船用水密門輕量化設計

劉 銘，壽雪剛

（滬東中華造船（集團）有限公司，上海 200129）

0 引言

水密門廣泛應用于船舶與海工平臺，是保證船舶艙壁水密性能的重要船體屬具。水密門在關閉后能防止一定壓力的水從門的一側向另一側流動。水密門對保證船舶艙壁水密性，保障船舶安全具有重要作用[1]。

從國外船舶水密門的應用和發展來看，歐美國家在水密門的設計、使用和維護方面具有較系統的規范[2]。目前，我國船用水密門絕大多數采用單把手聯動操作方式，門面板采用單層高強度鋼板或聯動控制的隱藏式結構。為滿足強度要求，在面板上焊接筋板。聯動機構直接暴露在通道內，外觀很差。水密門的零部件較多，在日常維護時需要先將聯動機構拆除再重新組裝。只有經過專業培訓、技藝嫻熟的船員或專業廠家才能進行維護和保養。此外，重新組裝后的聯動機構的鎖緊量和壓緊量很難達到拆裝前的狀態，這會導致密性不可靠，操作費力，維護、保養難度增大，成本提高。

隨著我國船舶產業的不斷發展，以及新材料、新工藝、新技術的應用，傳統水密門已無法完全滿足使用要求。研制一種質量更輕、外觀更好、耐腐蝕性更強、維護保養更加方便的新型輕量化鋼質水密門尤顯迫切。

本文提出水密門輕量化的技術指標，并進行方案設計。通過關鍵技術的實施，完成樣機的研制工作。

1 主要技術指標

為了解船用水密門的使用現狀，深入調查各大船廠和設計院所，了解目前水密門的技術指標和結構形式。在分析比較國內外相關產品優缺點的基礎上，制定詳細、嚴謹的研制技術方案。

新型輕量化水密門樣機具有如下技術指標：

1）高1 650 mm，寬650 mm，質量為105 kg。

2）外壓和內壓均為0.05 MPa。

3）相較于同尺寸的傳統鋼質水密門，新型輕量化水密門的總質量減輕25%，門板質量減輕35%。

4）門板、門框的高度偏差和寬度偏差均為1 mm/m。

5）共制造2扇水密門。1扇焊接在水密試驗箱上，用于水壓試驗；另1扇固定試驗架上，由專業檢測機構進行環境試驗。

6）當門關閉時，門框邊緣應均勻壓入填料，壓入深度不大于3 mm。

7）所有零部件均應具有良好的互換性和表面質量。

8）手動操作時間不得超過5 s，操作力矩不得超過150 N·m。

2 技術方案

2.1 門板、門框結構

目前，國內尚無相似指標的水密門，僅有美國最新的“福特”號航母上使用的海軍標準壓力驅動門（Navy Standard Pressure Actuated Door，NSPAD）水密門與本文設計的新型輕量化水密門的指標相當。NSPAD的質量為98.9 kg，其采用薄板箱型結構，此結構為本文的設計提供了非常有益的借鑒。本方案中門板、門框和筋板均采用薄板結構，通過特殊結構設計和焊接工藝使水密門的強度滿足要求。

2.2 密封結構

為滿足密性要求，我國船舶通常采用提高密封膠條硬度、增加壓入深度、增加鎖緊點，提高鎖緊機構強度等方法。然而，由于傳統水密門質量大，操作費力，往往會減少膠條的使用壽命。本文采用“唇式”密封圈，該密封圈能夠在水壓作用下膨脹，擠壓軸和套，進而形成密封，達到水密效果。密封結構實物圖見圖1。

圖1 密封結構實物圖

2.3 聯動鎖緊機構

我國船舶使用的水密門為單把手快速啟閉機構，可實現快速啟閉的目的，但聯動機構中連接點和鎖緊點較多，日常維護時需要根據安裝情況現場調節壓緊量，對維護保養人員的技術要求非常高，造成大量人力和物力的浪費。為改變上述不足，在設計合理門板、門框結構及密封方式的基礎上，嘗試取消水密門上、下及鉸鏈面鎖緊機構（見圖2），采用以鉸鏈作為鎖緊點，在開啟面設置聯動把手的模式。該模式在保證密性時不再完全依托鎖緊機構對密封膠條的壓緊作用，而是借助水的作用力實現密封。

圖2 鎖緊機構實物圖

續圖2 鎖緊機構實物圖

3 關鍵技術

3.1 門板、門框結構設計

目前，國內水面船舶使用的最輕水密門質量為132 kg，門板由4 mm厚的907A鋼板制成，門框由6 mm厚的Q345-B材料制作。根據技術方案，門板、門框及筋板采用薄板，通過特殊結構以及焊接工藝使水密門的強度滿足要求。不銹鋼薄板制成的壓力容器以及有壓力要求的薄板結構均采用激光焊。激光焊的特點是焊接速度快、變形小、強度高。為驗證不銹鋼薄板激光焊接的質量，選取不同厚度、不同筋板形狀的不銹鋼板進行焊接，并進行壓載強度試驗，對比其優缺點。最終，根據試驗結果進行篩選，使用厚度為1.5 mm的外面板、厚度為1.2 mm的內面板和“碗狀”筋板合成不銹鋼“金屬三明治”結構，并用此結構制作門板（見圖3）。門框則由2種不同規格的不銹鋼矩形板采用激光焊接制成。本文提出的設計方案可同時滿足外觀、質量及強度的要求。

圖3 門板、筋板示意圖

3.2 密封膠條設計

“唇式”密封圈裝配在軸和套之間，其內部有一個非常小的腔，若壓力水進入水腔，會促使密封圈膨脹，擠壓軸和套，形成密封，進而達到水密效果。水密門的密封面為平面，可采用類似“Y”形密封結構，其依靠受壓時水對密封膠條產生的作用力實現密封[3]，密封膠條示意圖見圖4。

圖4 密封膠條示意圖（單位：mm）

3.3 聯動鎖緊設計

在合理設計門板、門框結構及密封方式的基礎上，嘗試取消水密門上、下及鉸鏈面鎖緊機構，采用將鉸鏈作為鎖緊點，在開啟面設置聯動把手的模式。該模式在保證密性時不再完全依托鎖緊機構對密封膠條的壓緊作用，而是借助水的作用力實現密封。聯動鎖緊機構示意圖見圖5。

圖5 聯動鎖緊機構示意圖

3.4 安裝結構設計

水密門所在的艙壁面板均采用數控切割，切割后與筋板焊接，船體壁板制作允許誤差為3～4 mm/m。水密門的壓緊量一般為3 mm。由于門框強度低于艙壁強度，這導致門框與艙壁焊接時會產生變形，進而造成門的密性無法滿足要求。只有保持密封面平整，密封膠條才能均勻受壓。因此，采用合適的門框結構和安裝結構至關重要。經反復試驗，最終門框采用矩形管拼接的形式。不銹鋼矩形管嵌入安裝在艙壁內，其目的是盡可能避免破壞密封面的平整度。

4 樣機的研制

4.1 主要組成

新型輕量化水密門由門板、門框、密封膠條、聯動機構、拉手、斜楔、連桿固定裝置等組成。

4.2 樣機制造

在標準鋼質水密門生產工藝的基礎上，加強產品質量管理，選用滿足相關標準和研制要求的材料；采用激光焊，控制薄板焊接變形[4]；提高門板、門框的制造精度，保證產品外形平整、光滑、表面無明顯缺陷，滿足產品的研制要求。

4.3 樣機試驗測試

4.3.1 水密試驗

將新型輕量化鋼質水密門焊接在專用試驗箱上（內外水壓試驗共用一個水箱，分開使用），向箱內注水，當外壓達到要求時，關閉進水閥，保持壓力不變，堅持15 min，觀察表面是否存在滲水或漏水現象[5]。水密試驗示意圖見圖6。

圖6 水密試驗示意圖

4.3.2 環境試驗

新型輕量化鋼質水密門樣機通過專業機構的環境試驗，試驗結果良好，滿足相關技術指標要求。

5 結論

本文對船用水密門進行輕量化設計，提出技術指標，進行方案設計，并完成樣機試驗。試驗結果滿足技術指標的要求。相較于普通鋼質水密門，新型輕量化鋼質水密門具有以下優點：

1）采用“金屬三明治”結構，內外面板及筋板之間形成60 mm厚的中空層，有效提高了門的整體強度，實現了良好的保溫、隔熱和隔聲效果。

2）采用先進的密封理念，不再完全依托鎖緊機構對密封膠條的壓緊作用，而是通過水的作用力壓緊門板與門框之間的密封條，改變了傳統水密門的鎖緊模式，減少了鎖緊力，達到了快速啟閉的目的。

3）聯動機構布置在門框上，門板上僅設有拉手和扇形斜鍥，在門打開后外部除必須配備的拉手外無任何突出物，外觀整潔、大方。

4）采用先進的激光焊接技術，提高了焊接質量，減少了環境污染，保護了施工人員的身體健康。