大型艦船海水管路系統技術成熟度評價研究

何 磊，程文淵，宋 剛，徐宏健

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

0 引 言

海水系統是艦船裝備的重要系統，包括日用海水系統、消防系統、水幕系統、海水冷卻系統等，對于保證艦船裝備的生命力、安全性及可靠性等指標至關重要。具有用量大、分布廣、維修保養復雜的特點，設計選材、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、高強、耐腐蝕的特點，被歐洲、美國、俄羅斯廣泛應用于艦船裝備的耐壓殼體、熱交換器、冷凝器、核反應堆外殼以及配套管道系統，已經解決了焊接工藝、電偶腐蝕、生物防污等應用關鍵技術，同時正在開展深入研究，以更好解決經濟性問題[1-2]。在艦船裝備研制過程中，鈦合金海水管路系統的應用驗證考核是一項非常重要的工作，長期以來沒有形成成熟規范的評價方法。這對艦船研制工作順利轉階段，以及進度、性能和成本的控制將造成嚴重影響。

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

1 鈦合金海水管路系統關鍵技術識別

1.1 鈦合金海水管路系統技術分解結構

按照技術成熟度評價方法，根據大型艦船鈦合金海水管路系統總體技術方案，構建大型艦船海水管路系統的技術分解結構（TBS），是對大型艦船海水管路系統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的設計、制造和試驗為核心，由一群技術組成一個技術集合。它將海水管路系統的功能性需求層層傳遞下去，直至最底層的獨立技術單元。該結構應能完全限定海水管路系統的功能劃分，并表示出各個技術單元之間的關系。本文將鈦合金海水管路系統分為總體設計技術、建造技術、成品件和保障技術四大類共42項技術單元。如圖1所示。

圖1 大型艦船裝備海水管路系統技術分解結構Fig. 1 The technology breakdown structure of large ship seawater piping systems

1.2 鈦合金海水管路系統關鍵技術清單

在技術成熟度評價方法論中，關鍵技術元素（CTE）是指：1）該項技術能否在可接受的研發進度，以及研發、生產和運行成本的范圍內滿足系統性能需求；2）該項技術或其應用方式是否是新的或新穎，再或其應用的領域內在詳細設計或演示驗證期間是否存在重大技術風險[6]。按照重要性和新穎性原則，在針對42項技術單元進行遍歷分析后，形成了包括鈦合金離心泵技術等9項關鍵技術元素作為最終的關鍵技術清單，為后續開展技術成熟度評價奠定基礎。

1）以鈦合金離心泵技術為例，鈦合金離心泵為實現泵設備的輕量化，抗海水腐蝕性及使用壽命，以抗腐蝕性能、質量密度及材料強度更優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，以實現在海水環境下的使用。主要技術指標為: 流量20～150 m3/h，揚程30～90 m，吸上高度3.5 m，氣蝕余量4 m等；主要技術難點為：主要零部件（泵體、葉輪、導葉）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的流量、揚程、氣蝕余量有直接影響，進而直接影響管路以及整個系統使用壽命。

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

2）以異種金屬接觸防腐蝕技術為例，鈦合金海水管路系統中，在法蘭連接、穿艙件、螺紋連接等地方，采用鈦合金材料與銅、鋼等金屬點位差較大，容易產生電偶腐蝕。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，以防止發生電偶腐蝕。主要技術難點包括：高電位差的異種金屬接觸產生的電偶腐蝕防護控制有效性。

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、穿艙件等已在現役艦船型號上獲得使用，但未在鈦合金海水管系環境中使用，服役環境發生較大變化，存在技術風險。

3）以鈦合金防海生物防污技術為例，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）在內的防污劑。產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。主要技術指標為：輸出電流直流0～2 A連續可調；輸出電壓直流0～12 V連續可調；半載紋波系數≤0.1%；直流電解出的防污銅離子濃度≥5 ppb；有效氯濃度≥20 ppb。主要技術難點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生海生物污損，從而導致管路系統阻塞，影響系統的安全運行，防污裝置的應用能夠使生物兼容性良好的鈦合金管路系統免受海生物污損，以保障系統的安全運行。

新穎性分析：該防污裝置現已在民船上海水管路系統中得到應用，此外裝置可對電流電壓實現實時監測并能夠提供超限報警，目前該裝置首次在鈦合金管路系統濾器中應用，可有效避免其他常規防污裝置應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技術成熟度評價規范

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

艦船裝備鈦合金海水管路系統技術成熟度評價專用規范包含TRL定義描述和TRL評價細則兩部分。TRL定義分為9級，從技術載體、驗證環境、逼真度等方面規定各級的具體要求，主要用于初步判定某項關鍵技術的技術成熟度；TRL評價細則根據項目實際特點，分為設備類、閥件類和管材類3部分，考慮到各關鍵技術的成熟度等級均集中在TRL3～7級，故本規范中主要圍繞TRL3～7進行研究。

鈦合金海水管路系統項目的TRL定義主要參照GJB/Z 173.6中關于艦船技術的TRL定義，分為9級，具體描述如表1所示。

評價細則部分，設備類等級細則71條，閥件類等級細則71條，管材類等級細則67條。以設備類第6級為例，共包含15條，主要分布在交叉技術影響、建模仿真、性能試驗等方面，如表2所示。

3 鈦合金海水管路系統關鍵技術成熟度評價

3.1 評價結果整體情況

按照評價方法和流程要求，首先制定了包含5層、42項技術單元的鈦合金海水管路系統的技術分解結構（TBS），依據重要性和新穎性原則，對TBS中的各項技術元素進行遍歷分析，結合鈦合金海水管路系統研制積累的技術基礎和進展情況，從42項技術元素中遴選出鈦合金離心泵技術、異種金屬接觸防電偶腐蝕技術、鈦合金防海生物防污技術等9項作為參評CTE。其次，根據鈦合金海水管路系統的特點，參照《技術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的專用規范，TRL定義描述主要用于初步判定，TRL評價細則分為設備類、閥件類和管材類等3套評價細則，主要用于詳細判定。最后，參照形成的評價標準，對15家單位、9項CTE開展了技術成熟度評價工作，通過與評價細則的逐項對比，綜合判定各項CTE的技術成熟度均為5級，如表3所示。

表1 鈦合金海水管路系統項目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項目技術成熟度評價專用規范框架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項目設備類評價細則第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技術成熟度評價結果Tab. 3 The assessment result for titanium seawater piping systems

3.2 某項關鍵技術成熟度評價示例

以異種金屬接觸防電偶腐蝕技術為例，該技術目前突破了鈦合金海水管路系統電絕緣考核驗證試驗臺架設計、電絕緣組件技術設計、新型電絕緣涂層（鈦合金微弧氧化涂層和HGF溶解環氧涂層）研制等關鍵技術，通過在青島陸上試驗裝置腐蝕試驗區進行電絕緣組件和新型電絕緣涂層的安裝應用，目前所設計的電絕緣組件和新型電絕緣涂層的絕緣有效性達到98%以上，并進行了相關環境考核試驗，滿足指標要求。

綜上所述，鈦合金海水管路系統電絕緣技術研究目前已完成全部技術設計、電絕緣組件設計、新型絕緣涂層研制。

1）青島陸上試驗裝置目前試驗結果表明，鈦合金海水管路系統電絕緣技術設計和電絕緣組件設計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果表明，新型電絕緣涂層對于鈦合金海水管路系統電絕緣的有效性可達98%以上。

根據技術成熟度評價工作流程，開展“異種金屬接觸防電偶腐蝕”技術成熟度評價工作，在技術成熟度等級九級定義基礎上，結合評價細則，對CTE“異種金屬接觸防電偶腐蝕技術”進行了技術成熟度判定，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）。根據評價結果，可初步判定CTE“異種金屬接觸防電偶腐蝕技術”技術成熟度為5級。

該技術為集成技術，大部分技術已在目前國內外水面艦船和潛艇上得到成功應用，可作為滿足陸上試驗裝置模擬環境考核的有效補充；少量尚未在水面主戰艦艇上應用的技術（可拆卸螺紋接頭/高絕緣溶結環氧涂層）按照目前考核現狀預測，技術風險可控。建議后續：1）后續試驗過程中重點關注未應用電絕緣組件和電絕緣涂層技術的服役可靠性/可維修性，及時改進；2）進一步完善該技術的工藝性能和工藝規范。

4 結 語

艦船研制周期長、風險大，對研制過程中的鈦合金海水管路系統進行技術成熟度評價有利于系統、全面、客觀地識別項目關鍵技術，以及量化標定關鍵技術風險，對項目風險控制和多種技術途徑優選具有十分重要的意義。本文提出的海水管路系統技術成熟度等級定義及評價細則規范，以及基于技術成熟度等級（TRL）的多方案對比，為艦船研制轉階段決策工作提供重要方法論參考。