10月2日,美海軍海狼級潛艦「康乃狄克號」在南海海底發生碰撞事件,從照片上來看,受損部位是帆罩(指揮塔)前部與艦體交界處,不應排除其遭遇掉深問題。當它奮起向上浮的時候撞到了某個東西,也許是鯨魚,也許是鑽油平台,也許是某國的潛艦...,撞到海底山脈的可能性就不大了。

此時,媒體卻報導,中鋼所研發潛艦鋼板HSLA-80進行水下模擬測試,鋼板足以承受水下900公尺的靜水壓而不斷裂,可以滿足最嚴苛的潛艦要求。中鋼表示,HSLA-80鋼板已準備就緒,未來除潛艦,包括海軍水面艦、離岸風電、橋樑都可使用。HSLA-80鋼的確可以用在潛艦,但是真的如同中鋼所說的這麼強嗎?

什麼是HSLA-80鋼板?

HSLA-80(High Strength Low Alloys)是高降服強度、低合金鋼,80的意思是降服強度等級為80KSI(Kilopounds per Square Inch),表示單位面積上所能承受的壓力,也就是俗稱的應力,1KSI=1千磅/平方英寸,大約等於550Mpa左右,是含銅的高強度低合金鋼。

特點:在合金含量較少(成本低)的情況下,或者較好的使用性能。

原理:加入了稀有金屬或是釩(Vanadium)、鎳、鈦等合金元素,以提高材料的強度和韌性。

1980年代,美國放棄以鎳、鉻等元素提升鋼材性能的做法,轉而開發強度適中、易於焊接、費用低廉的HSLA系列高強度、高韌性的鋼材。並部分或全部取代HY-80鋼,其中尼米茲級航母的船體結構採用此鋼種。

HSLA-100鋼是美國為新建的航母船體和攻擊核潛艦(非耐壓殼體)而研製的鋼,HSLA-100是一種含碳量低、合金元素含量比HSLA-80的要高,降服強度約為690兆帕,板厚可達100mm。

後來美國海軍又研發了HSLA-115鋼,降服強度達到了800Mpa,不僅可以降低航母的重量,還可減小飛行甲板厚度。

福特級航母就是大量使用HSLA-115鋼材,可以減重400噸,能夠非常有效的降低航母重心,提升機動性和穩定性。2010年又發展出HSLA-130鋼,達到了890Mpa,日本則達到了1080Mpa。

中鋼的HSLA-80鋼

目前中鋼所生產的EN-HC420LA(HSLA-80)高強度結構鋼所能達到的降服強度為420到520Mpa(中鋼產品手冊),而不是美國所生產HSLA-80鋼的降服強度550Mpa,雖然差不多,可是潛艦艦殼在水壓之下,差了30Mpa就是差了3公尺深度。

降服強度是潛艦合金鋼的重要性能指標,降服強度與潛艦能夠承受的海水壓力和下潛深度有關。潛艦艦體使用500Mpa以上鋼材即可,可以保證最小深度200公尺,超過200公尺水深,艦殼就會被水壓碾碎。當潛艦耐壓殼降服強度達到800MPa以上,可保證潛深達400公尺。

常規潛艦下潛深度沒有能超過400公尺的,至少到現在為止沒有。近年對於潛艦鋼材的要求越來越高:高降服強度、高韌性、高抗爆性、良好焊接性、耐腐蝕和抗疲勞。通過提升耐壓殼強度及增加耐壓殼厚度,美、俄、日的潛艦可潛深度達600米以上。

據聞中國大陸加入稀土元素,研發出降服強度高達不可思議的2200Mpa,同時解決了高強度鋼焊接困難的問題。

咱們的潛艦國造的潛深只有區區的200米,如果採用低標的420Mpa計算,潛深更不足200米,若戰場在東海岸深度變化極大的海域,海軍怎麼和解放軍的潛艦一決雌雄?

潛艦用鋼的一些問題

第一個問題是鋼板焊接。整個潛艇是一個大型的焊接結構,焊接是潛艇建造必不可少的工藝。從潛艇整體結構的安全性考慮,要求焊縫、熱影響區與基材要一樣的強韌。

因為焊接過程,是金屬重新熔化、重新凝固的過程,它與通過精鍊、軋制、熱處理等的基材完全不同。焊接會產生焊縫,隨著鋼強度的提高,碳當量也隨之提高,鋼的焊接性將會變差。但是潛艇用鋼必須具有好的焊接性,才能滿足潛艇建造和使用的技術要求,因此必須盡量降低潛艇用鋼的碳當量和焊接裂紋敏感係數。HSLA-80鋼能夠較好的焊接。

第二個問題是鋼板消磁

除了降服強度與焊接技術之外,潛艦鋼還必須保證低磁性,因為鋼材的強磁性不僅易被反潛偵知和跟蹤,還可能降低潛艦設備的靈敏度和精度,尤其易受水雷攻擊。

因此在煉鋼過程中,潛艦用鋼通常會添加鎳,鉻,銅,錳和其他稀土元素,以降低或是消除磁性。但是潛艦仍會受到地球磁場的影響,必須定期消磁。

若要完全消除潛艦壓力殼體的磁性,只能採用鈦合金材料。雖然鈦合金沒有磁性、重量輕、降服強度高、韌性和疲勞強度好,但其製造和焊接都有困難,而且製造成本極高。

第三個是耐壓艦殼的問題

潛艦大致可以分為單殼體潛艦和雙殼體潛艦兩大類。顧名思義,單殼體的艇體直接由耐壓殼體構成,耐壓艦殼直接裸露在外。而雙殼體潛艦在內部的耐壓殼之外,還包覆一層非耐壓殼,通常所謂的高強度潛艦耐壓鋼都用在耐壓殼上。

與雙殼體相比,單殼體結構沒有雙殼體潛艦複雜的舷側空間結構,結構相對簡單、工程量上要比雙殼體結構少、建造成本也低。但是與同樣條件的雙殼體潛艦相比,單殼體潛艦的體積較小,阻力也較小。

從報載中鋼僅僅開發HSLA-80鋼作為耐壓艦殼,可以推知,未來國造潛艦必然是一艘單殼潛艦,排水量不會太大。在實務上,單殼潛艦在面對深度急劇變化時,可能會發生掉深問題。

第四個是掉深問題

由於海水溫度、鹽度、密度、聲速等狀態在垂直方向上出現急劇改變、或不連續劇變的水層。上層海水密度大,下層密度小,形成負密度躍變,海水浮力由上層至下層海域急劇的降低,稱之為「海中斷崖」。潛艦在水下航行若遭遇海中斷崖,會立即失去浮力,急劇掉向海底,俗稱掉深。

我們經常在電影裡面看到美國海軍潛艦衝出海面,就是在演練遭遇掉深時緊急浮出水面的處置。美海軍潛艦很多是單殼潛艦,而單殼潛艦的壓艙水在耐壓殼之內,只能提供大約15%的浮力,雙殼體則可增至30%。

海底斷崖十分可怕,潛艦如果遭遇海底斷崖,基本上都會艦毀人亡。最著名的掉深事件當屬美海軍「長尾鯊號」核潛艦沉沒事故。1963年4月,該艦在美國東部沿海進行深潛試驗時沉沒,沉沒在2560公尺深的大西洋洋底,艦上129名水兵全部罹難,就是遭遇海底斷崖因素所導致。

小結

未來我海軍將會在東部海域遭遇解放軍海軍,而台灣東部海域深度變化極大,對於潛艦鋼材的考驗極大,海軍、中鋼、國安部門可千萬不能好大喜功或其它理由,只是為了「有」而有,而不顧及官兵的安全。

從鋼材選用HSLA-80鋼來看,中鋼在2014年的產品手冊裡面就包括了這種鋼材,是個成熟產品,絕非重新研發。我們不禁要問,為何不研發更先進的Mpa更高的HSLA-115或130鋼材以保障官兵安全與戰力?

(作者為台灣國際戰略學會研究員,法國博士,國戰會專稿,本文授權與洞傳媒國戰會論壇、中時新聞網言論頻道同步刊登)

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