0 引　言

潜艇为一种潜浮和航行于深海的水下作战装备，耐压船体作为潜艇主压力边界保障潜艇安全性和潜艇生命力。为履行使命任务，潜艇上有大量管路需贯穿耐压船体，为确保主压力边界的完整性，管路贯穿耐压船体时需设置控制阀件。将安装固定在潜艇耐压船体上的阀件称之为舷侧阀。潜艇舷侧阀虽也名为阀件，但与常规管路阀件在功能、性能指标和使用时机等方面存在较多、较大的差异，哪怕是配置在同一路管道的舷侧阀与管路阀件也存在显著不同。

与管路阀件服务于管路系统及其功能不同，潜艇舷侧阀为潜艇的关键件，其作用是保障潜艇生命力和潜艇安全性。据有关文献资料统计，潜艇“进水海损事故”发生概率较高^[1]，这类事故从1900−1989年共发生66起，通海通舷外管路系统发生的损管事故，占据了“进水海损事故”大部分。要挽回或规避管损，最直接也是最重要的手段就是通过舷侧阀及时、有效地关闭舷侧通海通道，正反2个方面均有实艇案例。案例一是美国“长尾鲨号”核潜艇^[2]，该潜艇在深潜过程中舱内通海管路因焊缝问题突然破裂，由于未能及时切断舷侧通海口，导致全艇官兵葬生海底，该事故成为美国海军后续强化潜艇压力边界管控的源头。案例二为化险为夷的成功案例。“远征72”常规潜艇，该艇在执行战备远航任务时，偶遇海洋跃变层（深海悬崖）导致潜艇“掉深”，主机舱管路破损骤然进水，潜艇快速坠向3000 m深的海底。由于艇长判断准确、指挥得当，及时采取启用舷侧快速关闭系统等措施处置险情，避免了艇毁人亡的悲剧，被记为一等功荣誉^{[3 − 5]}。

潜艇舷侧阀是被赋予了潜艇特色的个性化阀件。阀件的设计、生产单位较多，潜艇管路阀件与陆用、民用阀件的技术差异并不显著，研发也不存在鸿沟。但如果一般厂家不了解潜艇舷侧阀的应用环境与使用需求、不掌握潜艇舷侧阀的技术要领，仅以管路阀件的经验来进行潜艇舷侧阀的生产供货，就可能给潜艇安全埋下隐患。

本文针对潜艇这一关键件，对照管路阀件，分析提出舷侧阀研制的技术要点，避免简单套用管路阀件思路给潜艇使用安全性和潜艇战损生命力埋下隐患。

1 潜艇阀件的分类与功能

在潜艇上，将贯穿潜艇耐压船体压力边界的管路系统称为通海通舷外系统。其中，介质与海洋相通且海水介质在潜艇舱内与舷外之间流动的称为通海系统，介质向舷外单向流动或介质在舷外是封闭隔离的其他一类系统称为通舷外系统。潜艇通海通舷外系统的阀件分为管路阀件和舷侧阀。无论是通海系统还是通舷外系统，在耐压船体压力边界上须设置舷侧阀，在管道中间视需设置若干管路阀件。

管路阀件是为完成管路系统的功能任务而设置的阀件，可实现管路通断启闭、流量调节、压力调节、流向控制等单一功能或组合功能；舷侧阀件是为保障潜艇安全性和提升潜艇生命力在潜艇压力边界上设置的阀件，主要功能是确保在平时、战损或应急情况下可通过手动、自动或遥控等方式有效、及时封闭潜艇压力边界开口，是潜艇的关键件。比较两者，舷侧阀功能比管路阀件更为简单、单一，但舷侧阀对可靠性的要求也更高。由于舷侧阀是潜艇压力边界的重要组成部分、且直接承受深水炸弹的接触式爆炸冲击，由此被赋予更多潜艇装备特色需求，技术复杂性和研制技术难度非管路阀件可比。

潜艇舷侧阀的一个最直观特点是进出口连接法兰一大一小，大法兰或称为耐压船体法兰是与耐压船体安装件连接的法兰，小法兰相对大法兰而言实际上是普通的管路法兰。管路阀件的进出口法兰均为小法兰。

依据舷侧阀的口径大小和与耐压船体联接方式的不同，潜艇舷侧阀一般分类2种型式。公称通径32 mm及以下的通海口一般配置带底部法兰的舷侧阀，与之相配的耐压船体安装件称为舷侧焊接座板，如图1（a）所示；公称通径40 mm及以上的通海口配置舷侧阀也称为通海阀，与之相配的耐压船体安装件称为舷侧杯形管节，如图1（b）所示。一般潜艇的临界破口直径通常处于32 mm以上，对于潜艇安全性和生命力影响更为突出的是大口径舷侧阀，因此重点针对DN≥40的舷侧阀展开讨论。

2 潜艇舷侧阀的基本指标体系

管路阀件的主要技术指标构成包括：工作介质、设计压力（必要时给出设计压差）、介质温度、安全系数、流体阻力系数、电绝缘性能、电磁兼容性（限于电动或电磁阀件）、耐火性能（限于特定阀件）、核安全等级（限于安全级阀件）、手操最大启闭力矩、电液操纵阀驱动装置性能、密封性能、对阀门特性的特别要求（动力操作、自动作、压力释放、频繁使用度、常开/常闭、响应时间）以及通用质量特性（可靠性、维修性、安全性、测试性、保障性和环境适应性）等。需通过检验或试验的考核项目包括但不限于：外观检查、功能试验、紧密性试验、强度试验、流阻特性试验、操作力矩与响应时间试验、冲击试验、振动试验、耐火试验、静压寿命试验、振动噪声测试、法兰电绝缘工艺型式试验等。

对于潜艇舷侧阀，技术指标体系与管路阀件名义上基本相似，由于舷侧阀的应用环境和使用条件的不同、结构型式的不同，这些指标项目的内涵和达标量值可能会有差距甚至存在本质差异。具体体现在：

1）抗爆抗冲击能力。潜艇舷侧阀是潜艇压力边界的重要组成部分，需直接承受接触式爆炸冲击，与管路阀件的非接触式爆炸冲击完全不同，由此导致舷侧阀阀体结构、阀盘型式、耐压船体法兰及紧固连接与常规阀门有天壤之别。

2）快速响应能力。舷侧阀的快速关闭时间须符合潜艇抗沉时间要求，一般视口径大小从开启切换至关闭的时间控制在几秒量级。

3）耐火性。潜艇在水下发生火灾并不鲜见，潜艇舷侧阀及其密封结构须通过耐火设计及设计验证。

4）可靠性维修性。潜艇舷侧阀处于压力边界且位于水线之下，不像管路阀件可停机维修甚至在线维护，一旦出现故障唯一的办法是进坞修理，对可靠性要求极为严苛，要求阀体扎实而淡化艇员维修性。

5）安全性。做到本质安全，即在故障情况和误操条件下都具有安全性。

6）测试性要求。舷侧阀的快速响应有赖于配置的遥操驱动装置，实时准确确定舷侧阀状态（可工作、不可工作或性能下降以及关闭、开启、卡滞等）并提前预警为规避潜艇压力边界风险的重要举措。当动力源（电力、气动、液压）中断时，应不会导致阀门的开关位置发生变化。在控制信号发生故障时，如果有阀门自动返回到关闭的位置的要求，应与相关系统明确内涵并界定清晰。

7）保障性。应满足平时战备完好性和战时利用率要求，需保障战备快速出航要求。

8）环境适应性。舷侧阀与耐压船体安装件是异种金属联接，管路阀件与管路法兰连接是同一类材质。舷侧阀一般是铜合金或钛合金，其与钢质安装件之间在海水环境中易产生电偶腐蚀，应通过有效可靠手段确保防护措施的长效可靠。虽然腐蚀是一个缓慢的过程，腐蚀隐蔽而难于监检测，一旦失效所造成的后果大于管路阀件。

9）结构设计科学合理。合理科学的舷侧阀结构设计是最基本的也是最重要的要求。这一点在后续章节进一步展开阐述。

10）安装工艺。舷侧紧固件采用降低刚度的匀强专用紧固件，且对安装力矩及其均匀性量化控制。舷侧阀紧固件的预紧力^[6]比管路阀件的更大，在舷侧附件安装采用含油石墨润滑而管路阀件紧固不润滑的对比条件下，两者同规格的紧固件拧紧力矩大致相当^[7]。舷侧阀安装工艺是潜艇关键特性，阀门厂家不能擅自拆卸实艇舷侧阀，艇员级或基地级修理不宜包括舷侧阀的实艇整体拆卸。一般情况下，在小修、中修中仅拆检、修理艇方报修的舷侧阀，只有大修时才拆修全部舷侧阀，更换其易损密封面。

3 潜艇舷侧阀与管路阀件的结构样式对比 3.1 传统管路阀件结构

传统管路阀件的结构型式灵活多样，只需在符合“三化”要求的基础上满足管路系统功能、性能要求即可。如果以常见的控制流体的断或流的截止阀为例，基本特点是阀盘从阀杆侧装入阀体内，形成2个特点：1）是从阀芯与阀座的相对位置看，阀芯处于阀座的下游；2）是阀体采用分离结构，阀盖通过紧固件连接在阀体上。

由于管路阀件技术较为成熟，成为标准化对象：对于大口径（DN≥40）管路阀件，基本结构图2（a），可参见GB/T 584《船用法兰铸钢截止阀》或者GB/T 587《船用法兰青铜截止阀》；对于小口径（DN≤32）管路阀件，除了管路连接由法兰调整为螺纹连接之外，阀体特征大同小异，可参见GB/T 594《船用外螺纹锻钢截止阀》和GB/T 595《船用外螺纹青铜截止阀》，该小口径范围舷侧阀经过优化改进，已相对完善。

3.2 潜艇舷侧阀典型结构

公称通径40 mm及以上的舷侧阀也称之为通海阀，图2（b）为潜艇传统通海阀的典型结构，该型潜艇舷侧阀具有3项显著特点：

1）采用外压式密封结构，阀芯位于阀座上游，能承受爆炸冲击。

2）通海阀本体不能和阀盖拆开，即本体是制造得无阀盖的。这种阀件由于阀芯要从阀门进口侧装入阀体内，因此通海阀的进口口径要比阀件出口尺寸大一档。这种舷侧阀（通海阀）最初由德国在一战潜艇上使用，具有较好防炸抗爆效果。

3）舷侧阀的进口与出口2个法兰尺寸差异较大。通海阀安装在潜艇耐压船体上，作为的潜艇重要压力边界。通海阀进、出口两端设计有连接用法兰，其中与耐压船体安装件连接的一端称为耐压船体法兰（大法兰），与系统管路连接的一端称为管路法兰（标准法兰）。管路法兰的连接尺寸与密封面按国家标准GB 569 船用法兰连接尺寸和密封面；耐压船体法兰需针对潜艇极限深度进行专门研制，一般具有2项特点：

1）耐压船体法兰采用30°斜切。根据大卫·泰勒研究中心（DIRC）进行的试验表明，斜切或倒圆两法兰相会处紧固件用孔的入口可提高紧固件的抗剪切性能。这样做就减弱了当侧向载荷如高强度震动载荷施加于接头时，两法兰如剪刀样作用并切割紧固件的能力。

2）耐压船体法兰厚度和螺孔直径与数量需加强。舷侧阀与船体安装件之间由垫片-法兰-紧固件组成的结构力学和密封行为比其他机械构件或普通管路密封连接更为复杂，因为受到更多因素甚至包括不可预见因素的影响。耐压船体法兰涉及到舷侧阀和船体安装件（舷侧杯型管节）两类对象，应按照“三化”原则，在满足系统管路过流要求基础上，叠加考虑通海口补强、爆炸冲击当量载荷和焊接热影响等因素，通过专项科研，形成耐压船体密封面和连接尺寸系列。舷侧阀的大法兰直接选用专项科研成果，亦可按照有效版本的CB 537《耐压船体法兰连接尺寸和密封面》选用。

4 潜艇舷侧阀件的进化结构型式

传统舷侧阀的结构型式技术成熟，通过多代多型潜艇的实践应用也证明了舷侧阀的安全可靠。为进一步提升潜艇的安全性和生命力，在潜艇装备的通海通舷外系统管路上，还设置有2道闭锁阀，即毗连舷侧阀再设置1道管路阀门，通过2道阀的串联形成双阀系统进一步提升舷侧应急关闭的可靠性。

《舰船通用规范》GJB4000-2000明确规定：潜艇上通往舷外或外部非耐压液舱的管路（高压空气管路除外），应设置具有2道闭锁功能的舷侧阀。若设置只有1道闭锁功能的舷侧阀，则必须在舱内管路上毗邻舷侧阀设置第2道闭锁阀，第2道闭锁阀应与舷侧阀承压相同。当管路设计压力低于极限压力时，其舷侧阀与第2道闭锁阀之间的管路应能承受极限压力。

对于在同一路管道上阀门串联（双阀系统）对可靠性的影响，双阀系统能有效提高系统抗内漏和应急关闭的可靠性，同时也增大系统外漏、系统不能开启的可能性。尽管在系统开启时，双阀系统的可靠性小于单阀系统。但如果不计阀门外漏的可能性，双阀系统在系统停闭方面的可靠性将比单阀系统高得多^[9]。因此作为一种系统设计方法，有时为提高系统某方面的可靠性和安全性，不得不以牺牲另一方面较低级别安全可靠性为代价，潜艇舷侧二道阀的设立正是基于此设计理念。

按照上述双阀系统兴利除弊的分析，应尽量减少双阀系统的外漏风险。管道连接部位包括焊缝部位是通海通舷外管路系统外漏的薄弱环节，世界上第1艘非战损沉没的核潜艇“长尾鲨”号是因为海水管道焊接部位出现问题而导致沉没。舷侧阀与第2道闭锁阀毗邻安装可减少2道连接焊缝，如果将舷侧阀与第2道闭锁阀做成一体式那么可进一步减少管路连接部位。由此降低系统外漏的可能性。对于舷侧阀，如果遏制了舷侧阀外漏的可能性，那么二道阀系统在系统停闭方面的可靠性将比一道阀系统高得多，这是新型潜艇装备逐步推行一体化舷侧阀的重要原因。

一体化舷侧阀除了具有可靠性更高的优势之外，还可减少空间占用，优化潜艇资源利用，因此一体化舷侧阀是传统舷侧阀的进化结构型式。

图3是一体化舷侧阀的一种相对完善的方案，在一个阀体上配置双阀芯。与传统舷侧阀结构形式相比发生变化，但是具有异曲同工之妙，特点如下：

1）阀体为完全一体化设计，不存在分成两截三段的型式。

2）第1道阀芯是越压越紧，球体阀芯从大法兰侧而不是下游安装进去；第2道阀芯也是越压越紧，球体阀芯从侧面而不是下游安装进去。2道阀芯没有万一脱落后导致通海口洞开的隐患。

3）大法兰依然是通过螺柱与焊接座板连接。

5 特殊型式舷侧阀件研制要点

随着潜艇装备的持续发展，对潜艇舷侧阀研制的新需求不断产生；同时伴随着竞争性研制与采购的推广施行，愈来愈多的单位加入到潜艇装备的研制之中。在这种新形势大环境之下，诞生出一些潜艇舷侧阀研制的新技术、新结构、新方案。

关于蝶阀型式的舷侧阀。由于蝶阀有较大的流噪声而被限制在潜艇舷侧使用^[10]。另外从蝶阀的结构及受力上看，其结构型式不宜用作潜艇舷侧阀。假如通海管道口径非常大、总体空间布置受限，存在局部应用蝶阀型式舷侧阀的需求与可能^[11]，但是须经过综合权衡、系统评估。采用蝶阀型式的舷侧阀，口径越大获得的空间占用减少越多，不利风险也越高。不管如何论证决策，下述几点须充分论证：

1）再三权衡潜艇舷侧部位选用蝶阀型式的必要性，综合上下游空间状况之后是否仍然只能选择蝶阀型式。

2）采用正确的设计载荷。与一般装艇设备承受非接触式爆炸冲击不同，潜艇舷侧阀蝶板（侧面或正面）应按承受接触式爆炸冲击考虑，施加载荷应是在潜深静水压力值基础上叠加冲击载荷。

3）蝶板旋转轴应有足够强度裕度、扭矩裕度，同时优化键槽布置以避免轴杆局部应力集中。

4）使用一段时间后的密封可靠性。影响因素有：水动力矩总是趋向关闭阀门而阀门需要保持在开启，阀板阀杆迎流冲刷、海水腐蚀、沉积磨损，双向设计压力一样而双向密封能力不同导致外压密封失效。

关于球阀型式的舷侧阀。球形舷侧阀尽管流阻系数较低，但是在总体资源空间利用上没有优势，不单独作为舷侧阀应用。由于球阀没有直行程、具有快关特性，往往选做一体化舷侧阀的组成部分，应用在双阀座一体化舷侧阀结构中。

关于截止止回阀型式舷侧阀。超过潜艇临界破口直径的大通径舷侧阀，操纵模式无论是遥控还是手动，均不应选取截止止回阀型式，主要是基于舷侧阀越简单越可靠的理念：

1）避免阀芯复杂。这种多档位多功能集成的阀芯阀杆结构较复杂，存在卡滞失败的概率。

2）避免驱动装置复杂。截止和止回两档位间一般需要有直线运动和旋转运动（无论明杆或暗杆）2种驱动状态，尤其是对具有2种运动形式的驱动装置影响更大。虽然小通径舷侧阀不是本文重点，在此仍想表达一下本文观点，不建议小通径遥操舷侧阀选择截止止回阀型式。对于高压空气系统舷侧阀有带止回功能的截止阀型式，有其特点使用环境条件。管路流通介质为压力级远高于海水压力的压缩空气，因管损导致潜艇灾难的可能性不存在。高压吹除舷侧阀不需要具有遥操功能（吹除气源在艇内高压站操控），高压吹除管路保持在随时可吹除潜艇状态，通舷外管路第1道阀应是以止回态与海水迎面。同时将常开状态的截止功能前移与止回阀集成，所以高压吹除舷侧阀往往设计为止回截止阀型式，而通舷外气瓶组管路舷侧阀设计成手动截止止回操纵阀型式。

关于一体化舷侧阀。一体化舷侧阀的成熟结构型式是双球阀阀座的一体化结构型式，优势和设计要点除了前文内容之外，特别强调：

1）整体结构应科学合理。球体的安装通道应合理布局，一般球体从上游或者侧边装入，并有防球芯脱落设计。

2）设置中压气吹除管路接口。一旦内部流道被杂物缠绕卡住，可通过吹除疏通。

3）避免错误运用平衡腔结构。避免截止关闭后，上密封填料处仍与进口相通、承受海水压力。一个隔离阀件的进口出口的区分，不在于高进低处而在于截止后上密封处不承压。

4）联接法兰螺柱孔方位。正确确定安装件方位相当于正确确定了舷侧阀安装方位，进而确定了舷侧阀的出口方位。这一点非常重要，因为耐压船体最常见的肋骨型式是内肋骨，舷侧阀出口往往处于内肋骨空间中。必须清晰明确并固化舷侧阀的出口与法兰螺柱孔之间的对应关系。通常为了避免凝露水腐蚀紧固件，在垂向方向约定无螺孔。

5）异种金属电绝缘隔离层的喷涂。一般采用陶瓷涂层+封孔的方式在异种金属连接表面喷涂。异种金属电绝缘隔离层的喷涂，要么两侧都做，要么做在高电位一侧。

6 结　语

随着可靠性技术的发展，新材料技术的应用，阀门技术的突破，新型阀门不断涌现。但是万变不离其宗，即潜艇舷侧阀是潜艇关键件，必须确保潜艇压力边界安全性、完整性为宗旨。

潜艇舷阀是潜艇的关键件，与管路阀件服务于管路系统功能不同，潜艇舷侧阀用于保障潜艇生命力和潜艇安全性。本文对潜艇舷侧阀与管路阀件的传统结构样式进行了对比，分析了潜艇舷侧阀与管路阀件的技术要点差异，阐述了潜艇通海通舷外系统舷侧阀的基本指标体系和核心要点，提出了一体化舷侧是潜艇舷侧阀的进化结构型式，最后对特殊型式的潜艇舷侧阀的设计注意事项进行了总结。潜艇舷侧阀是最富有潜艇专业特色的阀件，只有掌握了潜艇舷侧阀的应用环境和技术要素的条件下才能开展潜艇舷侧阀的研制与供货，否则可能给潜艇大深度航行使用安全性以及战时潜艇生命力埋下隐患。本文通过研究、对比、分析，形成了系统性的潜艇舷侧阀的技术要素，对于开展新型舷侧阀特别是大潜深潜艇舷侧阀的研发具有重要指导意义。