何 磊，程文淵，宋 剛，徐宏健

(1. 海軍裝備部駐上海地區(qū)第二軍事代表室，上海 200129；2. 中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心，北京 100029；3. 中國船舶集團(tuán)公司第七〇一研究所上海分部，上海 201102)

0 引 言

海水系統(tǒng)是艦船裝備的重要系統(tǒng)，包括日用海水系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、水幕系統(tǒng)、海水冷卻系統(tǒng)等，對于保證艦船裝備的生命力、安全性及可靠性等指標(biāo)至關(guān)重要。具有用量大、分布廣、維修保養(yǎng)復(fù)雜的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)選材、振動和噪聲控制、綜合防腐防污等直接影響艦船裝備的綜合性能。鈦合金具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕的特點(diǎn)，被歐洲、美國、俄羅斯廣泛應(yīng)用于艦船裝備的耐壓殼體、熱交換器、冷凝器、核反應(yīng)堆外殼以及配套管道系統(tǒng)，已經(jīng)解決了焊接工藝、電偶腐蝕、生物防污等應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，同時正在開展深入研究，以更好解決經(jīng)濟(jì)性問題[1-2]。在艦船裝備研制過程中，鈦合金海水管路系統(tǒng)的應(yīng)用驗(yàn)證考核是一項(xiàng)非常重要的工作，長期以來沒有形成成熟規(guī)范的評價方法。這對艦船研制工作順利轉(zhuǎn)階段，以及進(jìn)度、性能和成本的控制將造成嚴(yán)重影響。

2001年以來，美國國防部開始在國防采辦項(xiàng)目中引入NASA提出的技術(shù)成熟度標(biāo)準(zhǔn)，并分別于2003，2005，2009，2011年公布了4版技術(shù)成熟度評價手冊和指南，規(guī)范美軍國防采辦項(xiàng)目技術(shù)成熟度評價的程序和標(biāo)準(zhǔn)。2012－2014年，國內(nèi)制定了相應(yīng)的技術(shù)成熟度國家軍用標(biāo)準(zhǔn)，包括2份頂層國軍標(biāo)和8份二級指南，其中就包括針對艦船裝備的技術(shù)成熟度評價規(guī)范，技術(shù)成熟度評價在艦船領(lǐng)域的電磁兼容設(shè)計(jì)系統(tǒng)、大型艦船研制風(fēng)險評估中也得到了應(yīng)用，并開發(fā)了相應(yīng)的評估系統(tǒng)[3-8]。本文將技術(shù)成熟度評價方法引入到艦船裝備鈦合金海水管路系統(tǒng)評估工作，研究提出一種基于技術(shù)成熟度量化評價的決策方法，提高論證工作的科學(xué)性和精細(xì)化水平。

1 鈦合金海水管路系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)識別

1.1 鈦合金海水管路系統(tǒng)技術(shù)分解結(jié)構(gòu)

按照技術(shù)成熟度評價方法，根據(jù)大型艦船鈦合金海水管路系統(tǒng)總體技術(shù)方案，構(gòu)建大型艦船海水管路系統(tǒng)的技術(shù)分解結(jié)構(gòu)（TBS），是對大型艦船海水管路系統(tǒng)自上而下逐級分解形成的一個層次體系。該層次體系以海水管路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)為核心，由一群技術(shù)組成一個技術(shù)集合。它將海水管路系統(tǒng)的功能性需求層層傳遞下去，直至最底層的獨(dú)立技術(shù)單元。該結(jié)構(gòu)應(yīng)能完全限定海水管路系統(tǒng)的功能劃分，并表示出各個技術(shù)單元之間的關(guān)系。本文將鈦合金海水管路系統(tǒng)分為總體設(shè)計(jì)技術(shù)、建造技術(shù)、成品件和保障技術(shù)四大類共42項(xiàng)技術(shù)單元。如圖1所示。

圖1 大型艦船裝備海水管路系統(tǒng)技術(shù)分解結(jié)構(gòu)Fig. 1 The technology breakdown structure of large ship seawater piping systems

1.2 鈦合金海水管路系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)清單

在技術(shù)成熟度評價方法論中，關(guān)鍵技術(shù)元素（CTE）是指：1）該項(xiàng)技術(shù)能否在可接受的研發(fā)進(jìn)度，以及研發(fā)、生產(chǎn)和運(yùn)行成本的范圍內(nèi)滿足系統(tǒng)性能需求；2）該項(xiàng)技術(shù)或其應(yīng)用方式是否是新的或新穎，再或其應(yīng)用的領(lǐng)域內(nèi)在詳細(xì)設(shè)計(jì)或演示驗(yàn)證期間是否存在重大技術(shù)風(fēng)險[6]。按照重要性和新穎性原則，在針對42項(xiàng)技術(shù)單元進(jìn)行遍歷分析后，形成了包括鈦合金離心泵技術(shù)等9項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)元素作為最終的關(guān)鍵技術(shù)清單，為后續(xù)開展技術(shù)成熟度評價奠定基礎(chǔ)。

1）以鈦合金離心泵技術(shù)為例，鈦合金離心泵為實(shí)現(xiàn)泵設(shè)備的輕量化，抗海水腐蝕性及使用壽命，以抗腐蝕性能、質(zhì)量密度及材料強(qiáng)度更優(yōu)的鈦合金替換原銅合金材料，主要更換泵體、葉輪等過流部件及泵軸等主要零件材料，以實(shí)現(xiàn)在海水環(huán)境下的使用。主要技術(shù)指標(biāo)為: 流量20～150 m3/h，揚(yáng)程30～90 m，吸上高度3.5 m，氣蝕余量4 m等；主要技術(shù)難點(diǎn)為：主要零部件（泵體、葉輪、導(dǎo)葉）等鑄件鑄造工藝性、泵組整體材料不同海域耐腐蝕性能的研究。

重要性分析：鈦合金離心泵對海水管路系統(tǒng)的流量、揚(yáng)程、氣蝕余量有直接影響，進(jìn)而直接影響管路以及整個系統(tǒng)使用壽命。

新穎性分析：鈦離心泵采用新材料，此前在民船上用過，但未在海水環(huán)境下使用，本文要求在海水環(huán)境使用，要考慮腐蝕、防污等因素，使用環(huán)境發(fā)生較大變化，存在技術(shù)風(fēng)險。

2）以異種金屬接觸防腐蝕技術(shù)為例，鈦合金海水管路系統(tǒng)中，在法蘭連接、穿艙件、螺紋連接等地方，采用鈦合金材料與銅、鋼等金屬點(diǎn)位差較大，容易產(chǎn)生電偶腐蝕。主要通過各種惰性材料（包括密封材料）制成墊片、套管，以及涂層等途徑來方式鈦合金與其他金屬的接觸，以防止發(fā)生電偶腐蝕。主要技術(shù)難點(diǎn)包括：高電位差的異種金屬接觸產(chǎn)生的電偶腐蝕防護(hù)控制有效性。

重要性分析：電絕緣組件、涂層等對防止管路系統(tǒng)異種金屬連接的電偶腐蝕具有重大作用。

新穎性分析：電絕緣組件、穿艙件等已在現(xiàn)役艦船型號上獲得使用，但未在鈦合金海水管系環(huán)境中使用，服役環(huán)境發(fā)生較大變化，存在技術(shù)風(fēng)險。

3）以鈦合金防海生物防污技術(shù)為例，該防污裝置包含電解防污控制儀和電解防污電極兩部分，其中電解防污控制儀用于精確控制防污電流，利用低壓直流電電解銅銀復(fù)合陽極（或通過制氯陽極電解海水），使海水中生成包括亞銅離子和銀離子（或次氯酸鈉）在內(nèi)的防污劑。產(chǎn)生的防污劑在管道中能夠抑制海生物生長或殺滅海生物，使鈦合金海水管路取得良好防污效果。主要技術(shù)指標(biāo)為：輸出電流直流0～2 A連續(xù)可調(diào)；輸出電壓直流0～12 V連續(xù)可調(diào)；半載紋波系數(shù)≤0.1%；直流電解出的防污銅離子濃度≥5 ppb；有效氯濃度≥20 ppb。主要技術(shù)難點(diǎn)是如何防止電解電極工作過程對鈦合金氫脆的影響。

重要性分析：鈦合金海水管路在使用過程中極易發(fā)生海生物污損，從而導(dǎo)致管路系統(tǒng)阻塞，影響系統(tǒng)的安全運(yùn)行，防污裝置的應(yīng)用能夠使生物兼容性良好的鈦合金管路系統(tǒng)免受海生物污損，以保障系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

新穎性分析：該防污裝置現(xiàn)已在民船上海水管路系統(tǒng)中得到應(yīng)用，此外裝置可對電流電壓實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測并能夠提供超限報(bào)警，目前該裝置首次在鈦合金管路系統(tǒng)濾器中應(yīng)用，可有效避免其他常規(guī)防污裝置應(yīng)用過程中對鈦合金管路造成的雜散電流及氫脆危害。

2 鈦合金海水管路系統(tǒng)技術(shù)成熟度評價規(guī)范

技術(shù)成熟度評價采用的評價標(biāo)準(zhǔn)包括TRL定義描述與TRL評價細(xì)則。其中，TRL定義描述可以用于衡量技術(shù)相對于項(xiàng)目或系統(tǒng)的成熟程度，已被美國、英國等多個國家廣泛采用；TRL評價細(xì)則是對技術(shù)成熟度各等級的包含的研制工作更為細(xì)致的劃分（與其研制流程緊密聯(lián)系），是對TRL定義中的各種內(nèi)涵因素深入細(xì)致的分析，可通過逐條對照的方法判定某項(xiàng)技術(shù)是否達(dá)到某一級的TRL[6]。根據(jù)鈦合金海水管路系統(tǒng)的研制特點(diǎn)，以《技術(shù)成熟度評價指南第六部分：艦船裝備》國家軍用標(biāo)準(zhǔn)（GJB/Z 173.6）為基礎(chǔ)，按照可操作性和體現(xiàn)鈦合金特點(diǎn)的原則，形成鈦合金海水管路系統(tǒng)項(xiàng)目技術(shù)成熟度評價專用規(guī)范，為后續(xù)開展技術(shù)成熟度評價提供參考依據(jù)。

艦船裝備鈦合金海水管路系統(tǒng)技術(shù)成熟度評價專用規(guī)范包含TRL定義描述和TRL評價細(xì)則兩部分。TRL定義分為9級，從技術(shù)載體、驗(yàn)證環(huán)境、逼真度等方面規(guī)定各級的具體要求，主要用于初步判定某項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的技術(shù)成熟度；TRL評價細(xì)則根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際特點(diǎn)，分為設(shè)備類、閥件類和管材類3部分，考慮到各關(guān)鍵技術(shù)的成熟度等級均集中在TRL3～7級，故本規(guī)范中主要圍繞TRL3～7進(jìn)行研究。

鈦合金海水管路系統(tǒng)項(xiàng)目的TRL定義主要參照GJB/Z 173.6中關(guān)于艦船技術(shù)的TRL定義，分為9級，具體描述如表1所示。

評價細(xì)則部分，設(shè)備類等級細(xì)則71條，閥件類等級細(xì)則71條，管材類等級細(xì)則67條。以設(shè)備類第6級為例，共包含15條，主要分布在交叉技術(shù)影響、建模仿真、性能試驗(yàn)等方面，如表2所示。

3 鈦合金海水管路系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)成熟度評價

3.1 評價結(jié)果整體情況

按照評價方法和流程要求，首先制定了包含5層、42項(xiàng)技術(shù)單元的鈦合金海水管路系統(tǒng)的技術(shù)分解結(jié)構(gòu)（TBS），依據(jù)重要性和新穎性原則，對TBS中的各項(xiàng)技術(shù)元素進(jìn)行遍歷分析，結(jié)合鈦合金海水管路系統(tǒng)研制積累的技術(shù)基礎(chǔ)和進(jìn)展情況，從42項(xiàng)技術(shù)元素中遴選出鈦合金離心泵技術(shù)、異種金屬接觸防電偶腐蝕技術(shù)、鈦合金防海生物防污技術(shù)等9項(xiàng)作為參評CTE。其次，根據(jù)鈦合金海水管路系統(tǒng)的特點(diǎn)，參照《技術(shù)成熟評價指南第六部分：艦船裝備》（GJB/Z 173.6），適用于鈦合金海水管路系統(tǒng)的專用規(guī)范，TRL定義描述主要用于初步判定，TRL評價細(xì)則分為設(shè)備類、閥件類和管材類等3套評價細(xì)則，主要用于詳細(xì)判定。最后，參照形成的評價標(biāo)準(zhǔn)，對15家單位、9項(xiàng)CTE開展了技術(shù)成熟度評價工作，通過與評價細(xì)則的逐項(xiàng)對比，綜合判定各項(xiàng)CTE的技術(shù)成熟度均為5級，如表3所示。

表1 鈦合金海水管路系統(tǒng)項(xiàng)目TRL定義及描述Tab. 1 The definition and description of technology readiness level for titanium seawater piping systems

圖2 鈦合金海水管路系統(tǒng)項(xiàng)目技術(shù)成熟度評價專用規(guī)范框架Fig. 2 The framework of technology readiness assessment criteria for titanium seawater piping system

表2 鈦合金海水管路系統(tǒng)項(xiàng)目設(shè)備類評價細(xì)則第6級示例Tab. 2 The TRL 6 assessment criteria for titanium seawater piping systems

表3 鈦合金海水管路系統(tǒng)技術(shù)成熟度評價結(jié)果Tab. 3 The assessment result for titanium seawater piping systems

3.2 某項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)成熟度評價示例

以異種金屬接觸防電偶腐蝕技術(shù)為例，該技術(shù)目前突破了鈦合金海水管路系統(tǒng)電絕緣考核驗(yàn)證試驗(yàn)臺架設(shè)計(jì)、電絕緣組件技術(shù)設(shè)計(jì)、新型電絕緣涂層（鈦合金微弧氧化涂層和HGF溶解環(huán)氧涂層）研制等關(guān)鍵技術(shù)，通過在青島陸上試驗(yàn)裝置腐蝕試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行電絕緣組件和新型電絕緣涂層的安裝應(yīng)用，目前所設(shè)計(jì)的電絕緣組件和新型電絕緣涂層的絕緣有效性達(dá)到98%以上，并進(jìn)行了相關(guān)環(huán)境考核試驗(yàn)，滿足指標(biāo)要求。

綜上所述，鈦合金海水管路系統(tǒng)電絕緣技術(shù)研究目前已完成全部技術(shù)設(shè)計(jì)、電絕緣組件設(shè)計(jì)、新型絕緣涂層研制。

1）青島陸上試驗(yàn)裝置目前試驗(yàn)結(jié)果表明，鈦合金海水管路系統(tǒng)電絕緣技術(shù)設(shè)計(jì)和電絕緣組件設(shè)計(jì)能夠滿足鈦合金與異種金屬接觸的電絕緣要求；

2）2種新型絕緣涂層的絕緣電阻和絕緣電位檢測結(jié)果表明，新型電絕緣涂層對于鈦合金海水管路系統(tǒng)電絕緣的有效性可達(dá)98%以上。

根據(jù)技術(shù)成熟度評價工作流程，開展“異種金屬接觸防電偶腐蝕”技術(shù)成熟度評價工作，在技術(shù)成熟度等級九級定義基礎(chǔ)上，結(jié)合評價細(xì)則，對CTE“異種金屬接觸防電偶腐蝕技術(shù)”進(jìn)行了技術(shù)成熟度判定，TRL 5級滿足率100%（13條全部滿足），TRL6級滿足率80%（15條滿足12條）。根據(jù)評價結(jié)果，可初步判定CTE“異種金屬接觸防電偶腐蝕技術(shù)”技術(shù)成熟度為5級。

該技術(shù)為集成技術(shù)，大部分技術(shù)已在目前國內(nèi)外水面艦船和潛艇上得到成功應(yīng)用，可作為滿足陸上試驗(yàn)裝置模擬環(huán)境考核的有效補(bǔ)充；少量尚未在水面主戰(zhàn)艦艇上應(yīng)用的技術(shù)（可拆卸螺紋接頭/高絕緣溶結(jié)環(huán)氧涂層）按照目前考核現(xiàn)狀預(yù)測，技術(shù)風(fēng)險可控。建議后續(xù)：1）后續(xù)試驗(yàn)過程中重點(diǎn)關(guān)注未應(yīng)用電絕緣組件和電絕緣涂層技術(shù)的服役可靠性/可維修性，及時改進(jìn)；2）進(jìn)一步完善該技術(shù)的工藝性能和工藝規(guī)范。

4 結(jié) 語

艦船研制周期長、風(fēng)險大，對研制過程中的鈦合金海水管路系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)成熟度評價有利于系統(tǒng)、全面、客觀地識別項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)，以及量化標(biāo)定關(guān)鍵技術(shù)風(fēng)險，對項(xiàng)目風(fēng)險控制和多種技術(shù)途徑優(yōu)選具有十分重要的意義。本文提出的海水管路系統(tǒng)技術(shù)成熟度等級定義及評價細(xì)則規(guī)范，以及基于技術(shù)成熟度等級（TRL）的多方案對比，為艦船研制轉(zhuǎn)階段決策工作提供重要方法論參考。