性、強(qiáng)度、疲勞和爆破試驗。氣瓶逐只進(jìn)行工作壓力(30 MPa)下的氣密試驗和1.5倍工作壓力(45 MPa)的水壓強(qiáng)度試驗,每批氣瓶中抽取1只氣瓶進(jìn)行疲勞試驗,抽取1只氣瓶進(jìn)行爆破試驗,并應(yīng)滿足相關(guān)試驗要求。
水壓強(qiáng)度試驗壓力按QJ1654-89 9.1 ,強(qiáng)度試驗壓力Pa=(1.4~1.6)P,P=30 MPa,取值1.5,即強(qiáng)度試驗壓力為45 MPa,保壓60 s,殘余變形<5%。疲勞試驗次數(shù)為6 000次,疲勞試驗介質(zhì)為液壓油,抽樣進(jìn)行。爆破壓力按照工作壓力為30 MPa,爆破強(qiáng)度系數(shù)2.5~3.0,因此爆破壓力取值90 MPa??紤]到實際爆破值可能遠(yuǎn)高于90 MPa,在 90 MPa時保壓30 s,不破裂為合格,后期升壓至爆破為止,實際爆破壓力值為102.6 MPa,爆破試驗介質(zhì)為純凈水或自來水。