全海深马氏体镍钢载人球的设计和寿命计算方法研究

In recent years, an international competition on full-ocean-depth manned submersible technologies has been launched. If we can seize the initiative in the development of the operation type full-ocean-depth manned submersible, it will not only help to consolidate the leading position of our country in marine technology, but also help our country to stand in the leading position in the field of hadal science. By the preliminary investigation and demonstration, we put forward the scheme of forging or casting full-ocean depth manned spherical made of maraging steel . The design experience of human beings on deep manned submersibles is limited, and the proposed sphere scheme which will be used in more severe environment is quite different from the sphere of "Jiaolong" made of high-strength titanium alloy. At the same time, it has not been verified if the current design standard based on the design experience of “Jiaolong” can be applied to the full-ocean-depth sphere made of maraging steel and difference should exist in the life evaluation method. Therefore, it is an urgent task to conduct necessary study. So far, the international basic research work for maraging steel is unable to support its practical application in the field of deep sea. Therefore, the project intends to conduct the study on the applicability of the current sphere design standard and establishing an accurate life calculation method for the sphere made of maraging steel of full-ocean-depth manned submersible.

近几年，国际上已在全海深载人潜水器技术上展开激烈的竞争。若我国能在作业型全海深载人潜水器研制中抢得先机，不仅有助于巩固我国在海洋技术上的领先地位，还有助于我国在深渊科学领域的领先。经前期调研和论证，项目组提出了马氏体镍钢锻造或铸造全海深载人球方案。由于人类在大深度载人潜水器上的设计经验有限，该载人球与“蛟龙”号钛合金焊接载人球差别较大，服役环境也更严峻，基于“蛟龙”号设计经验提出的载人球设计标准能否应用于该全海深马氏体镍钢载人球还尚未验证，更无法完全借鉴钛合金载人球的寿命评估方法，这是我们目前面临的一个紧迫的课题。到目前为止，国际上针对马氏体镍钢的基础研究工作尚不能支持其在深海领域的实际应用。因此，本项目拟以全海深马氏体镍钢载人球为研究对象，以其设计和寿命计算方法为研究目标，开展当前载人舱设计标准对全海深马氏体镍钢载人球的适用性研究，建立较为精确的全海深马氏体镍钢载人球寿命计算方法。

载人舱作为载人深渊器最重要的组成部分，其材质的选用是研发工作的基础和关键。为了保证载人深渊器研制工作的顺利进行，项目组提出采用马氏体镍钢单球方案作为备选载人舱方案之一。马氏体镍钢球壳在国外已有应用经验，但国外技术不公开发表，合作费用昂贵。项目组若不能真正掌握这其中蕴涵的关键技术，不在国内积极推进马氏体镍钢载人球的研究，则无法真正提高我国的材料和制造工艺水平，限制了新型材料在深海技术中的应用，对今后的安全使用也不利。马氏体镍钢牌号众多，型号的选择尤为重要，是后续设计参数的确定和球壳加工的基础。马氏体镍钢锻造或铸造载人舱与钛合金焊接载人舱差别较大，服役环境也更加严峻，无法完全借鉴钛合金载人舱的寿命评估方法，这是我们目前面临的一个紧迫课题。为保证载人深渊器的成功研制和使用，实现我国在深渊科学技术领域的领先地位，对马氏体镍钢载人舱开展设计和寿命计算方法的研究具有非常紧迫的现实意义。通过本项目的支持，项目组取得了一些重要研究进展，获得了一些有科学和应用价值的重要结果和关键数据。首先，基于18Ni系马氏体镍钢的机械性能、屈强比、断裂韧性建立了载人深渊器马氏体镍钢的综合评价方法，基于该方法确定了载人深渊器载人舱的材料。其次，通过对马氏体镍钢模型球的设计分析和试验考核，验证了现行设计规范的适用性，拓展了中国船级社规范的使用范围。第三，试验获得了18Ni（250）和18Ni（350）的疲劳裂纹扩展率数据，基于统一疲劳裂纹率模型（UFCGR）对典型18Ni系列马氏体镍钢的裂纹扩展特性进行了预测分析，验证了UFCGR对马氏体镍钢的适用性，拓展了深海耐压壳材料的UFCGR模型参数数据库。第四，基于18Ni（250）的疲劳裂纹扩展试验和蠕变试验，建立了针对18Ni（250）的小时间域裂纹扩展模型，能够考虑单个加载-保载-卸载循环内的裂纹扩展量，为合理考虑保持载荷对裂纹扩展的影响以及载人舱的服役安全性评价提供了理论模型。研究成果将为马氏体镍钢在深海耐压壳中的应用奠定理论基础。