舰用40 MPa高压空气系统铜合金接头研究

（武汉第二船舶设计研究所，武汉 430205）

0 引言

高压空气系统接头是构成舰用高压空气系统的基本单元，早期的舰船高压空气系统最高压力级为20 MPa和25 MPa，随着装备任务剖面不断扩展，舰船高压空气系统的压力级提高到40 MPa，CB 316标准接头压力级不再满足系统使用要求，需要研究一种高压力级的接头。

目前，国内外不同行业对高压空气密封连接方面的研究已经较多，航空航天和陆用系统已有较成熟的40 MPa级高压空气接头，其密封面主要采用球面和锥面接触的线密封结构，以提高密封比压，然而这种密封结构在舰船高压空气系统使用时，由于船体变形会在高压空气管路施加附加载荷，易引起管路密封面错位，导致空气泄漏；李廷等［1］提出一种套管形式的铁基形状记忆合金管接头，室温下使套管接头扩孔形变，插入被连接管子后，加热接头至一定温度，套管接头收缩抱紧管子，达到连接管道目的，但该型接头对实船施工环境考虑不足，实际施工过程中很多部位无法满足套管接头所需的加热空间要求；王新海等［2］在CB 316标准接头结构的基础上，对比了平垫片、橡胶O型圈、空心金属O型环、锥面密封、透镜垫和八角垫6中密封结构的密封性能，结果表明40 MPa高压空气系统的DN32管接头采用锯齿平垫和透镜垫2种密封结构可满足密封要求，但对CB 316接头使用过程中暴露的结构适应性不足问题未做研究；Buchter对金属密封进行的试验研究表明，金属密封面的接触区产生弹性变形的接触力不能形成耐高压的紧密密封，只有在密封接触力使接触面产生永久变形时，才能形成密封，且密封接触力是垫片材料屈服强度的两倍等［2］。

通过上述文献分析发现，国内外不同行业对高压空气密封连接的研究为舰船用40 MPa高压空气接头研制奠定了较好的研究基础，但由于使用环境的特殊性，必须从材料强度、密封性能、操纵力矩等多方面着手，研究一种新的40MP高压空气接头，以满足舰艇40 MPa高压空气系统使用需求。

1 舰船高压空气系统接头应用情况

早期舰船高压空气系统压力级为20 MPa，采用的是CB 316-64标准的高压空气接头，通径为DN15、DN20、DN32三种。基本组成和连接方式如图1所示：系统管路和接头平肩材料为HDR双相不锈钢，旋入接头材料为20#钢，外套螺母材料为QAl9-2铝青铜，密封垫片材料为T2紫铜，各部件材料力学性能及在海水中腐蚀电位见表1［3-14］。

图1 CB 316-64标准高压空气接头组成及连接方式示意Fig.1 Schematic diagram of CB 316-64 high pressure air joint composition and connection method

随着高压空气系统压力级提高到25 MPa，舰船高压空气系统改用CB 316-95标准的接头，其结构形式与CB 316-64基本相同，在实际使用过程中，上述标准接头出现了外套螺母变形、开裂和旋入接头锈蚀严重的问题。

表1 CB 316-64标准接头各部件材料力学性能及在海水中腐蚀电位Tab.1 Mechanical properties of parts and corrosion potential in seawater of CB 316-64 joint

分析认为，接头失效主要原因为：

（1）外套螺母强度偏低，设计安全余量偏小。CB 316标准接头外套螺母材料为QAl9-2铝青铜，抗拉强度约为平肩接头HDR材料强度的2/3，正常工况下设计强度满足要求，但受船体变形和管路充放气影响，存在交变应力；而且长时间海水浸泡，工作环境极为恶劣。

（2）操纵力矩大。CB 316标准接头满足系统密性要求的实测操纵力矩值达到600 N·m，安装时外套螺母操纵力矩过大、撞击式拆装或管路安装对中度不好，导致外套螺母承受过大的应力。

（3）旋入接头材料耐蚀性差。CB 316标准接头的旋入接头材质为20#钢，在海水中耐腐蚀性较差；而且与外套螺母材质存在明显电位差，海水渗入后，易形成电偶腐蚀。

鉴于CB 316标准结构形式的高压空气接头在实际使用中暴露的上述诸多问题，高压空气系统升级至40 MPa后，CB 316标准接头除压力级不满足系统使用要求外，部件材料和结构形式也需进行改进。

2 技术方案

2.1 密封技术

25 MPa高压空气接头密封垫片采用的是带3～6圈直角齿的T2紫铜垫片，密封效果良好。系统压力级提高到40 MPa后，为避免船体变形施加在高压空气管路附加载荷引起的管路密封面错动影响系统密性，40 MPa接头的总体连接结构，仍采用外套螺母压紧平肩接头的结构，为简化接头结构，将原CB 316标准接头的旋入接头和左侧平肩接头合并为一个部件；同时为提高密封比压，满足40 MPa系统使用要求，我们提出将锯齿形密封垫片更换为梯形平垫片，并在旋入接头和平肩接头的密封面上刻制密封槽，进一步提高密封可靠性，新型接头连接及密封结构如图2所示。

图2 40 MPa接头密封形式示意Fig.2 Schematic diagram of 40 MPa joint sealing form

2.2 材料匹配性技术

舰用高压空气管路采用HDR双相不锈钢，与管路对焊连接的旋入接头、平肩接头应与管路材料匹配，故采用HDR材料，因此新型40 MPa高压空气接头的部件材料主要围绕HDR材料进行匹配。主要考虑以下影响因素：舰用40 MPa高压空气接头处于干、湿交替的海水腐蚀环境之中，系统压力级高，因此要求接头基本材料具有良好的耐腐蚀性能，较高的强度，良好的机加工性能；同时由于浸泡在海水介质中，接头各部件材料之间不能存在较大电位差，否则易产生电位腐蚀导致部件失效，对舰艇安全性造成不良影响；配对接头部件的螺纹副还要注意防止产生咬合，不能影响接头拆卸。

HDR材料抗拉强度σb为≥650 MPa，耐腐蚀性能良好，在海水中的电位为+134～+165 mV/SCE，首先，我们以强度、腐蚀电位、耐蚀性等与HDR相当KA145抗咬合金材料作为接头外套螺母材料，提出了40 MPa抗咬合金接头方案。但在实际试验中，由于KA145材料机加工性能差，精度控制不好时，个别接头会出现外套螺母和旋入接头螺纹咬合的问题，因此该技术方案不是40 MPa高压空气接头的最佳方案。

通过扩大外套螺母材料选择范围，我们发现了一种广泛用于飞机起落架作动筒衬套以及辅机结构高强度轴套、螺帽等材料的高强度耐蚀性铜合金材料QAl10-4-4铝青铜，其与HDR、铝青铜QAl9-2材料性能对比见表2。

QAl10-4-4铜合金材料耐蚀性好，加工性能优良；不会同HDR旋入接头的螺纹副发生咬合；在海水中的腐蚀电位略高于QAl9-2，参照CB 316标准接头的使用经验，铝青铜外套螺母和平肩接头之间无明显电偶腐蚀。因此，QAl10-4-4铜合金材料可以用作40 MPa高压空气接头外套螺母材料，40 MPa铜合金高压空气接头各部件材料选型情况见表3。

表2 QAl10-4-4铜合金材料与HDR、铝青铜QAl9-2等材料性能对比Tab.2 Comparison of properties of QAl10-4-4 with HDR，QAl9-2 and other materials

表3 40MPa铜合金高压空气接头各部件材料选型方案Tab.3 Material selection scheme of parts of 40 MPa copper alloy high pressure air joint

2.3 低操纵力矩技术

随着接头工作压力从25 MPa提高至40 MPa，如仍采用原密封结构，满足系统密性要求的接头操纵力矩必然随之增加。新研40 MPa铜合金高压空气接头通过采用梯形密封垫片、V形密封槽和QAl10-4-4外套螺母等设计方案，减小了密封面接触面积，有利于提高密封比压。根据机械设计手册及Buchter对金属密封进行的试验研究结果，作者对新型40 MPa铜合金接头操纵力矩进行了设计核算，外套螺母QAl10-4-4铜合金材料与平肩接头HDR间摩擦系数取0.15；密封比压参考阀门密封比压计算公式，并和Buchter提出接触比压计算方式进行比较，取较大值进行操纵力矩计算，计算得到的不同通径40 MPa铜合金接头操纵力矩计算值见表4。

表4 40 MPa铜合金接头操纵力矩计算值Tab.4 Operating torque calculations of 40 MPa copper alloy joint

综上所述，通过低操纵力矩的设计方案，新型40 MPa铜合金高压空气接头的理论操纵力矩较CB 316标准接头有较大程度降低。

3 有限元仿真分析与计算

舰艇船体在不同工作深度的结构变形，会对与船体刚性连接的高压空气管路产生附加载荷，鉴于高压空气接头在船体变形过程中受力情况比较复杂，为了确切分析接头的性能和主要零部件受力情况，我们采用ANSYS有限元分析软件，建立了高压空气管接头和典型高压空气管路的仿真计算模型，对高压空气管路及接头随船体变形的受力情况进行了建模和有限元仿真分析与计算。

3.1 仿真模型

以DN32的B型铜合金高压空气中间接头为例，几何模型如图3所示。接头有限元模型如图4所示，分析中根据对称性，取一半模型进行分析。外套螺母和平肩接头倒角如图5所示。

图3 B型高压空气中间接头几何模型Fig.3 Geometric model of B-type high pressure air intermediate joint

图4 高压空气典型管路及接头有限元模型Fig.4 Finite element model of typical high-pressure air pipelines and joints

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

模型网格划分如图6所示，采用整体、局部相结合方法划分网格，网格细化处采用六面体单元，其余采取四面体单元，既提高了仿真的精准度，又合理减少了计算量；并通过对不同网格密度模型的试算，综合考虑网格无关性和计算效率，选择了中等密度的网格进行最终的仿真计算。

图6 模型网格划分Fig.6 Mesh division of finite element model

3.2 仿真结果

选择舰艇常用工作深度的船体变形量δ=4 mm和设计极限工作深度的船体变形量δ=6 mm为仿真计算的输入，计算高压空气系统管路与船体的刚性连接点间距取2 m和3 m两种典型工况，载荷加载分为预紧力加载和变形量加载2个载荷步，不同工况的计算结果见表5。

表5 计算结果汇总Tab.5 Summary of calculation results

以接头应力最为恶劣的管路长度2 m、船体变形量6 mm工况为例，外套螺母应力分布如图7所示。

图7 管路长度2 m船体变形量6 mm工况外套螺母应力分布Fig.7 Stress distribution of outer shell nut under the condition of 2 m pipeline length and 6 mm hull deformation

由以上有限元分析结果可知：

（1）通过增加高压空气管路与船体刚性连接点的间距，可以减小船体变形附加载荷引起管路接头应力，在管路长度2 m、船体变形量6 mm工况下，青铜QAl10-4-4材料外套螺母最大应力值 424.2 MPa，与材料屈服极限（σ0.2≥480 MPa）和抗拉极限（σb≥635 MPa）相比，仍有一定储备强度，但安全系数已经较低，系统设计时，应尽量避免高压空气管路与船体刚性连接点的间距过小。

（2）高压空气管路与船体刚性连接点的间距达到3 m时，即使在设计极限工作深度引起的船体变形量下，铝青铜QAl10-4-4材料外套螺母最大应力值349.7 MPa，与材料屈服极限（σ0.2≥480MPa）和 抗 拉 极 限（σb≥635 MPa）相比，仍有较高的储备强度，可满足系统使用需求。

4 试验验证分析

4.1 试验内容

按照上述方案，制造了DN32的40 MPa铜合金中间接头样机，为验证40 MPa铜合金高压空气接头的实际性能，开展了以下试验内容的试验验证研究：（1）重复组装试验，验证接头拆装灵活性；（2）液压强度试验，检验接头材料的水压强度；（3）紧密性试验，检验接头的密封性；（4）爆破试验，检验接头的极限承压能力；（5）拉脱试验，检验接头的抗轴向负荷能力；（6）振动（疲劳）、脉冲试验，验证接头在压力交变下的综合性能；（7）操纵力矩试验，确定接头最小拧紧扭矩。

4.2 试验结果

40 MPa铜合金高压空气接头样机的试验结果见表6，表6同时给出了达到相应试验要求的接头操纵力矩。

表6 40 MPa铜合金接头样机试验结果Tab.6 Test results of 40 MPa copper alloy joint prototype

综上所述，由表6中试验数据可知，研制的40 MPa铜合金高压空气接头强度、密性、爆破、拉脱及振动（疲劳）、脉冲等各项试验检测结果都满足系统使用要求，设计工况的操纵力矩约为350 N·m，比 CB 316标准的 25 MPa高压空气接头紧固力矩下降30%以上，在保证系统密性同时，有效降低了操纵力矩，有利于现场安装［3-8］。

5 结语

本文借鉴前人对金属密封接触力和密封结构的研究成果，提出采用梯形垫片和密封槽结合的密封结构，与锯齿平垫相比，增加了接头的密封比压，降低了操纵力矩；通过仿真计算和接头样机的强度、密性、爆破、拉脱等试验结果表明，研制的舰用40 MPa铜合金接头满足舰船40 MPa高压空气系统使用要求，并且具有强度高、加工容易、操纵力矩小等诸多优点，该型接头的研究成功，可解决高压空气系统压力级提升难题，具有极强的工程应用价值。