船用新型銅合金閥門的開發與應用

張 程，黃 勇，郭 寧

（1.中國核工業二三建設有限公司，北京 101300；2.中國船舶集團有限公司第七二五研究所，河南 洛陽 471000）

21 世紀被稱為海洋的世紀，海洋擁有廣闊的空間和豐富的資源，海洋層面的競爭已成為世界軍事和經濟競爭的重要領域，同時人類和社會的生存和發展也會越來越依賴海洋。因此，為把我國建設成為海洋強國，必須要大力發展船舶與海洋工程裝備。材料是船舶研制和發展的最基礎環節，材料的研制與選用對船舶行業發展起著重要的影響。艦船的管路系統包括燃油管系、蒸汽管系、循環水管系和冷卻水管系、各種水泵等。在艦船管路系統中，閥門是必不可少的零部件，閥門可接通或者截斷管路介質的流通，改變介質流通的方向、壓力和流量，達到保護管路和維持設備的正常運行的作用。閥門材質的選擇也至關重要，需要綜合考慮安全可靠性，工藝可靠性和操作、安裝、維修便利性和經濟性4 個方面的因素。合理選用閥用銅合金對于保證船用閥門的可靠性有著重要的作用。銅合金具有良好的耐海水腐蝕性能、機加工特性以及較高的強度，此外還有良好的耐菌性，其在船用閥門及零部件上應用廣泛。

本文以銅合金材料的基本屬性為基礎，簡要介紹銅及銅合金的性能，同時結合船用閥門的特性和現狀，介紹銅合金閥門在艦船上的選材與應用情況，介紹新型銅合金閥門的開發情況，分析其應用前景，旨在為銅合金閥門的選材提出參考并進一步推廣新型銅合金閥門在艦船上的應用。

1 銅合金基本屬性

銅合金具有優異的導電、導熱、抗磁、耐蝕和抑菌等特性，同時還具備良好的加工成形、切削、密封等機械性能和力學力學性能。此外，船用閥門銅合金還具備經濟、實用等優點，因此銅合金被廣泛應用于船用閥門及零部件上。下面重點介紹銅合金適合用于穿用閥門的的幾個特性。

1）耐腐蝕。銅和銅合金具有良好的耐腐蝕性能，在大氣、淡水和冷凝水中具有良好的耐腐蝕性能。銅合金耐海水腐蝕性能好，一是由于銅的熱力學穩定性高，二是銅合金表面直接形成了氧化亞銅保護薄膜，腐蝕產物往往沉積在這層薄膜上起到保護作用。純銅具有面心立方結構，無同素異構轉變。黃銅的耐蝕性與純銅相近，在大氣和淡水中是比較穩定的。在海水中耐蝕性稍差，容易脫鋅和季裂。青銅包括錫青銅及鋁青銅等，其中錫青銅在大氣、海水及低濃度堿性溶液中耐腐蝕性能極高，應用于航海事業；錫青銅鑄件收縮率小，具有優良的耐磨性和耐蝕性，可澆注成形狀復雜、壁厚變化大的零件，廣泛應用于船用閥門。鋁青銅的強度、硬度、耐磨性和耐蝕性均超過錫青銅和黃銅，鑄造性能良好，但其切削性能、焊接性能較差。QAl9-2、QAl9-4 由于在銅鋁基礎上又添加了Fe、Mn、Ni 等元素，使得合金的強度、耐磨性及耐蝕性均顯著提高，可用來制造在復雜條件下工作的高強度耐磨零部件，如閥門用的齒輪、軸套、螺母和蝸桿等。

2）耐磨性。銅合金具有良好的耐磨性能，塑性好，加工性能好。

3）抑菌性。微生物腐蝕是造成海水管系腐蝕的重要原因，腐蝕的微生物主要有硫酸鹽還原菌、產粘泥菌、產酸菌和產氨菌。銅合金具備防海生物生長和附著的性能，增加了船殼的平滑性，減少人工維護成本。銅合金表面形成了對生物有毒的氧化亞銅腐蝕產物膜，起到了防污的作用。控制船舶海水管系統微生物腐蝕的最有效辦法是定期投加殺菌劑、緩蝕劑和粘泥剝離劑。

4）加工成形工藝性能好。銅合金具備優異的機加工性能，融入不同元素后其性能可能到明顯提升，強度提高；此外，銅合金可進行熔鑄、熱擠壓、軋管和拉拔等工藝。

5）經濟適用性。銅經過合金化后組織結構發生改變，材料性能得到明顯提升，銅合金的強度明顯提高，形成各種牌號的銅合金，有效滿足船用閥門的材質要求。同時銅合金的加工工藝都屬于成熟的流程化工藝，生產成本低，制造質量好。

2 船用閥門的特點與現狀

2.1 船用閥門特點

艦船特殊的工作環境使得船用閥門與普通閥門有所不同，形成一個獨立的體系。在外形、重量、材料等方面都體現出船用閥門與普通閥門的不同之處。

船用閥門與普通閥門的工作原理相同，但由于船用閥門使用環境的不同，相比普通閥門，其質量要求往往較高[1]。船用閥門要適合海上環境的要求，尤其對于軍用艦船而言，其使用的閥門要具備耐腐蝕、抗沖擊、耐震動、高可靠性的性能。民用船舶閥門必須符合國際標準ISO9002 的相關標準，軍用艦船則需要滿足各種軍用標準的要求。軍用艦船閥門往往要經過多重測試，比如液壓試驗、氣密性試驗、疲勞壽命試驗、功能試驗、震動試驗和扭矩試驗等。民用船舶的閥門需要各國船級社的質量證書，軍用艦船的閥門則需要本國國防部門質量保證委員會的證書。艦船上的空間有限，對閥門的重量、體積都要較嚴格的要求。此外，船用閥門的可靠性要求較高，要求維修簡便省時。船用閥門質量不過關會影響艦船在航率，增加維修成本和維修時間，軍用艦船甚至會貽誤戰機危及艦船人員生命安全。

2.2 船用閥門現狀

新中國成立以來，我國的船用閥門技術得到了明顯提升。一方面通過消化吸收蘇聯方面的船用閥門技術，制定相關的配套設施與標準；另一方面自力更生，研究船用閥門相關技術。自1965 年我國發布第一批船用閥門國家標準以后，經過數代人的努力，我國目前閥門規格種類和船用閥門標準基本齊全，已經基本滿足我國的造船工業的需要。

每艘艦船都需要上千臺不同的閥門。在艦船上，閘閥、截止閥、蝶閥、球閥、止回閥、安全閥、流量調節閥和通海閥等閥門均有廣泛應用。船用閥門的材料主要包括鑄鐵、合金鋼、銅合金、鋁合金、鈦合金和不銹鋼等，適用介質包括淡水、海水、空氣、蒸汽、燃油和潤滑油等。最高使用壓力可達到600 MPa，最高使用溫度可達到650 ℃（本體）、1 200 ℃（耐火材料襯里），最低使用溫度可達到-196 ℃，最大公稱通徑可達到5 350 mm。閥門的性能優劣直接影響艦船的系統和總體性能。

3 船用銅合金閥門選材與應用

銅及銅合金具有優異的導電、導熱、抗磁、耐腐蝕和抑菌等特性，同時還具備良好的加工成形、切削、密封等機械性能和力學力學性能，此外船用閥門銅合金還具備經濟、實用等優點；因此銅合金被廣泛應用于船用閥門及零部件上[2]。銅合金閥門在艦船上的應用關鍵在于其腐蝕性。由于銅的熱力學穩定性高，銅合金表面直接形成了氧化亞銅保護薄膜，腐蝕產物往往沉積在這層薄膜上起到保護作用。海水和海水中的霧氣會對銅合金造成較嚴重的化學腐蝕。銅合金材料在接觸海水或者海水鹽霧一段時間后，閥門上的閥座、閥瓣會被腐蝕導致泄露，此外海生物也會對閥門造成腐蝕。閥門腐蝕、破壞原因主要有以下2 種類型：一是沖刷腐蝕，閥體流速較高時會形成紊流，使閥體遭受嚴重的沖刷腐蝕；二是電偶腐蝕，閥體、閥座和閥桿及管道用的材料往往不一樣，在海水介質中工作時，會產生較為嚴重的電偶腐蝕。電偶腐蝕不僅會加速陽極構件的腐蝕破壞，還可誘發點蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕等更為危險的腐蝕破壞。因此，船用閥門及其零部件的材質選擇至關重要。

針對銅合金的特點，滿足經濟實用型的要求，可選擇不同種類的銅合金制造閥門及其零部件。表1 列舉出典型銅合金閥門中部分零部件材料的選用情況，目前而言，較普遍的銅合金材料選用閥門主體材料為鑄錫青銅，閥瓣為鑄鋁青銅，閥桿為鋁青銅。

4 船用新型銅合金閥門開發

由于銅合金良好的物理性能和工藝性能，銅合金在船用閥門行業得到了廣泛應用。與此同時，老標準的船用銅合金閥門耐蝕性差、壽命短，不能完全滿足船舶的使用要求。

近年來，隨著艦船自動化程度的不斷提高，我國開發設計出許多船用新型銅合金閥門，船用新型銅合金閥門在材料、結構和工藝方面均有不同程度的創新，滿足了艦船對銅合金閥門的要求，同時研制的新產品中還有不少具備推廣價值。

在材料方面，Cu-Ni 合金由于良好的耐海水腐蝕性能、機加工特性及良好的導熱導電性能，被廣泛應用于船舶的海水管系如冷凝器、海水管路、熱交換器等。洛陽船舶材料研究所在管路主體材料為Cu-Ni 合金的基礎上，開發出一種新型Cu-Ni-Al 合金，該新型Cu-Ni-Al 合金閥門的電位與B10 等常用海水管系材料接近，可有效避免電偶腐蝕。

在設計方面，洛陽船舶材料研究所在艦船材料方面具備強大的設計能力，針對傳統銅合金閥門耐蝕性差，壽命短等缺陷，積極投入到船用新型銅合金閥門的開發與應用。其閥門技術人員采用有限元分析的方法協同工程理念與手段設計開發船用新型銅合金閥門，實現CAD/CAPP/CAM 一體化，采用仿真模擬設計與優化，縮短設計工期，提高產品質量，同時有效降低開發成本。如圖1 所示，通過仿真分析可明確得到通海閥的應力分析，通過參數化設計和反復比對，最終得到最優參數，明顯縮短產品研發周期，提高產品可靠性。

圖1 通海閥應力分析

下面就具體的新研發的船用新型銅合金閥門進行說明。洛陽船舶材料研究所研究的船用新型銅合金低噪聲舷側通海閥，結構上采用內旁通均壓結構，可雙向承壓，有效降低啟閉力矩，相比現在通海閥可啟閉力矩可降低80%，有效延長使用壽命，預計壽命達到30 年。通過流道優化設計（圖2、圖3），可有效降低流阻與噪聲，數據顯示新型通海閥相比之前通海閥流阻可降低18%，流體噪聲可降低7%。閥門采用先進的表面硬化、絕緣、防污處理，明顯增加可靠性；此外，其小型化和輕量化的設計讓新型銅合金閥門具備良好的安裝空間匹配性。

圖2 全開狀態下的壓力分布云圖（正向）

圖3 全開狀態下的速度分布云圖（正向）

5 船用新型銅合金閥門前景分析

銅合金在船用閥門行業得到了廣泛應用，但我國船用銅合金閥門和國外先進國家相比還存在很大差距。具體表現在耐蝕性差、壽命短，不能完全滿足船舶的使用要求。此外，船用銅合金閥門的制造成品率還有待提高。目前，各海洋強國均重視艦船用高性能銅合金的研發與應用，著重關注銅合金的理化性能、經濟性和配套性，時刻關注銅合金的發展趨勢，強化銅合金的基礎研究工作。鑒于此，我國更應該迎頭改進，做好銅合金的技術研究，可重點從以下幾方面著手。

1）高壽命、耐蝕性好的銅合金產品研發。

2）銅合金低成本技術研究。

3）銅合金高強度、優良焊接工藝技術研究。

4）產品成分精確化控制技術。