王小康

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

無(wú)人潛航器（UUV）作為在水下無(wú)人駕駛、自動(dòng)控制和執(zhí)行任務(wù)的水下航行器，具有無(wú)人、小型化、隱身性好、多功能和多用途等一系列優(yōu)點(diǎn)，可以代替人類(lèi)進(jìn)行深海探測(cè)、搜救、情報(bào)監(jiān)視、偵察等任務(wù)，在軍事和民用領(lǐng)域均具有良好的應(yīng)用前景[1-3]。

無(wú)人潛航器結(jié)構(gòu)是潛航器各種設(shè)備和設(shè)施的安裝載體，是無(wú)人潛航器執(zhí)行各種任務(wù)的前提與基礎(chǔ)。若結(jié)構(gòu)不能滿足壽命期內(nèi)承壓、水密的要求，會(huì)造成重大經(jīng)濟(jì)損失，導(dǎo)致任務(wù)延誤或失敗，甚至重大的安全事故。同時(shí)，由于無(wú)人潛航器全壽命周期中各類(lèi)電子設(shè)備均可以更換，一條無(wú)人潛航器的壽命主要取決于結(jié)構(gòu)壽命，因此無(wú)人潛航器結(jié)構(gòu)的壽命評(píng)價(jià)對(duì)無(wú)人潛航器的壽命評(píng)定起著決定性的作用[4-6]。

使用方和研制單位均迫切希望盡快評(píng)估無(wú)人潛航器壽命，便于在研制階段評(píng)估無(wú)人潛航器結(jié)構(gòu)是否滿足貯存壽命要求，提高裝備可靠性和保障性，制定維修保養(yǎng)、定期更換易損件等預(yù)防性維修措施及產(chǎn)品報(bào)廢方案。本文以某型無(wú)人潛航器為例，分析貯存壽命失效機(jī)理并設(shè)計(jì)加速壽命試驗(yàn)，評(píng)估無(wú)人潛航器結(jié)構(gòu)貯存壽命。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

鋁合金由于強(qiáng)度接近高合金鋼，具有良好的耐腐蝕性和可加工焊接性，廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，由于其優(yōu)良的綜合性能成為飛機(jī)蒙皮和框架、航天器主結(jié)構(gòu)、無(wú)人潛航器耐壓結(jié)構(gòu)的首選材料[7-8]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)采用鋁合金材料的裝備進(jìn)行了結(jié)構(gòu)服役壽命研究和大量腐蝕疲勞試驗(yàn)，在飛機(jī)和航天器鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞機(jī)理、腐蝕疲勞影響因素及疲勞壽命變化等方面做了大量工作。早在20世紀(jì)20年代即開(kāi)始大量鋁合金大氣環(huán)境腐蝕試驗(yàn)，美國(guó)Alcoa Laboratories在1928年進(jìn)行了約2.5萬(wàn)件鋁合金加工件和鑄造件的自然環(huán)境腐蝕試驗(yàn)[9]，美國(guó)材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)B-3、B-7委員會(huì)分別進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)20年和30年的大氣環(huán)境鋁合金材料腐蝕試驗(yàn)和研究，獲得了大量鋁合金材料大氣環(huán)境腐蝕數(shù)據(jù)。法國(guó)鋁制造商Pechiney公司1941年在6個(gè)典型歐洲環(huán)境地區(qū)開(kāi)展了30年鋁及鋁合金的自然環(huán)境腐蝕試驗(yàn)。我國(guó)針對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)采用的9種典型鋁合金材料在7個(gè)自然環(huán)境腐蝕掛片試驗(yàn)。文獻(xiàn)[10]對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)常用的LY12-CZ鋁合金在我國(guó)海南萬(wàn)寧開(kāi)展自然暴露試驗(yàn)，文獻(xiàn)[10]-[11]研究了飛機(jī)鋁合金結(jié)構(gòu)在服役環(huán)境下的壽命變化規(guī)律。

海洋裝備方面，文獻(xiàn)[12]-[13]采用腐蝕時(shí)變模型對(duì)鋼質(zhì)海船、鋁合金三體船進(jìn)行了壽命評(píng)估。孫玉武[14]等對(duì)潛艇耐壓殼體的低周疲勞問(wèn)題進(jìn)行了分析和研究，并應(yīng)用貝葉斯方法對(duì)潛艇耐壓殼體疲勞熱點(diǎn)的剩余疲勞壽命進(jìn)行估算，給出了一種在信息量不足的情況下進(jìn)行統(tǒng)計(jì)推斷的新途徑，在一定程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法的缺陷。張富剛[15]等考慮裂紋尺寸變異性，運(yùn)用裂紋擴(kuò)展隨機(jī)模型，估算了潛艇耐壓殼體在不同循環(huán)次數(shù)下疲勞熱點(diǎn)的疲勞壽命，同時(shí)使用建立極限狀態(tài)方程的一階二次矩法估算疲勞壽命，對(duì)兩者進(jìn)行了比較和分析。黃小平[16]等給出了對(duì)壓應(yīng)力進(jìn)行修正的應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算式，考慮焊趾處應(yīng)力集中以及焊接殘余應(yīng)力等影響，在此基礎(chǔ)上提出了一套受壓彎應(yīng)力焊接結(jié)構(gòu)焊趾裂紋疲勞壽命計(jì)算方法。對(duì)初始表面裂紋形狀和大小對(duì)疲勞壽命的影響進(jìn)行了系列計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，本方法預(yù)估出的疲勞壽命與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在數(shù)量級(jí)上是吻合的，但在推向?qū)嵱弥斑€需要做更多的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。文獻(xiàn)[17]探討了譜載荷作用下潛艇用鋼的疲勞擴(kuò)展特性及焊縫的初始裂紋尺寸，在此基礎(chǔ)上提出了考慮壓應(yīng)力、焊縫應(yīng)力集中、焊接殘余應(yīng)力等影響因素的潛艇結(jié)構(gòu)疲勞壽命計(jì)算方法[7]。

姚鋆凡[18]以極限下潛深度 600 m的潛艇為研究對(duì)象，鑒于對(duì)潛艇歷史下潛數(shù)據(jù)的收集較為困難，通過(guò)擬合Alvin載人潛水器的下潛數(shù)據(jù)，建立潛艇下潛深度分布的概率模型，獲得其疲勞載荷譜，并將有限元分析結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比。對(duì)比結(jié)果表明：耐壓殼體疲勞載荷譜方法下的數(shù)值模擬壽命比極限載荷方法下的數(shù)值模擬壽命更加精準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)耐壓殼體的疲勞可靠性進(jìn)行研究，提出疲勞與穩(wěn)定性共失效模式下的可靠性研究方法。

綜上所述，航空航天和水面艦船針對(duì)鋁合金等材料進(jìn)行了大量自然環(huán)境下腐蝕壽命研究，但由于無(wú)人潛航器貯存環(huán)境不同于上述自然和海洋環(huán)境，無(wú)人潛航器鋁合金貯存環(huán)境下的壽命評(píng)估研究和試驗(yàn)較少。目前關(guān)于無(wú)人潛航器外殼殼體的壽命評(píng)估均采用模型仿真等方法，通過(guò)疲勞壽命確定殼體的壽命。但在實(shí)際工程研究中，無(wú)人潛航器殼體失效通常是因?yàn)楦g引起的。因此，本文主要根據(jù)殼體失效模式及“腐蝕”的失效機(jī)理進(jìn)行無(wú)人潛航器殼體貯存壽命研究。

2 無(wú)人潛航器耐壓結(jié)構(gòu)失效機(jī)理分析

無(wú)人潛航器耐壓結(jié)構(gòu)貯存期間失效機(jī)理主要為腐蝕原因，由于殼體一般為進(jìn)行“三防”涂覆工藝的金屬結(jié)構(gòu)，如鋁合金、不銹鋼、鈦合金等，絕大多數(shù)金屬腐蝕是由電化學(xué)反應(yīng)引起的，化學(xué)反應(yīng)式為

影響海洋大氣腐蝕的因素主要包括：鹽霧、溫度、濕度等。

鹽霧是海洋大氣環(huán)境中最主要的腐蝕因素，在金屬表面產(chǎn)生吸濕潮解作用，使金屬表面液膜的電導(dǎo)增大。另外，氯離子本身具有很強(qiáng)的侵蝕性，因而加速金屬腐蝕。

受海風(fēng)及溫度的影響，海洋大氣相對(duì)濕度較高。空氣相對(duì)濕度愈大，空氣中的水汽凝結(jié)愈多，愈易在金屬表面凝結(jié)形成較厚的液膜，溶解更多的氧和其他腐蝕性物質(zhì)，從而加速金屬腐蝕。潮濕環(huán)境會(huì)使非金屬材料和涂層系統(tǒng)體積膨脹、組織疏松、強(qiáng)度降低，甚至起泡、破裂和老化，同時(shí)引起金屬材料的氧化、腐蝕[19]。

無(wú)人潛航器貯存在海岸附近，在大氣中一定水含量條件下，鹽霧（NaCl）這一強(qiáng)電介質(zhì)，可以加快金屬的電化腐蝕。因此，可以考慮采用NaCl溶液加速電化腐蝕過(guò)程，設(shè)計(jì)加速壽命試驗(yàn)。

3 貯存壽命評(píng)價(jià)方法

無(wú)人潛航器在實(shí)際工程研究中，會(huì)在工程研制機(jī)階段進(jìn)行一定年限的貯存或使用，但實(shí)際貯存或使用年限一般遠(yuǎn)短于壽命要求年限。因此，需要補(bǔ)充試驗(yàn)貯存數(shù)據(jù)，為縮短時(shí)間，通常采用加速試驗(yàn)的方式進(jìn)行。

耐壓結(jié)構(gòu)貯存主要為庫(kù)房存貯環(huán)境，一般采用充氮密封包裝，根據(jù)GJB78A要求庫(kù)房存儲(chǔ)環(huán)境溫度為 5～20 ℃、相對(duì)濕度 55%～65%，故其貯存環(huán)境較為溫和，環(huán)境應(yīng)力主要為溫度和濕度應(yīng)力，該環(huán)境條件對(duì)產(chǎn)品的影響主要是腐蝕效應(yīng)。

3.1 加速試驗(yàn)方法

加速試驗(yàn)?zāi)M一般從4個(gè)方面考慮：1）腐蝕過(guò)程電化學(xué)特性和機(jī)理一致；2）腐蝕二次過(guò)程及組滯特性一致；3）試樣表面循環(huán)過(guò)程特點(diǎn)一致；4）腐蝕動(dòng)力學(xué)規(guī)律一致[20-22]。

通過(guò)海洋大氣腐蝕環(huán)境因素分析，采用 NaCl溶液浸潤(rùn)試驗(yàn)樣機(jī)構(gòu)成的循環(huán)加速試驗(yàn)環(huán)境譜，可以模擬溫度以及海洋環(huán)境中氯離子的影響。試驗(yàn)方法如下：

1）編制貯存環(huán)境譜，選定加速試驗(yàn)環(huán)境譜。

2）將每年貯存環(huán)境的作用折算為 40 ℃、相對(duì)濕度90%的標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣作用時(shí)間t1，即潮濕空氣環(huán)境的壽命相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣的折算系數(shù)與對(duì)應(yīng)溫濕度譜的乘積之和。

工程上通常是測(cè)定不同溫度、濕度下典型金屬材料腐蝕電流來(lái)建立不同組合對(duì)應(yīng)的當(dāng)量折算系數(shù)，對(duì)應(yīng)折算系數(shù)α1，如表1所示。

表1 潮濕空氣相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣的折算系數(shù)Table 1 Conversion coefficient of humid air relative to standard humid air

國(guó)內(nèi)某研究所在統(tǒng)計(jì)沿海某試驗(yàn)站近10年環(huán)境數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，編制了典型沿海／海洋環(huán)境區(qū)的雨、霧、濕度累積譜（低于20 ℃的雨、霧、濕度作用時(shí)間均按20 ℃考慮）及大氣環(huán)境譜，見(jiàn)表2[16]。

表2 沿海某試驗(yàn)站雨、霧和溫度積累譜Table 2 Rain，fog and temperature accumulation spectrum of a coastal test station

3）將每年（或每小時(shí)）加速試驗(yàn)環(huán)境譜的作用折算為溫度40 ℃、相對(duì)濕度90%的標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣作用時(shí)間 t2。加速試驗(yàn)環(huán)境譜折算時(shí)應(yīng)考慮溫度、濕度、鹽濃度和酸濃度等因素，根據(jù)不同濃度鹽溶液試驗(yàn)條件，通過(guò)表3讀取或計(jì)算折算系數(shù)（當(dāng)濃度不能直接對(duì)應(yīng)時(shí)，通過(guò)插值法進(jìn)行計(jì)算），則NaCl溶液濃度作用1 h相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣下的作用時(shí)間t2為1/折算系數(shù)。

不同濃度的鹽、酸溶液與水介質(zhì)下的腐蝕電流對(duì)應(yīng)當(dāng)量折算系數(shù)見(jiàn)表3。

表3 不同濃度NaCl濃度與水介質(zhì)的折算系數(shù)Table 3 Conversion coefficients of different concentrations of NaCl and water medium

4）t1/t2為當(dāng)量加速關(guān)系β，即加速試驗(yàn)環(huán)境譜作用β a（或h），相當(dāng)于實(shí)際環(huán)境中使用1 a。

3.2 試驗(yàn)后功能性能檢測(cè)

由于無(wú)人潛航器耐壓結(jié)構(gòu)最關(guān)注在規(guī)定潛航深度下的密封性是否完好，因此在等效貯存時(shí)間達(dá)到壽命要求年限后，對(duì)耐壓結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)定水壓條件的水密試驗(yàn)檢測(cè)。若符合要求，則可判決其貯存壽命達(dá)到要求。

4 某無(wú)人潛航器耐壓結(jié)構(gòu)貯存壽命評(píng)估應(yīng)用

4.1 受試品情況及數(shù)據(jù)

受試品的存儲(chǔ)庫(kù)房環(huán)境溫度為 5～20 ℃、相對(duì)濕度 55%～65%，貯存期間產(chǎn)品處于非通電工作狀態(tài)。

受試品耐壓結(jié)構(gòu)材料為鋁合金5A06。

已在工房自然環(huán)境擱置約9 a，要求貯存壽命≥20 a。

4.2 試驗(yàn)方法

采集相同材料相似耐壓結(jié)構(gòu)工房自然擱置數(shù)據(jù)，并選取擱置后的典型材料耐壓結(jié)構(gòu)補(bǔ)充進(jìn)行高鹽高濕加速貯存試驗(yàn)：

1）采集的相同材料相似耐壓結(jié)構(gòu)工房自然擱置時(shí)間約8.67 a，按環(huán)境因子折合系數(shù)（根據(jù)工房自然擱置環(huán)境條件與貯存條件，根據(jù)3.1節(jié)表1的折算系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到折算系數(shù)為1.77）折算為貯存環(huán)境時(shí)間，為8.67×1.77=15.3 a；

2）采用工房自然擱置后的典型耐壓結(jié)構(gòu)樣件，在溫度為40 ℃、5%濃度的NaCl溶液中進(jìn)行浸泡，補(bǔ)充加速貯存試驗(yàn)。

4.3 加速貯存試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1）貯存環(huán)境條件為溫度 5～20 ℃、相對(duì)濕度55%～65%。

2）將每年的貯存環(huán)境譜的作用折算為40 ℃、相對(duì)濕度90%的標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣作用時(shí)間t1：

3）由于加速腐蝕環(huán)境譜周期浸潤(rùn)試驗(yàn)的溫度是40 ℃，因此加速腐蝕環(huán)境譜與標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣的當(dāng)量折算中，只考慮環(huán)境對(duì)水介質(zhì)的折算。NaCl溶液濃度（5%）相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣的折算系數(shù)。

即NaCl溶液濃度（5%）作用1 h相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣下的作用時(shí)間為

4）由以上海洋大氣環(huán)境譜和加速腐蝕環(huán)境譜的當(dāng)量折算、當(dāng)量加速關(guān)系為

即對(duì)于鋁合金耐壓結(jié)構(gòu)，在溫度為40 ℃、5%濃度NaCl溶液中浸潤(rùn)152.96等效為貯存1 a。

5）補(bǔ)充加速貯存試驗(yàn)時(shí)間：

4.4 試驗(yàn)評(píng)估結(jié)論

結(jié)合采信的耐壓結(jié)構(gòu)工房自然環(huán)境擱置時(shí)間和高鹽高濕加速貯存補(bǔ)充試驗(yàn)時(shí)間，等效貯存時(shí)間為15.3+5=20.3 a，大于20 a，且水密檢查符合要求，可認(rèn)為耐壓結(jié)構(gòu)貯存壽命滿足不低于20 a的要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了無(wú)人潛航器的貯存環(huán)境特點(diǎn)和失效機(jī)理，建立了無(wú)人潛航器耐壓結(jié)構(gòu)腐蝕加速因子計(jì)算方法、加速試驗(yàn)方法和貯存壽命評(píng)價(jià)方法，同時(shí)結(jié)合某型無(wú)人潛航器案例分析，具體介紹了該產(chǎn)品耐壓結(jié)構(gòu)的組成壽命評(píng)價(jià)過(guò)程。

針對(duì)無(wú)人潛航器試驗(yàn)樣本少、成本高的問(wèn)題，創(chuàng)新性地提出了無(wú)人潛航器結(jié)構(gòu)腐蝕與貯存壽命加速試驗(yàn)方法，同時(shí)納入產(chǎn)品實(shí)際工程中已有的使用和貯存數(shù)據(jù)，充分利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)，大大減少了結(jié)構(gòu)壽命試驗(yàn)時(shí)間和研制經(jīng)費(fèi)，也便于試驗(yàn)組織和實(shí)施。相較于其他水下平臺(tái)利用仿真計(jì)算低周疲勞失效的方法評(píng)價(jià)耐壓結(jié)構(gòu)壽命，考慮因素更合理，更切合實(shí)際貯存情況。通過(guò)無(wú)人潛航器貯存壽命評(píng)價(jià)項(xiàng)目的實(shí)踐表明，該貯存壽命評(píng)價(jià)方法準(zhǔn)確度和可信度更高、工程實(shí)踐效果優(yōu)良。