高強度鋼在潛艇應用中的若干重要問題綜述

楊建明，張新宇，劉朝駿

中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

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高強度鋼在潛艇應用中的若干重要問題綜述

楊建明，張新宇，劉朝駿

中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

摘要：隨著潛艇下潛深度的增加，必須采用更高強度的材料。高強度鋼仍然是建造潛艇艇體的主要材料，而更高等級高強度鋼在使用中存在一些不利因素：相對疲勞強度降低、塑性儲備下降、對結構和制造缺陷的敏感性提高、加工難度增大、對偏離工藝流程的敏感性提高、殘余應力增加等。根據高強度鋼的特點，從強度儲備、主體結構計算、高應力局部結構形式及其低周疲勞試驗、制造工藝及其檢驗技術，以及驗證試驗等諸多方面，對高強度鋼在潛艇應用研究中需特別關注的問題進行了綜述，并結合工程實踐，提出了相關觀點。

關鍵詞：高強度鋼；潛艇；低周疲勞；安全系數；試驗驗證；綜述

0　引言

增大潛艇的下潛深度是提高潛艇隱蔽性和作戰機動性的重要措施之一。上世紀60年代，潛艇下潛深度多在300 m左右；70年代后，許多潛艇的下潛深度增大到400 m及更深［1-7］。

隨著潛深的增加，耐壓船體的外載荷隨之增加，為了保證耐壓結構的安全性，結構重量也將會增加。而另一方面，因為潛艇結構重量所占比重最大，為了搭載作戰所需要的有效負載，一般應將潛艇的結構重量控制在45%以內。正確選擇耐壓結構的材料是潛艇結構設計的主要問題之一，它決定著潛艇的可靠性和壽命，并在本質上影響著潛艇的重量與尺度。因此，為了增加下潛深度，潛艇需要采用高強度材料。

高強度鋼一直是建造潛艇艇體的主要材料，盡管鋼材具有磁性高的特點，但隨著消磁技術的發展，艇用消磁系統也可以有效降低潛艇的磁場強度。美、法、英、日等國的潛艇多采用高強度鋼，并且致力于潛艇用高強度鋼的開發。例如：美國開發了HY80，HY100，HY130，HY150和HY180系列鋼；俄羅斯開發了AK系列高強度鋼；法國一直采用自行開發的HLES系列鋼，其成本低，工藝簡單；其他各國或使用HY系列鋼，或自行開發了不同強度等級的高強度鋼，如HSLA系列、NS系列等［1-7］。我國第1代潛艇采用的即是高強度鋼，并針對大深度潛艇，開發了第2代潛艇用高強度鋼［8-9］。

早期潛艇的極限下潛深度一般不超過300 m，多采用小于600 MPa級的鋼材。除俄羅斯的2條鈦合金潛艇的下潛深度達到800～1 000 m外，現代大部分大深度鋼質潛艇的極限下潛深度為400～600 m。為保證潛艇的有效負荷，當極限深度超過350 m后，宜采用700～800 MPa級的高強度鋼；當極限深度超過500 m后，一般需要采用1 000 MPa級別的高強度鋼；當下潛深度超過700 m后，一般需要采用鈦合金［1-7］。

采用任何一種新材料，都需要解決因新材料的使用而造成的一系列技術問題。本文將重點討論采用700～800 MPa級高強度鋼制造、極限下潛深度在400～500 m之間的大深度潛艇耐壓結構需要解決的技術問題，這些問題主要是由高等級高強度鋼在使用中的一些不良因素引起。隨著鋼材屈服強度的大幅提高，其疲勞強度相對降低、塑性儲備下降、對結構和制造缺陷敏感、加工難度增大［10-11］。這些材料使用中的不良因素，會對潛艇結構的強度儲備、主體結構形式及其計算方法、高應力局部結構形式及其低周疲勞設計方法、制造工藝及其檢驗技術等方面造成影響。因此，大深度潛艇在采用新的高強度鋼時，必須解決上述問題。

1　高強度鋼在潛艇使用過程中的不良因素

采用高強度鋼不是一個簡單的過程。材料屈服強度的提高必然會對材料的其他一些性能產生不良影響，由此對大深度潛艇結構產生影響。屈服應力越高，對這些性能的影響就會越明顯。主要包括以下幾個方面。

1）相對疲勞強度降低。

2）塑性儲備下降。

隨著材料屈服強度的增大，材料的屈強比（屈服強度σs與極限拉伸強度σb之比）隨之增大。例如：普通船用鋼材的屈強比為0.56；600 MPa級高強度鋼的屈強比為0.77～0.83；800 MPa級高強度鋼的屈強比為0.95。材料的塑性儲備下降，導致結構的安全裕度降低［13］。

3）對結構設計時的剛度突變和制造缺陷的敏感性提高。

隨著材料屈服強度的增大，材料的韌性在降低。例如：560 MPa級HY80鋼的伸長率為20%；689 MPa級HY100鋼的伸長率為18%。材料韌性的降低，使得結構變形劇烈局部化。當結構存在因設計造成的剛度突變，特別是制造過程中產生的孔隙和裂紋等缺陷時，會產生很高的應力集中，導致局部應變很大，由于材料的延伸率低，結構破壞的可能性大為提高。即高強度材料對結構剛度突變、孔隙和裂紋非常敏感［14］。

4）加工難度增加。

隨著材料強度的提高，其焊接性能隨之下降，使得焊接和熱處理工藝更加復雜、嚴格。700 MPa級鋼材一般在焊接時必須進行預熱和后熱處理，否則會產生焊接冷裂紋等焊縫缺陷。這就增加了加工難度，不僅降低了生產效率，更重要的是降低了耐壓船體的安全與可靠性。同時，由于材料強度的提高，增加了焊接殘余應力，也會導致安全裕度的降低。

5）對偏離工藝流程的敏感性提高。

隨著高強度鋼屈服強度的增加，不僅是焊接和熱處理工藝更加復雜和嚴格，而且當偏離焊接和熱處理工藝窗口時（工藝窗口小），產生缺陷的概率大大增加，從而降低了潛艇耐壓結構制造的可靠性［10-11，15］。

在開展潛艇新材料應用研究過程中，必須設法防止材料的上述不良性能對結構強度和可靠性的影響。主要開展的工作包括5個方面的內容：

1）合理選用材料。所選材料應滿足潛艇耐壓結構的使用要求，主要包括：結構所要求的強度規格；具有良好的可焊性（包括與其他材料的焊接）；具有良好的冷加工性能、良好的塑性、韌性、抗斷裂性能、抗應力裂紋腐蝕性能；具有與之相匹配的鍛鋼、鑄鋼和焊接材料。

2）根據新材料的特點和潛艇結構特性，重新確定強度儲備，包括安全系數和各種許用標準。

3）確定新材料能夠采用的結構形式。潛艇用原來材料的結構形式是否能在新材料中繼續使用，原來的結構計算方法以及計算方法中的修正參數等對新材料必須進行驗證。

4）建立適用于新材料的加工工藝，保證潛艇結構制造工藝的可靠性，包括成型、焊接、形狀控制等方面。為了保證新材料加工的可靠性，必須根據新材料的特點，形成一整套適用的、可靠的工藝流程，特別是焊接材料和焊接工藝。同時，必須形成一整套相應的檢測方法，以保證制造質量的可靠性。

5）充分的試驗驗證。材料工作性能的確認、結構形式的許用標準、計算方法以及計算方法中的修正參數、新材料的加工工藝流程等，均需要針對新材料、新結構形式進行試驗驗證，特別要重視實尺度板厚、真實結構形式的試驗驗證［2，5］。

2　強度儲備問題

耐壓船體的強度儲備是指在計算潛艇耐壓船體的強度時，必須確定一個安全、合理的強度儲備。潛艇耐壓船體的強度儲備包括2個方面：一是載荷儲備，即安全系數；二是許用應力和穩定性儲備［13］。

2.1安全系數問題

取潛艇耐壓船體的計算壓力為結構的破壞（結構不能正常使用）壓力，則計算壓力為潛艇最大使用負載（對應的靜水壓力）乘以安全儲備系數，即Pc= KPe。其中：Pc為計算壓力；Pe為潛艇工作深度對應的靜水壓力；K為安全儲備系數。安全系數對潛艇耐壓結構至為重要，關系到結構深潛的安全性和結構重量。安全系數越大，則結構重量越重。通常認為，影響安全系數的主要因素如下［13］：

1）實際鋼板的厚度偏差；

2）實際鋼材的力學性能與材料名義性能的偏差；

3）使用過程中因腐蝕引起的外板減薄；

4）航行時因各種偶然因素而出現的超出極限下潛深度的可能性；

5）建造工藝對耐壓殼體結構實際強度的影響；

6）耐壓殼體上實際應力超出計算應力的可能性（計算誤差和制造工藝引起的附加應力）。

對于采用新型高強度鋼的潛艇，除上述因素外，影響安全系數的主要變化因素還包括：

1）高強度材料塑性儲備下降，會降低結構的安全裕度，需適當提高安全儲備；

2）高強度鋼焊接殘余應力增大，需在安全系數中加以考慮；

3）新材料及其相應結構形式的建造和使用經驗較少，需適當提高安全儲備。

根據上述針對高強度鋼的不良性能對結構的影響分析，采用高強度鋼會降低結構的安全裕度，即從材料的角度考慮，應增大安全系數，但為了控制結構重量的增加，又應降低安全系數。因此，必須采取措施，在保證潛艇安全的前提下，控制或降低安全系數。主要措施如下：

1）通過提高制造精度來減小結構的幾何偏差。

若殼板的初始偏差降低0.1t（t為板厚），則下潛深度可增加約3%～4%。因此，結構的偏差標準，以及超差加強方法非常重要。

2）通過工藝措施，降低焊接殘余應力。

3）通過提高操縱自動化水平和航速、升降舵角的限制管理，減小因控制失誤導致的超深。

4）通過采取有效的防腐措施，減小因銹蝕引起的厚度減薄。

5）通過采用適合于高強度材料特性的結構形式，降低結構的應力集中。

2.2強度標準問題

除總的負載儲備外，由于各個構件在抵抗外載荷中所起的作用不同，因此，還有一部分強度儲備應分別考慮到不同結構的許用應力和穩定性儲備中。在不同結構的許用應力中，也包含了強度儲備k，即σ結構≤kσs。其中：σ結構為結構應力；σs為材料的屈服強度。在承壓結構不同部位的穩定性中，也包括了穩定性儲備k1，即P結構≥k1Pc。其中：P結構為結構失穩臨界壓力；Pc為耐壓船體的計算壓力。耐壓船體各種結構件的許用應力和穩定性儲備定額主要考慮下列因素［13，16］：

1）結構失效模式及其對潛艇的毀傷程度；

2）結構的性質及其重要性程度；

3）結構強度和穩定性計算方法的準確性；

4）制造工藝對結構強度的影響（由制造工藝引起的材料機械性能和厚度的變化）；

5）新材料制造的各種結構模型的試驗數據所表現出的規律。

對于耐壓船體的主要結構形式——加肋圓柱殼的許用應力和穩定性儲備一般為：肋骨是保證圓柱殼形狀的主要構架，其強度儲備最大，在計算壓力下保持結構在線彈性狀態，因此肋骨的強度儲備系數k = 0.56～0.6；肋骨之間的殼板周向中面應力是直接平衡潛艇深水壓力的應力，所以其強度儲備很大，在極限壓力下保持線彈性，即σ= 0.57σs～0.6σs，則在計算壓力下，殼板跨中中面周向應力的強度儲備系數k = 0.57K～0.6K；跨端殼板內表面縱向應力為因結構剛度不連續導致的局部彎曲應力，其強度儲備最小，k = 1.10～1.15；肋間殼板的穩定性儲備k1= 1.0；艙段總體穩定性儲備比肋間殼板的穩定性儲備大，k1= 1.2～1.3，主要是為了確保因爆炸作用或者任何使用原因而在肋骨間的殼板上形成深度有限的凹陷之后的承載能力。同時，艙段穩定性的計算方法誤差稍大，模型試驗結果的離散性便也較大。

對于端部耐壓球面艙壁，由于由新材料、新制造工藝引起的材料機械性能變化、厚度變化較大，同時球殼制造的幾何偏差難以控制［17］，故模型試驗結果的離散性較大，所以球殼的強度儲備和穩定性儲備均較大，k = 0.4～0.6，k1= 1.2～1.25。

對于新型高強度鋼潛艇，由于高強度鋼對應力集中更敏感，因此對高應力部位（如：開孔加強部位、錐—柱結合部位）應力的控制更嚴格，即降低高應力部位的許用應力。

在確定具體的許用應力和穩定性儲備定額時，需要采用新材料制造的大量試樣、簡化模型和大比例模型的試驗結果作為依據，并且還需要參考潛艇使用過程中船體損傷的資料。

3　主體結構（穩定性）計算問題

艇體結構的殼板局部穩定性和艙段總體穩定性一般均可表示為Pcr= CmCgPe。其中：Pe為殼板局部彈性失穩壓力或艙段總體彈性失穩壓力；Pcr為殼板局部失穩臨界壓力或艙段總體失穩臨界壓力；Cm為材料非線性修正系數；Cg為殼板或艙段幾何非線性修正系數。

材料發生變化，將使結構穩定性計算中的材料非線性修正系數Cm發生變化，該變化可以通過采用新材料制造的試樣和簡化模型試驗確定。另外，載荷改變和材料屈服強度改變將引起大深度潛艇耐壓結構的幾何參數改變，如殼板厚度的增加小于肋骨尺度的增加幅度，會導致艙段總體穩定性計算的誤差修正量Cg發生改變［13，16，18］。這種變化需要通過采用高強度材料制造的大比例模型破壞試驗予以確定和驗證。由于艙段總體穩定性模型試驗結果離散度較大，且計算方法誤差較大，因此需要相當數量的模型進行試驗驗證。

對采用高強度鋼制造的潛艇，為了降低安全系數的取值，需要提高制造精度，減小實際結構與圖紙的幾何偏差。因此，需要重新確定制造精度。確定合理的制造精度，一方面要通過理論計算，研究不同幾何偏差對強度、穩定性和極限承載能力的影響；另一方面要通過實尺度模型，確定制造精度控制的可行性和實際制造精度的概率分布。最后，通過帶有各種幾何偏差的系列大比例模型試驗進行驗證。

當潛艇由于采用新材料，在制造過程中改變了結構制造工藝（如端部球面艙壁）時，新材料的新制造工藝會導致材料機械性能和厚度的變化不同于原材料，如果這些變化是偏于危險的，則必須計入到結構的強度設計計算中［19］。這種因新材料的新工藝引起的材料機械性能和厚度等的變化，必須通過系列試樣進行變化規律的試驗，再通過實尺度工藝模型的制造、壓力試驗和性能解剖試驗予以驗證。

當潛艇采用高強度鋼時，焊縫的殘余應力將增大。一般耐壓結構的實際應力由3部分組成：標稱應力（該結構形式固有的應力，與材料無關）、應力集中（因結構剛度不連續產生的應力，如加強肘板的根部）和制造工藝產生的應力（如：焊縫的殘余應力、結構彎制時的成型殘余應力）。高強度新材料的焊縫殘余應力的增大，將影響結構的疲勞強度。對于這個問題，一方面需通過可行的工藝措施消除或減小殘余應力，另一方面需通過大量實際測量數據的積累，掌握殘余應力的規律和水平，必要時，對安全系數進行適當修正。

4　局部結構形式及其低周疲勞問題

眾所周知，潛艇在下潛、上浮過程中，耐壓船體存在低周疲勞問題。由于高強度鋼相對疲勞強度和斷裂韌度較低，對結構剛度突變和制造缺陷的敏感性增大，使得低周疲勞成為高強度鋼結構的重要破壞模式之一。為解決高強度鋼潛艇結構的低周疲勞強度問題，需從3個方面采取措施：一是采用合理的局部結構形式［14］；二是控制耐壓殼體的峰值應力水平；三是對耐壓結構進行低周疲勞設計，以滿足潛艇全壽期的下潛次數要求。

由于高強度鋼制造的耐壓結構的低周疲勞強度影響到了結構全壽期的安全性，因此在較低強度等級鋼制造的潛艇上能夠采用的一些局部結構形式，并不適用于高強度鋼制造的潛艇耐壓結構。所以必須改變結構形式以使耐壓船體的局部結構形式合理化，從而提高結構的疲勞壽命。例如：將錐—柱結合改為錐—環—柱結合結構（圖1）；將開孔圍欄的角焊縫，改為圓弧裙邊結構，將焊縫移到低應力部位（圖2）。這些措施可以有效提高局部節點結構的疲勞壽命［20-21］。因此，對于高強度鋼制造的潛艇，必須針對大深度潛艇耐壓結構上所有的局部節點結構進行研究，仔細降低每一個局部結構特別是焊縫的高峰值應力，才能保證整個耐壓結構的全壽期安全性。

圖1將錐—柱結合結構改為錐—環—柱結構Fig.1 Changing from cone-cylinder combined shell to cone-toroid-cylinder one

圖2將開孔圍欄的角焊縫連接改為圓弧裙邊對接縫Fig.2　 Changing from fillet weld to butt seam at coamings

如果無法通過改變結構形式，或必須付出很大的重量代價來有效控制峰值應力的局部結構，則需要進行低周疲勞壽命計算，以使結構滿足潛艇全壽期下潛次數的壽命要求。為此，需要解決一系列的問題，包括：確定潛艇全壽期允許下潛到工作深度和極限深度的次數及其安全系數、建立適用于潛艇耐壓結構的疲勞壽命計算方法等［22-26］。因此，必須針對所采用的高強度材料和結構進行一系列試驗，得到材料、焊接接頭以及典型節點結構的疲勞壽命曲線（S-N曲線）、材料的斷裂韌度及裂紋擴展參數等，從而計算結構疲勞強度。由于疲勞壽命計算方法誤差較大，試驗的離散性也較大，因此其安全系數一般較大。材料、接頭、結構的疲勞壽命曲線需要通過大量的試樣和簡化模型的系列疲勞試驗獲得。結構的疲勞特性與鋼板的厚度有關，薄鋼板的裂紋擴展規律與厚鋼板的不同，因此，在結構疲勞試驗中，不僅要模擬應力狀態，而且必須注重試樣或簡化模型的鋼板厚度，以保證試驗結果的有效性［27-29］。圖3為實際板厚的結構試件進行三向復合載荷疲勞試驗的示意圖。

圖3結構疲勞試驗的實際板厚三向復合加載示意圖Fig.3　 Illustration of combined triaxial loading for real thickness specimen during structural fatique test

一般而言，提高焊接結構疲勞壽命的方法是消除焊縫的殘余應力。已有研究結果表明，熱處理方法具有較好的效果，但對潛艇這種大型焊接結構來說，實施有一定難度。

5　制造工藝問題

5.1焊接工藝

由上述材料不良因素的分析可知，隨著材料強度的提高，其焊接性能隨之下降，使得焊接和熱處理工藝更加復雜、嚴格，從而增加了加工難度。而且，當偏離焊接和熱處理工藝窗口時（工藝窗口小），產生缺陷的概率會大幅增加，從而降低潛艇耐壓結構制造的可靠性。

為了降低風險，對于高強度的潛艇耐壓殼，采用低匹配焊（即焊材的屈服強度略低于母材）。使用低匹配焊的最大好處是焊接工藝不再需要嚴格而昂貴的焊后熱處理，并可取消預熱或降低預熱溫度。通過降低屈服強度，提高焊縫的韌性，以降低焊接的裂紋敏感性，同時，通過增大焊縫的加強高度尺寸，即增加焊縫部位的厚度來保證焊接接頭的結構強度與母材相等。要開展低匹配焊材的研制，必須經過廣泛的材料試驗和工藝模型試驗。在上艇使用前，必須經過實際結構工藝模型的驗證。

另外，耐壓船體上除耐壓殼體對接縫和耐壓加強結構焊縫外，還有非耐壓結構與耐壓結構的連接焊縫。這種焊縫數量大，且有些部位實際施工時難以完全達到高強度鋼所要求的焊接工藝要求。非耐壓結構的焊縫本身的缺陷雖然不會影響結構的安全性，但擴展到耐壓船體上，會給潛艇帶來重大安全隱患。因此，必須根據非耐壓結構的特點，仔細處理與耐壓船體焊接的非耐壓船體的連接結構，采取可靠性高的焊接形式。如圖4所示，以往的內部液艙與耐壓殼板焊接時，直接采用雙面角焊縫。由于液艙內部空間狹小，液艙內部的角焊縫質量難以保證，其產生的缺陷容易擴展到耐壓殼板。對于更高級別強度鋼，為保證耐壓殼板的制造可靠性，可在內部液艙殼板上增加2條對接縫，先將一段液艙殼板與耐壓殼板雙面角焊。此時，因為焊接空間寬敞，角焊縫質量可以有效地得到保證。然后，再在內部非耐壓液艙殼板上焊對接縫。此時，即使對接縫的質量不高，但該焊縫的缺陷不會擴展到耐壓殼板，從而保證了耐壓殼板的安全性。

圖4非耐壓內部液艙與耐壓殼板的焊縫布置變化示意圖Fig.4　 Welding seams layout in non-pressure liquid tanks and the pressure shell

5.2制造工藝

根據耐壓結構的強度儲備分析，必須降低結構制造的幾何偏差，因此制造精度控制技術的提高是新型高強度鋼潛艇的關鍵技術之一。根據高強度鋼潛艇合理結構形式分析，端部耐壓艙壁應采用球面艙壁，錐—柱結合部位應采用環殼結構（即錐—環—柱結構），開孔圍欄應采用帶裙邊的鍛環結構等。這些新型結構形式都需要重新建立一套全新的制造工藝。即使對于原來已有的結構形式，如大直徑的端部耐壓球面艙壁和耐壓液艙，由于材料不同，焊接工藝不同，其制造工藝也完全不同，需要重新建立端部球面艙壁的成型、焊接和制造精度控制工藝。圖5所示為大直徑端部球面艙壁，采用極板和12塊上溫帶板先成型再拼焊的制造工藝的示意圖。

圖5端部球面艙壁不同制造工藝、不同焊縫布置Fig.5 Different maufacturing processes and welding seam layout for domed bulkheads

5.3檢驗技術

高強度鋼潛艇耐壓船體制造質量的檢驗技術，主要是焊縫無損探傷技術、形狀（幾何偏差）的測量技術，以及船臺液壓試驗技術。

耐壓船體焊縫探傷的可靠性是保證潛艇結構安全性的最后一道關口。根據高強度鋼的不良特性分析，高強度鋼因對焊接工藝的偏離更為敏感，容易產生裂紋。因此，必須提高焊縫無損探傷的可靠性［30］。焊縫無損探傷的可靠性主要體現在3個方面：

1）對缺陷的檢出率要高，特別是對關鍵焊縫的危險缺陷的檢出率應達到100%。

2）對缺陷性質和數量判定的準確性要高。對于高強度鋼，無損探傷應以檢測出危險缺陷為主，對其他類缺陷，應提高定性、定量判定的準確性，盡量避免不必要的返修。因為返修對高強度鋼來說，不僅會降低材料的力學性能，而且還會增加產生危險缺陷的可能性。

3）減少人為因素和環境因素對無損檢測結果的影響，如無損檢測圖像可記錄等。

提高焊縫無損探傷可靠性的技術措施主要體現在以下3個方面：

1）在提高現有射線探傷和超聲波探傷設備能力的基礎上，采用更為先進的探傷技術，如壓力容器使用的衍射時差法（TOFD）和超聲相控陣技術。另外，聲發射技術作為發現裂紋缺陷的輔助手段具有一定的優勢。

2）建立高強度鋼及其所有配套焊材焊縫的射線、超聲、滲透等探傷方法的完整檢測標準。

3）需要建立高強度鋼制造的潛艇耐壓船體焊縫探傷條件和復驗技術要求，以保證所有焊接缺陷在建造期間都能被檢出。

為了檢驗耐壓船體焊接的可靠性，除了進行無損探傷外，應在耐壓船體完成建造后，進行極限深度的液壓試驗，液壓試驗后應對焊縫進行一定比例的抽查。

6　試驗驗證問題

模型試驗是潛艇結構研究的主要手段，也是保證新型高強度鋼制造的潛艇耐壓船體安全性的必要過程。模型試驗不僅需要大量的試樣和系列縮比模型的破壞試驗研究其規律，而且實尺度和實板厚驗證試驗也必不可少。

在俄羅斯、美國、德國等潛艇強國的潛艇研制過程中，不僅開展了大量的研究和試驗工作［1-7］，而且也在工程中出現過涉及安全性的問題。其經驗教訓是，在采用新型高強度鋼研制潛艇的過程中，必須對耐壓結構進行充分的試驗。除大量縮比模型試驗外，實板厚結構試件，特別是實尺度模型非常必要。實板厚或實尺度模型不僅對驗證結構力學特性很重要，而且其焊接工藝試驗對結構的安全性和可靠性也很重要。

俄羅斯/前蘇聯采用小比例縮尺、1∶2和1∶1的艙段模型，進行靜力強度、交變強度和動力強度的試驗性檢驗。為此，在建造廠中建造了3個專用的高壓試驗筒，其直徑分別為5，12和15 m，相應的長度分別為20，27和55 m，壓力分別是40，20 和16 MPa，用于完成耐壓殼體和設備的結構耐海水壓力的試驗。前2個高壓試驗筒用于不同結構形式的縮尺和實尺度艙段的靜力和交變強度試驗，第3個高壓試驗筒用于潛艇殼體大分段的水壓試驗。

第二次世界大戰結束后不久，美國海軍在建造“大青花魚”號試驗潛艇時最重要的試驗內容是確定采用HY80高強度鋼建造潛艇的適用性。為此，船廠建造了一個直徑約9 m的試驗設備，進行實尺度耐壓結構的承壓試驗。該試驗為美國海軍大量使用HY80高強度鋼奠定了基礎，推動了這種高強度鋼的成型技術和焊接技術的發展。HY80鋼被美國隨后各級潛艇采用長達30年之久。而HY100在“海狼”號潛艇上應用時，由于沒有采用實尺度模型驗證焊接工藝，結果造成了很大的問題和返工［15］。

高強度鋼的材料特性和制造工藝特性對耐壓結構影響較大，也需要有一定數量的縮比模型。由于材料的改變，即使同樣的耐壓船體結構形式，其力學性能也有差別。特別是對于那些本身與試驗值之間存在一定誤差的計算方法（如：艙段的總體穩定性、疲勞壽命、帶初撓度的結構強度和穩定性計算等），試驗數據具有一定離散性，更需要增加模型試驗的數量。

7　高強度鋼潛艇結構牽連的其他問題

7.1結構變形問題

高強度鋼的屈服強度提高，但彈性模量不變，隨著載荷的增大，耐壓結構的變形也會增大。耐壓結構的變形增大，對耐壓結構強度本身來說并無問題，但會對軸系、舵桿等穿耐壓船體傳動桿的安裝、大型設備的安裝、鋪板的連接結構以及系統管路等造成問題。前蘇聯的“共青團員”號核潛艇在研制時，由于采用了彈性模量低的鈦合金，其結構變形更大，因此特別指出結構變形的增大將對軸系、舵桿等穿耐壓船體傳動桿的安裝、大型設備的安裝、鋪板的連接結構造成影響，尤其是軸系和升降舵桿，如果因結構變形而卡滯或嚴重摩擦，則會影響到潛艇的安全性。在潛艇的研制過程中，對與耐壓船體相連的傳動裝置、管路、平臺及大型設備，必須研究與耐壓結構的變形協調，其應作為主要問題之一予以重視和解決。

7.2耐壓船體開孔數量問題

潛艇在大深度航行時，最危險的是耐壓殼體上的舷側開孔。多一個開孔，就多了一個進水的危險源。為提高高強度鋼潛艇耐壓船體的安全可靠性，必須盡量減少耐壓船體的開孔數量。前蘇聯的“共青團員”號核潛艇，某個艙的開孔數量從58個減少到了38個。美國的“海豚”號深潛試驗艇，其下潛深度達到1 400 m，為了保證耐壓殼體強度的可靠性，其在大深度航行時，在直接受到海水壓力的耐壓船體上，開孔數量只有3個。為了減少開孔數量，該試驗艇的冷卻系統采用的是特殊的媒質冷卻方式。這些都說明減少開孔數量是提高大深度潛艇耐壓結構安全性和可靠性的重要措施。

7.3腐蝕特性改變問題

增大下潛深度，不僅耐壓船體會采用新材料，其他設備系統也會采用新材料。每一種新材料的使用，其腐蝕特性都是不同的。在采用新型高強度材料研制潛艇時，必須重新研究防腐體系和保護措施。德國海軍早期由AM10低磁鋼制造的201級潛艇U2，U4和U3均先后發現了小裂縫。這些小裂縫最初被認為是焊接裂紋，進一步觀察后被認為是腐蝕裂紋。經過深入研究，確認應力裂紋腐蝕是潛艇產生小裂縫的原因。

前蘇聯的“共青團員”號核潛艇的耐壓船體是采用鈦合金制造，為避免不同材料之間的電位差造成的電化學腐蝕問題，與耐壓船體連接的非耐壓結構、設備、升降裝置、發射管等，一律采用鈦合金。而前蘇聯的670M型核潛艇，其耐壓船體采用AK25鋼，非耐壓殼體、耐壓指揮室采用低磁鋼，上層建筑、指揮室圍殼采用鋁合金，聲吶導流罩、艉部非水密結構和艉部穩定翼采用鈦合金，因為采用了大量不同種類的材料，會造成電化學腐蝕，該艇為此采取了專門的保護措施。

8　結　語

隨著潛艇下潛深度的增加，耐壓船體必然采用屈服強度更高的高強度鋼。高強度鋼在使用中存在一些不良因素，會導致耐壓結構在強度儲備、強度穩定性計算方法及其修正系數、制造工藝等方面發生變化。特別是低周疲勞成為高強度鋼大深度潛艇結構的重要破壞模式之一，因此，需要研究適用于高強度鋼的局部高應力結構形式，并應對其進行低周疲勞結構設計。根據前蘇聯/俄羅斯、美國、德國潛艇的研制經驗，一是結構技術必須進行充分的試驗，1∶1，1∶2的模型試驗是他們常用的研究手段，通過試驗、計算、驗證來突破耐壓結構設計計算中的關鍵技術；二是工藝模型對于驗證焊接技術、幾何精度控制技術等非常重要；三是對于大深度潛艇工程，還必須解決大深度潛艇結構的牽連問題，如變形增大、腐蝕特性變化等問題，另外，減少開孔數量是提高結構安全性和可靠性的有效措施。

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Overview of vital matters on high strength steel utilization in submarines

YANG Jianming，ZHANG Xinyu，LIU Chaojun

China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

Abstract：With the increasing diving depth of submarines, high strength steel are often required, as steel is the major material in building the pressure hull of submarines. However, certain disadvantageous factors are observed in the actual operation with high strength steel, including the decrease of the fatigue strength and the plastic reserve. These factors will increase the sensitivity of the structure to manufacturing defects, the processing difficulty, the sensitivity of the deviations from the process, and the residual stress, etc. This paper reviews the special defects of high strength steel applied on the hull of submarines in accordance with the features of the high strength steel. Meanwhile, it deals with strength reserve, major hull structural style, calculated parameters, high stress local structural style, low cycle fatigue tests, manufacturing tech?nique, verification technique, and proof test etc. Finally, corresponding views are presented in combination with engineering practices.

Key words：high strength steel；submarine；low cycle fatigue；safety factor；proof test；overview

作者簡介：楊建明（通信作者），男，1963年生，博士，研究員。研究方向：船舶結構試驗與設計，疲勞與斷裂。E-mail：huayu_yang@163.com張新宇，男，1964年生，研究員。研究方向：船舶結構試驗與設計劉朝駿，男，1978年生，碩士，高級工程師。研究方向：船舶結構試驗與設計

基金項目：國家部委基金資助項目

收稿日期：2015 - 06 - 11網絡出版時間：2016-1-19 14:55

中圖分類號：U661.4

文獻標志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1673-3185.2016.01.005

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160119.1455.002.html期刊網址：www.ship-research.com

引用格式：楊建明，張新宇，劉朝駿.高強度鋼在潛艇應用中的若干重要問題綜述［J］.中國艦船研究，2016，11（1）：27-35. YANG Jianming，ZHANG Xinyu，LIU Chaojun. Overview of vital matters on high strength steel utilization in submarines［J］. Chinese Journal of Ship Research，2016，11（1）：27-35.