钛合金深潜器载人舱疲劳寿命预报方法研究进展

2016-10-19 12:35:51 作者：王芳,王莹莹,王珂,崔维成来源：上海海洋大学,上海深渊科学工程技术研究中心,中国船舶重工集团公司第702 研究所分享至：

0 引言

海洋是生物资源、能源、水资源、金属资源的重要蕴藏地，是人类可持续发展的资源宝库。以开发海洋资源为标志的“蓝色革命”正在全世界兴起。

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载人潜水器是当今深海资源勘探和开发的高技术装备，蕴含了诸多关键技术，其中载人舱的制造就是关键的技术之一。载人舱的结构和制作材料的性能直接影响着载人潜水器的寿命，是整个系统关键。

随着潜水器工作深度的不断增加，一方面载人舱的设计应力水平必然相应地提高，而另一方面在保证内部设备布置和人员活动空间的情况下，还必须控制其重量和体积。因此球壳多采用强度较高的材料来保证其静强度的要求，然而这样有可能造成球壳抗疲劳断裂性能下降。国内外的基础研究和应用成果表明，钛合金不仅比强度高，抗疲劳性能、断裂韧性优良而且耐海水腐蚀，是制作深潜器耐压球壳的理想材料。例如，我国“蛟龙号”载人潜水器耐压球壳就是用Ti-6Al-4V 合金制作的。而4 500 m载人潜水器耐压球壳的制造，国内企业提供了两种牌号的钛合金耐压球壳，一种是Ti-6Al-4V ELI 合金，另一种是Ti80 合金。

随着载人深潜器技术的不断发展，从事深海研究的技术人员对深潜器载人球壳的设计可靠性评估进行了大量的研究，而对使用可靠性的研究尚还欠缺。国外在深潜器载人舱使用可靠性评估方面公开发表的研究成果很少。近几年，随着我国载人深潜器技术的发展，李向阳、李良碧、唐文勇课题组以及本文作者所在课题组等在钛合金深潜器载人舱疲劳载荷谱、寿命评估方法等方面做了较为深入的研究。本文主要介绍钛合金深潜器载人舱疲劳寿命预报方法的研究进展。

1 结构形式

深潜器载人舱的结构有圆柱形、圆锥形、球形、椭球形，或者组合形。下潜深度大于800 m 的潜水器耐压壳体大都采用球形结构。目前，世界上已有的深潜器载人舱多是由两个或多个瓜瓣组合焊接而成的厚壁球壳，且开有出入舱口和观察窗等。对于焊接结构的载人舱，由于在使用过程中承受低周交变载荷和海水腐蚀的作用，焊缝有可能会成为高应力危险区，首先产生疲劳裂纹并逐渐扩大，最终导致整个载人舱的破坏。因此，对开口区域的结构形式以及焊接工艺提出了很高的要求，同时还需要考虑焊接残余应力的影响。在过去的研究中，潘涛应用S-N 曲线的疲劳寿命评估方法和断裂力学理论的疲劳寿命评估方法分别对耐压壳热点区域的疲劳强度进行了计算。卞如冈等基于断裂力学的方法，对耐压壳体局部的残余应力对疲劳寿命的影响进行了分析、计算，并通过疲劳试验对其进行验证，表明残余应力加快了裂纹扩展，明显降低了疲劳寿命。作为焊接结构的载人舱在水下工作时，大部分区域处于受压状态，而由于局部设计不合理及制造和焊接工艺带来的缺陷有可能造成局部出现应力集中和残余拉应力存在。这些是影响其使用寿命的主要因素。在评估其使用可靠性时，必须考虑。

2 载荷特征

目前，世界上使用较为频繁的载人深潜器是美国的ALVIN 号，在使用频次和下潜深度上积累了较多的数据。因此文献对美国ALVIN 号的下潜数据进行了统计分析，得到图1a。并由载人潜水器所受压力与下潜深度的变换关系得到我国蛟龙号耐压球壳载荷频谱模型（图1b）。再通过传统的应力－寿命法对其疲劳寿命进行简单的校核。这种处理方法对多种影响因素的考虑均存在模糊性，尤其是在载荷处理方法上难以描述真实的受载历史，导致在该框架下保证载人舱的结构可靠性非常困难。

深潜器下潜深度很深，承受巨大的海水压力，其它载荷如结构自身重力、内部气压等与海水压力相比可以忽略不计。且由于载人深潜器由于需要执行各种科学探索研究以及打捞救生等任务，必须频繁的上浮和下潜。每执行一次下潜任务都将承受一次不断变化的海水压力作用，而每次下潜的深度和作业的时间会因作业需求的不同而发生变化。作业温度通常为0 ～ 30 ℃。因此，其载荷特征可以理解为室温条件下的变幅、循环载荷作用。

载荷历程描述对载人舱疲劳寿命的评估和预报有着重要的作用。但在载人球的设计阶段，其载荷历程还是一个未知量，其随机性的程度难以估量，因此服役寿命难以确定。由于我国缺乏载人舱载荷特征的累积数据，而潜水器与潜艇的服役环境和受力特征相似，所以载人舱的寿命评估多采用潜艇结构的低周疲劳寿命预报方法。载荷历程用载荷频谱表达，但目前所做的研究仍不多。工程上为了保险起见，通常考虑最危险的载荷模式，即认为潜水器每次下潜均达到设计的最深深度，将载人舱的载荷历程简化为保载时间为Th的常幅载荷。

3 材料特性

随着测量技术的发展和要求精度的提高，人们发现即使在室温下，某些金属材料也会发生蠕变变形。载人潜水器用的钛合金材料在承受较高恒定载荷作用时，变形量会随着时间的延长而增加到一个较大的值，即存在比较显著的室温蠕变现象。

虽然相对于高温蠕变该变形量较小，但为了保证潜水器安全也不能忽视。即使在名义应力较低的情况下，应力集中严重的区域也可能累积较大的室温蠕变变形，从而对材料性能产生影响。一旦结构具有小裂纹，保载过程的室温蠕变行为会在裂纹尖端造成变形，影响其寿命。近几年，随着潜水器向深海发展，对材料性能的研究也更加深入。

3. 1 保载对寿命的影响

本文作者对Ti-6Al-4V ELI 合金的保载蠕变－疲劳特性进行了研究。试验的保载应力分别是0. 976σs、0. 959σs、0. 941σs、0. 924σs、0. 906σs（ σs为最大应力，850 MPa），保载时间分别为2、10、15、20 min，蠕变－疲劳试验在ＲPL 系列电子蠕变疲劳试验机上进行。主要分析内容和结论如下。

（ 1）在蠕变－疲劳载荷作用下，应变－寿命曲线分为三个阶段，即初始弹－塑性变形阶段、应变的线性累积阶段以及不稳定变形阶段。

（ 2）保载时间为10 min，保载应力分别为0. 976σs、0. 959σs、0. 924σs、0. 906σs，其应变－寿命曲线见图2。结果显示，尽管应力水平变化不大（仅为7%），但Ti-6Al-4V ELI 合金的应变－寿命特征变化较大，表明Ti-6Al-4V ELI 合金在蠕变－疲劳载荷的作用下，保载应力水平对其寿命的影响较大。

（ 3）保载时间为10 min 的应力－寿命曲线见图3。并比较了保载应力为0. 959σs，保载时间分别为2、15、20 min 的寿命（图3）。保载时间为15 min 和20 min 的寿命值（ tf）更加接近保载时间为10 min 的寿命。证明高应力状态下，保载时间越长，循环载荷对蠕变性能的影响越小。