钢材的屈服强度到底对潜艇的潜深有多大影响

来源: MenHu 于 2017-01-19 09:34:04 [档案] [旧帖] [给我悄悄话] 本文已被阅读：次 (7009 bytes)

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前几天有几个帖子说到潜艇的潜深，主旨是说美、日的钢材屈服强度高，所以潜深比中国的潜艇要大得多。本人跟了一帖，谈到“影响潜艇的潜深的，主要不在材料，也不在耐压壳，而在密封工艺”，而“密封效果跟设计理念、密封材料、工艺等因素密切相关”。今儿就这个题目多说几句，以期高手指正。

说钢材的屈服极限对潜艇的潜深没影响，这肯定不对。在其他条件相同的条件下，80ksi的钢做的潜艇肯定比51ksi的钢做的潜深要大。但是这个前提就是“其他条件相同”，影响潜深还有哪些其他条件呢？我所知有限，归纳起来主要有艇体结构设计、加工工艺以及焊接技术这么三大项，而这三大项作用在以抵抗静水压为主的潜艇上，首当其冲的影响其实就是潜艇的密封性能。

来看两个例子（网文里偷来的）。第一个就是，同样是采用的是HY-80（屈服极限80ksi)钢，美国的“鲣鱼”级潜艇（竣工1959~1961）的最大潜深只有230米，“长尾鲨”级（1960's~1970's)的潜深却能达到396米，洛杉矶级（1970's~1990's)的潜深则达到了457米, 比“鲣鱼”级整整高出一倍。为什么？主要原因就是上述的“其他条件”在30多年的时间里发生了巨幅提升，换句话说，在这30年的时间里，制约美国潜艇的潜深的，不是钢材的屈服极限。

第二隔例子是中国自己的。中国在上世纪50年代末、60年代初从苏联引进033型常规潜艇时，就一同引进了AK25钢（AK25在性能上相当于美国的HY-80），并于60年代中期实现了AK25钢的国产化，采用这种刚建造了中国第一代核潜艇。

由此建造的第一代核潜艇在进行最大潜深试验时，当下潜到230米时（与“鲣鱼”级相当），艇内就陆续发出响声和出现漏水，个别支撑角钢弯曲。严格来讲，试验此时就该停止了。但是那个年代的先驱们，真的是一不怕死、二还不怕死，硬是把潜艇又往下潜了70米。最后，当核潜艇最终下潜到300米时，艇体不再发出响声，漏水依旧，但并未明显加剧。

艇内发出响声可能是一些不实的焊点在高应力之下出现开焊，这个很危险；个别支撑角钢弯曲，这属于船舶设计中比较典型的局部高应力问题，在钢材屈服之后应力会重新分布，一般不影响船舶的Global Performance。剩下的问题：漏水，就是个密封技术了。

上面两例都证明，钢材的强度未必就是潜艇的潜深的决定因素。在制约潜深的这些因素中，实际上钢材强度往往被排在末席。那么在当下哪个因素最制约潜艇的潜深呢？这就众说纷纭了，各国的具体情况也不一样，我们不妨把这几个因素罗列一下。

艇体结构设计：由于有限元模拟的广泛使用以及几十年的经验积累，潜艇的艇体结构设计已经不再是个问题。实际上深海结构所承受的荷载的复杂程度还不如水面舰艇，深海结构最大的荷载就是静水压，这个计算起来基本就没有偏差，而水面舰艇所考虑的风、浪、流等动态荷载都有相当大的不确定性。在有限元模拟的帮助下，潜艇做成什么形状最好、构件承受的力和弯矩、各区域应力分布等等都一目了然。所以个人认为艇体结构设计不再是制约潜艇潜深的决定因素。

焊接技术：对高强钢来说，焊接的难度确实很高，有的还必须在特殊条件下进行（比如氮气环境）。对空气中的构件，低劣的焊接质量会带来两个问题：焊缝变脆（抗拉能力降低）；焊缝处的疲劳寿命急降（对周期性荷载，比如波浪力，这是致命的）。但是对潜艇的潜深影响最大的耐压壳而言，如果外形设计合理的话，可以让其绝大部分区域处于受压状态，焊缝变脆对其影响狠微弱。有人对失事潜艇原因的分析得出了“在高压下解体”的结论，我实在想象不出高压是如何让结构解体的，哪位想通了的不吝解惑一下？

焊接质量不好对水下密封结构的致命影响是：密封性能。对水面舰艇的密封舱壁也有承受多大侧压的要求，但这个要求与以几百米深处作为工作环境的潜艇来说，不在一个数量级。

加工工艺：这涉及到的东西就多了，然而对潜艇来讲，我认为影响潜深的加工工艺又一次会归结到密封性能上去。比如螺旋桨的传动装置，要穿过密封壳，而且是转动的，涉及到高压动密封的一系列工艺，构件的尺寸精度、光洁度、彼此啮合的精密度，等等都会影响到这一区域的密封性能，从而影响潜艇的深潜能力。在高压密封技术方面，我记得德国人狠厉害。

最后来说钢材：对船舶、潜艇来讲，以为钢材的屈服强度越高越好，本身就是个误区。Det Norske Veritas在相关规范中甚至明文规定在某些环境下禁止使用550MPa以上的钢材。这里有个防腐的问题，海水中的钢构件防腐，多采用电极补偿的办法，实际上是一种电化学反应，这种反应会破坏高强钢的化学构成，该有的化学成分反应几年后给你搞没了，你的钢材的特性就变了。潜艇里如何防腐，是不是也采用类似原理，我不知道。

高强钢另一个问题就是延展性，大趋势上说，屈服应力越高的钢材其延展性就越弱，造成的后果是应力重新分配能力的减弱，因而应力集中的问题越严重，更容易引起构件的破坏。钢结构的破坏，往往不是因为构件里的Nominal Stress，而是局部的Concentrated Stress。钢结构被称作Smart Structure，就是因为钢材的延展性，结构自己“知道”应力该往哪儿走，但是一旦这个延展性没了，钢结构就不再Smart了。

钢材的屈服强度是不是当下制约潜深的决定因素，把潜艇简化成一个10米直径的圆筒，对应钢材屈服极限算一下在550~600米深度需要多厚的筒板才能抗住这么大的Hoop Stress，然后看看这么厚的钢板能不能加工、焊接，如果能，那就证明钢材的屈服强度不是当下制约潜深的决定因素。当然这是非常粗略的估算，但结论有相当高的可信度。

实际上，老美造潜艇，用过更高强度的钢，后来又有改回来的趋势，本身就能说明一些问题。