鋼材的屈服強度到底對潛艇的潛深有多大影響

來源: MenHu 於 2017-01-19 09:34:04 [檔案] [舊帖] [給我悄悄話] 本文已被閱讀：次 (7009 bytes)

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前幾天有幾個帖子說到潛艇的潛深，主旨是說美、日的鋼材屈服強度高，所以潛深比中國的潛艇要大得多。本人跟了一帖，談到“影響潛艇的潛深的，主要不在材料，也不在耐壓殼，而在密封工藝”，而“密封效果跟設計理念、密封材料、工藝等因素密切相關”。今兒就這個題目多說幾句，以期高手指正。

說鋼材的屈服極限對潛艇的潛深沒影響，這肯定不對。在其他條件相同的條件下，80ksi的鋼做的潛艇肯定比51ksi的鋼做的潛深要大。但是這個前提就是“其他條件相同”，影響潛深還有哪些其他條件呢？我所知有限，歸納起來主要有艇體結構設計、加工工藝以及焊接技術這麽三大項，而這三大項作用在以抵抗靜水壓為主的潛艇上，首當其衝的影響其實就是潛艇的密封性能。

來看兩個例子（網文裏偷來的）。第一個就是，同樣是采用的是HY-80（屈服極限80ksi)鋼，美國的“鰹魚”級潛艇（竣工1959~1961）的最大潛深隻有230米，“長尾鯊”級（1960's~1970's)的潛深卻能達到396米，洛杉磯級（1970's~1990's)的潛深則達到了457米, 比“鰹魚”級整整高出一倍。為什麽？主要原因就是上述的“其他條件”在30多年的時間裏發生了巨幅提升，換句話說，在這30年的時間裏，製約美國潛艇的潛深的，不是鋼材的屈服極限。

第二隔例子是中國自己的。中國在上世紀50年代末、60年代初從蘇聯引進033型常規潛艇時，就一同引進了AK25鋼（AK25在性能上相當於美國的HY-80），並於60年代中期實現了AK25鋼的國產化，采用這種剛建造了中國第一代核潛艇。

由此建造的第一代核潛艇在進行最大潛深試驗時，當下潛到230米時（與“鰹魚”級相當），艇內就陸續發出響聲和出現漏水，個別支撐角鋼彎曲。嚴格來講，試驗此時就該停止了。但是那個年代的先驅們，真的是一不怕死、二還不怕死，硬是把潛艇又往下潛了70米。最後，當核潛艇最終下潛到300米時，艇體不再發出響聲，漏水依舊，但並未明顯加劇。

艇內發出響聲可能是一些不實的焊點在高應力之下出現開焊，這個很危險；個別支撐角鋼彎曲，這屬於船舶設計中比較典型的局部高應力問題，在鋼材屈服之後應力會重新分布，一般不影響船舶的Global Performance。剩下的問題：漏水，就是個密封技術了。

上麵兩例都證明，鋼材的強度未必就是潛艇的潛深的決定因素。在製約潛深的這些因素中，實際上鋼材強度往往被排在末席。那麽在當下哪個因素最製約潛艇的潛深呢？這就眾說紛紜了，各國的具體情況也不一樣，我們不妨把這幾個因素羅列一下。

艇體結構設計：由於有限元模擬的廣泛使用以及幾十年的經驗積累，潛艇的艇體結構設計已經不再是個問題。實際上深海結構所承受的荷載的複雜程度還不如水麵艦艇，深海結構最大的荷載就是靜水壓，這個計算起來基本就沒有偏差，而水麵艦艇所考慮的風、浪、流等動態荷載都有相當大的不確定性。在有限元模擬的幫助下，潛艇做成什麽形狀最好、構件承受的力和彎矩、各區域應力分布等等都一目了然。所以個人認為艇體結構設計不再是製約潛艇潛深的決定因素。

焊接技術：對高強鋼來說，焊接的難度確實很高，有的還必須在特殊條件下進行（比如氮氣環境）。對空氣中的構件，低劣的焊接質量會帶來兩個問題：焊縫變脆（抗拉能力降低）；焊縫處的疲勞壽命急降（對周期性荷載，比如波浪力，這是致命的）。但是對潛艇的潛深影響最大的耐壓殼而言，如果外形設計合理的話，可以讓其絕大部分區域處於受壓狀態，焊縫變脆對其影響狠微弱。有人對失事潛艇原因的分析得出了“在高壓下解體”的結論，我實在想象不出高壓是如何讓結構解體的，哪位想通了的不吝解惑一下？

焊接質量不好對水下密封結構的致命影響是：密封性能。對水麵艦艇的密封艙壁也有承受多大側壓的要求，但這個要求與以幾百米深處作為工作環境的潛艇來說，不在一個數量級。

加工工藝：這涉及到的東西就多了，然而對潛艇來講，我認為影響潛深的加工工藝又一次會歸結到密封性能上去。比如螺旋槳的傳動裝置，要穿過密封殼，而且是轉動的，涉及到高壓動密封的一係列工藝，構件的尺寸精度、光潔度、彼此齧合的精密度，等等都會影響到這一區域的密封性能，從而影響潛艇的深潛能力。在高壓密封技術方麵，我記得德國人狠厲害。

最後來說鋼材：對船舶、潛艇來講，以為鋼材的屈服強度越高越好，本身就是個誤區。Det Norske Veritas在相關規範中甚至明文規定在某些環境下禁止使用550MPa以上的鋼材。這裏有個防腐的問題，海水中的鋼構件防腐，多采用電極補償的辦法，實際上是一種電化學反應，這種反應會破壞高強鋼的化學構成，該有的化學成分反應幾年後給你搞沒了，你的鋼材的特性就變了。潛艇裏如何防腐，是不是也采用類似原理，我不知道。

高強鋼另一個問題就是延展性，大趨勢上說，屈服應力越高的鋼材其延展性就越弱，造成的後果是應力重新分配能力的減弱，因而應力集中的問題越嚴重，更容易引起構件的破壞。鋼結構的破壞，往往不是因為構件裏的Nominal Stress，而是局部的Concentrated Stress。鋼結構被稱作Smart Structure，就是因為鋼材的延展性，結構自己“知道”應力該往哪兒走，但是一旦這個延展性沒了，鋼結構就不再Smart了。

鋼材的屈服強度是不是當下製約潛深的決定因素，把潛艇簡化成一個10米直徑的圓筒，對應鋼材屈服極限算一下在550~600米深度需要多厚的筒板才能抗住這麽大的Hoop Stress，然後看看這麽厚的鋼板能不能加工、焊接，如果能，那就證明鋼材的屈服強度不是當下製約潛深的決定因素。當然這是非常粗略的估算，但結論有相當高的可信度。

實際上，老美造潛艇，用過更高強度的鋼，後來又有改回來的趨勢，本身就能說明一些問題。