（武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430205）

0 引言

高壓空氣系統(tǒng)接頭是構(gòu)成艦用高壓空氣系統(tǒng)的基本單元，早期的艦船高壓空氣系統(tǒng)最高壓力級(jí)為20 MPa和25 MPa，隨著裝備任務(wù)剖面不斷擴(kuò)展，艦船高壓空氣系統(tǒng)的壓力級(jí)提高到40 MPa，CB 316標(biāo)準(zhǔn)接頭壓力級(jí)不再滿(mǎn)足系統(tǒng)使用要求，需要研究一種高壓力級(jí)的接頭。

目前，國(guó)內(nèi)外不同行業(yè)對(duì)高壓空氣密封連接方面的研究已經(jīng)較多，航空航天和陸用系統(tǒng)已有較成熟的40 MPa級(jí)高壓空氣接頭，其密封面主要采用球面和錐面接觸的線密封結(jié)構(gòu)，以提高密封比壓，然而這種密封結(jié)構(gòu)在艦船高壓空氣系統(tǒng)使用時(shí)，由于船體變形會(huì)在高壓空氣管路施加附加載荷，易引起管路密封面錯(cuò)位，導(dǎo)致空氣泄漏；李廷等［1］提出一種套管形式的鐵基形狀記憶合金管接頭，室溫下使套管接頭擴(kuò)孔形變，插入被連接管子后，加熱接頭至一定溫度，套管接頭收縮抱緊管子，達(dá)到連接管道目的，但該型接頭對(duì)實(shí)船施工環(huán)境考慮不足，實(shí)際施工過(guò)程中很多部位無(wú)法滿(mǎn)足套管接頭所需的加熱空間要求；王新海等［2］在CB 316標(biāo)準(zhǔn)接頭結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)比了平墊片、橡膠O型圈、空心金屬O型環(huán)、錐面密封、透鏡墊和八角墊6中密封結(jié)構(gòu)的密封性能，結(jié)果表明40 MPa高壓空氣系統(tǒng)的DN32管接頭采用鋸齒平墊和透鏡墊2種密封結(jié)構(gòu)可滿(mǎn)足密封要求，但對(duì)CB 316接頭使用過(guò)程中暴露的結(jié)構(gòu)適應(yīng)性不足問(wèn)題未做研究；Buchter對(duì)金屬密封進(jìn)行的試驗(yàn)研究表明，金屬密封面的接觸區(qū)產(chǎn)生彈性變形的接觸力不能形成耐高壓的緊密密封，只有在密封接觸力使接觸面產(chǎn)生永久變形時(shí)，才能形成密封，且密封接觸力是墊片材料屈服強(qiáng)度的兩倍等［2］。

通過(guò)上述文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外不同行業(yè)對(duì)高壓空氣密封連接的研究為艦船用40 MPa高壓空氣接頭研制奠定了較好的研究基礎(chǔ)，但由于使用環(huán)境的特殊性，必須從材料強(qiáng)度、密封性能、操縱力矩等多方面著手，研究一種新的40MP高壓空氣接頭，以滿(mǎn)足艦艇40 MPa高壓空氣系統(tǒng)使用需求。

1 艦船高壓空氣系統(tǒng)接頭應(yīng)用情況

早期艦船高壓空氣系統(tǒng)壓力級(jí)為20 MPa，采用的是CB 316-64標(biāo)準(zhǔn)的高壓空氣接頭，通徑為DN15、DN20、DN32三種?；窘M成和連接方式如圖1所示：系統(tǒng)管路和接頭平肩材料為HDR雙相不銹鋼，旋入接頭材料為20#鋼，外套螺母材料為QAl9-2鋁青銅，密封墊片材料為T(mén)2紫銅，各部件材料力學(xué)性能及在海水中腐蝕電位見(jiàn)表1［3-14］。

圖1 CB 316-64標(biāo)準(zhǔn)高壓空氣接頭組成及連接方式示意Fig.1 Schematic diagram of CB 316-64 high pressure air joint composition and connection method

隨著高壓空氣系統(tǒng)壓力級(jí)提高到25 MPa，艦船高壓空氣系統(tǒng)改用CB 316-95標(biāo)準(zhǔn)的接頭，其結(jié)構(gòu)形式與CB 316-64基本相同，在實(shí)際使用過(guò)程中，上述標(biāo)準(zhǔn)接頭出現(xiàn)了外套螺母變形、開(kāi)裂和旋入接頭銹蝕嚴(yán)重的問(wèn)題。

表1 CB 316-64標(biāo)準(zhǔn)接頭各部件材料力學(xué)性能及在海水中腐蝕電位Tab.1 Mechanical properties of parts and corrosion potential in seawater of CB 316-64 joint

分析認(rèn)為，接頭失效主要原因?yàn)椋?/p>

（1）外套螺母強(qiáng)度偏低，設(shè)計(jì)安全余量偏小。CB 316標(biāo)準(zhǔn)接頭外套螺母材料為QAl9-2鋁青銅，抗拉強(qiáng)度約為平肩接頭HDR材料強(qiáng)度的2/3，正常工況下設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿(mǎn)足要求，但受船體變形和管路充放氣影響，存在交變應(yīng)力；而且長(zhǎng)時(shí)間海水浸泡，工作環(huán)境極為惡劣。

（2）操縱力矩大。CB 316標(biāo)準(zhǔn)接頭滿(mǎn)足系統(tǒng)密性要求的實(shí)測(cè)操縱力矩值達(dá)到600 N·m，安裝時(shí)外套螺母操縱力矩過(guò)大、撞擊式拆裝或管路安裝對(duì)中度不好，導(dǎo)致外套螺母承受過(guò)大的應(yīng)力。

（3）旋入接頭材料耐蝕性差。CB 316標(biāo)準(zhǔn)接頭的旋入接頭材質(zhì)為20#鋼，在海水中耐腐蝕性較差；而且與外套螺母材質(zhì)存在明顯電位差，海水滲入后，易形成電偶腐蝕。

鑒于CB 316標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)形式的高壓空氣接頭在實(shí)際使用中暴露的上述諸多問(wèn)題，高壓空氣系統(tǒng)升級(jí)至40 MPa后，CB 316標(biāo)準(zhǔn)接頭除壓力級(jí)不滿(mǎn)足系統(tǒng)使用要求外，部件材料和結(jié)構(gòu)形式也需進(jìn)行改進(jìn)。

2 技術(shù)方案

2.1 密封技術(shù)

25 MPa高壓空氣接頭密封墊片采用的是帶3～6圈直角齒的T2紫銅墊片，密封效果良好。系統(tǒng)壓力級(jí)提高到40 MPa后，為避免船體變形施加在高壓空氣管路附加載荷引起的管路密封面錯(cuò)動(dòng)影響系統(tǒng)密性，40 MPa接頭的總體連接結(jié)構(gòu)，仍采用外套螺母壓緊平肩接頭的結(jié)構(gòu)，為簡(jiǎn)化接頭結(jié)構(gòu)，將原CB 316標(biāo)準(zhǔn)接頭的旋入接頭和左側(cè)平肩接頭合并為一個(gè)部件；同時(shí)為提高密封比壓，滿(mǎn)足40 MPa系統(tǒng)使用要求，我們提出將鋸齒形密封墊片更換為梯形平墊片，并在旋入接頭和平肩接頭的密封面上刻制密封槽，進(jìn)一步提高密封可靠性，新型接頭連接及密封結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 40 MPa接頭密封形式示意Fig.2 Schematic diagram of 40 MPa joint sealing form

2.2 材料匹配性技術(shù)

艦用高壓空氣管路采用HDR雙相不銹鋼，與管路對(duì)焊連接的旋入接頭、平肩接頭應(yīng)與管路材料匹配，故采用HDR材料，因此新型40 MPa高壓空氣接頭的部件材料主要圍繞HDR材料進(jìn)行匹配。主要考慮以下影響因素：艦用40 MPa高壓空氣接頭處于干、濕交替的海水腐蝕環(huán)境之中，系統(tǒng)壓力級(jí)高，因此要求接頭基本材料具有良好的耐腐蝕性能，較高的強(qiáng)度，良好的機(jī)加工性能；同時(shí)由于浸泡在海水介質(zhì)中，接頭各部件材料之間不能存在較大電位差，否則易產(chǎn)生電位腐蝕導(dǎo)致部件失效，對(duì)艦艇安全性造成不良影響；配對(duì)接頭部件的螺紋副還要注意防止產(chǎn)生咬合，不能影響接頭拆卸。

HDR材料抗拉強(qiáng)度σb為≥650 MPa，耐腐蝕性能良好，在海水中的電位為+134～+165 mV/SCE，首先，我們以強(qiáng)度、腐蝕電位、耐蝕性等與HDR相當(dāng)KA145抗咬合金材料作為接頭外套螺母材料，提出了40 MPa抗咬合金接頭方案。但在實(shí)際試驗(yàn)中，由于KA145材料機(jī)加工性能差，精度控制不好時(shí)，個(gè)別接頭會(huì)出現(xiàn)外套螺母和旋入接頭螺紋咬合的問(wèn)題，因此該技術(shù)方案不是40 MPa高壓空氣接頭的最佳方案。

通過(guò)擴(kuò)大外套螺母材料選擇范圍，我們發(fā)現(xiàn)了一種廣泛用于飛機(jī)起落架作動(dòng)筒襯套以及輔機(jī)結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度軸套、螺帽等材料的高強(qiáng)度耐蝕性銅合金材料QAl10-4-4鋁青銅，其與HDR、鋁青銅QAl9-2材料性能對(duì)比見(jiàn)表2。

QAl10-4-4銅合金材料耐蝕性好，加工性能優(yōu)良；不會(huì)同HDR旋入接頭的螺紋副發(fā)生咬合；在海水中的腐蝕電位略高于QAl9-2，參照CB 316標(biāo)準(zhǔn)接頭的使用經(jīng)驗(yàn)，鋁青銅外套螺母和平肩接頭之間無(wú)明顯電偶腐蝕。因此，QAl10-4-4銅合金材料可以用作40 MPa高壓空氣接頭外套螺母材料，40 MPa銅合金高壓空氣接頭各部件材料選型情況見(jiàn)表3。

表2 QAl10-4-4銅合金材料與HDR、鋁青銅QAl9-2等材料性能對(duì)比Tab.2 Comparison of properties of QAl10-4-4 with HDR，QAl9-2 and other materials

表3 40MPa銅合金高壓空氣接頭各部件材料選型方案Tab.3 Material selection scheme of parts of 40 MPa copper alloy high pressure air joint

2.3 低操縱力矩技術(shù)

隨著接頭工作壓力從25 MPa提高至40 MPa，如仍采用原密封結(jié)構(gòu)，滿(mǎn)足系統(tǒng)密性要求的接頭操縱力矩必然隨之增加。新研40 MPa銅合金高壓空氣接頭通過(guò)采用梯形密封墊片、V形密封槽和QAl10-4-4外套螺母等設(shè)計(jì)方案，減小了密封面接觸面積，有利于提高密封比壓。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)及Buchter對(duì)金屬密封進(jìn)行的試驗(yàn)研究結(jié)果，作者對(duì)新型40 MPa銅合金接頭操縱力矩進(jìn)行了設(shè)計(jì)核算，外套螺母QAl10-4-4銅合金材料與平肩接頭HDR間摩擦系數(shù)取0.15；密封比壓參考閥門(mén)密封比壓計(jì)算公式，并和Buchter提出接觸比壓計(jì)算方式進(jìn)行比較，取較大值進(jìn)行操縱力矩計(jì)算，計(jì)算得到的不同通徑40 MPa銅合金接頭操縱力矩計(jì)算值見(jiàn)表4。

表4 40 MPa銅合金接頭操縱力矩計(jì)算值Tab.4 Operating torque calculations of 40 MPa copper alloy joint

綜上所述，通過(guò)低操縱力矩的設(shè)計(jì)方案，新型40 MPa銅合金高壓空氣接頭的理論操縱力矩較CB 316標(biāo)準(zhǔn)接頭有較大程度降低。

3 有限元仿真分析與計(jì)算

艦艇船體在不同工作深度的結(jié)構(gòu)變形，會(huì)對(duì)與船體剛性連接的高壓空氣管路產(chǎn)生附加載荷，鑒于高壓空氣接頭在船體變形過(guò)程中受力情況比較復(fù)雜，為了確切分析接頭的性能和主要零部件受力情況，我們采用ANSYS有限元分析軟件，建立了高壓空氣管接頭和典型高壓空氣管路的仿真計(jì)算模型，對(duì)高壓空氣管路及接頭隨船體變形的受力情況進(jìn)行了建模和有限元仿真分析與計(jì)算。

3.1 仿真模型

以DN32的B型銅合金高壓空氣中間接頭為例，幾何模型如圖3所示。接頭有限元模型如圖4所示，分析中根據(jù)對(duì)稱(chēng)性，取一半模型進(jìn)行分析。外套螺母和平肩接頭倒角如圖5所示。

圖3 B型高壓空氣中間接頭幾何模型Fig.3 Geometric model of B-type high pressure air intermediate joint

圖4 高壓空氣典型管路及接頭有限元模型Fig.4 Finite element model of typical high-pressure air pipelines and joints

圖5 外套螺母和平肩接頭倒角示意Fig.5 Schematic diagram of chamfering of outer shell nut and flat shoulder joint

模型網(wǎng)格劃分如圖6所示，采用整體、局部相結(jié)合方法劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格細(xì)化處采用六面體單元，其余采取四面體單元，既提高了仿真的精準(zhǔn)度，又合理減少了計(jì)算量；并通過(guò)對(duì)不同網(wǎng)格密度模型的試算，綜合考慮網(wǎng)格無(wú)關(guān)性和計(jì)算效率，選擇了中等密度的網(wǎng)格進(jìn)行最終的仿真計(jì)算。

圖6 模型網(wǎng)格劃分Fig.6 Mesh division of finite element model

3.2 仿真結(jié)果

選擇艦艇常用工作深度的船體變形量δ=4 mm和設(shè)計(jì)極限工作深度的船體變形量δ=6 mm為仿真計(jì)算的輸入，計(jì)算高壓空氣系統(tǒng)管路與船體的剛性連接點(diǎn)間距取2 m和3 m兩種典型工況，載荷加載分為預(yù)緊力加載和變形量加載2個(gè)載荷步，不同工況的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 計(jì)算結(jié)果匯總Tab.5 Summary of calculation results

以接頭應(yīng)力最為惡劣的管路長(zhǎng)度2 m、船體變形量6 mm工況為例，外套螺母應(yīng)力分布如圖7所示。

圖7 管路長(zhǎng)度2 m船體變形量6 mm工況外套螺母應(yīng)力分布Fig.7 Stress distribution of outer shell nut under the condition of 2 m pipeline length and 6 mm hull deformation

由以上有限元分析結(jié)果可知：

（1）通過(guò)增加高壓空氣管路與船體剛性連接點(diǎn)的間距，可以減小船體變形附加載荷引起管路接頭應(yīng)力，在管路長(zhǎng)度2 m、船體變形量6 mm工況下，青銅QAl10-4-4材料外套螺母最大應(yīng)力值 424.2 MPa，與材料屈服極限（σ0.2≥480 MPa）和抗拉極限（σb≥635 MPa）相比，仍有一定儲(chǔ)備強(qiáng)度，但安全系數(shù)已經(jīng)較低，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量避免高壓空氣管路與船體剛性連接點(diǎn)的間距過(guò)小。

（2）高壓空氣管路與船體剛性連接點(diǎn)的間距達(dá)到3 m時(shí)，即使在設(shè)計(jì)極限工作深度引起的船體變形量下，鋁青銅QAl10-4-4材料外套螺母最大應(yīng)力值349.7 MPa，與材料屈服極限（σ0.2≥480MPa）和 抗 拉 極 限（σb≥635 MPa）相比，仍有較高的儲(chǔ)備強(qiáng)度，可滿(mǎn)足系統(tǒng)使用需求。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證分析

4.1 試驗(yàn)內(nèi)容

按照上述方案，制造了DN32的40 MPa銅合金中間接頭樣機(jī)，為驗(yàn)證40 MPa銅合金高壓空氣接頭的實(shí)際性能，開(kāi)展了以下試驗(yàn)內(nèi)容的試驗(yàn)驗(yàn)證研究：（1）重復(fù)組裝試驗(yàn)，驗(yàn)證接頭拆裝靈活性；（2）液壓強(qiáng)度試驗(yàn)，檢驗(yàn)接頭材料的水壓強(qiáng)度；（3）緊密性試驗(yàn)，檢驗(yàn)接頭的密封性；（4）爆破試驗(yàn)，檢驗(yàn)接頭的極限承壓能力；（5）拉脫試驗(yàn)，檢驗(yàn)接頭的抗軸向負(fù)荷能力；（6）振動(dòng)（疲勞）、脈沖試驗(yàn)，驗(yàn)證接頭在壓力交變下的綜合性能；（7）操縱力矩試驗(yàn)，確定接頭最小擰緊扭矩。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

40 MPa銅合金高壓空氣接頭樣機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6，表6同時(shí)給出了達(dá)到相應(yīng)試驗(yàn)要求的接頭操縱力矩。

表6 40 MPa銅合金接頭樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Test results of 40 MPa copper alloy joint prototype

綜上所述，由表6中試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，研制的40 MPa銅合金高壓空氣接頭強(qiáng)度、密性、爆破、拉脫及振動(dòng)（疲勞）、脈沖等各項(xiàng)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果都滿(mǎn)足系統(tǒng)使用要求，設(shè)計(jì)工況的操縱力矩約為350 N·m，比 CB 316標(biāo)準(zhǔn)的 25 MPa高壓空氣接頭緊固力矩下降30%以上，在保證系統(tǒng)密性同時(shí)，有效降低了操縱力矩，有利于現(xiàn)場(chǎng)安裝［3-8］。

5 結(jié)語(yǔ)

本文借鑒前人對(duì)金屬密封接觸力和密封結(jié)構(gòu)的研究成果，提出采用梯形墊片和密封槽結(jié)合的密封結(jié)構(gòu)，與鋸齒平墊相比，增加了接頭的密封比壓，降低了操縱力矩；通過(guò)仿真計(jì)算和接頭樣機(jī)的強(qiáng)度、密性、爆破、拉脫等試驗(yàn)結(jié)果表明，研制的艦用40 MPa銅合金接頭滿(mǎn)足艦船40 MPa高壓空氣系統(tǒng)使用要求，并且具有強(qiáng)度高、加工容易、操縱力矩小等諸多優(yōu)點(diǎn)，該型接頭的研究成功，可解決高壓空氣系統(tǒng)壓力級(jí)提升難題，具有極強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值。