LNG船貨艙專用小螺柱焊機(jī)國(guó)產(chǎn)化選型及應(yīng)用

翁紅兵，金戈天，王 森

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

LNG船貨艙專用小螺柱焊機(jī)國(guó)產(chǎn)化選型及應(yīng)用

翁紅兵，金戈天，王 森

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

為降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）船相關(guān)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化，對(duì)滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司原有的進(jìn)口螺柱焊機(jī)進(jìn)行分析研究。按照 GTT公司的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范選取國(guó)產(chǎn)品牌焊機(jī)，進(jìn)行一系列的焊接試驗(yàn)及標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)及檢驗(yàn)，最終選定可滿足LNG船貨艙圍護(hù)系統(tǒng)實(shí)船生產(chǎn)的一型國(guó)產(chǎn)螺柱焊機(jī)。

LNG船；小螺柱焊機(jī)；選型

0 引 言

當(dāng)前全球LNG船液貨艙貨物圍護(hù)系統(tǒng)按設(shè)計(jì)理念主要分為GTT型、MOSS型和SPB型等3種[1]。目前，滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司（以下簡(jiǎn)稱滬東中華）承建的LNG船均采用GTT NO 96型圍護(hù)系統(tǒng)。

GTT NO 96型圍護(hù)系統(tǒng)為法國(guó)GTT公司（以下簡(jiǎn)稱GTT）研發(fā)的薄膜型圍護(hù)系統(tǒng)。該型圍護(hù)系統(tǒng)主要由雙層船殼、主屏壁、主絕緣層、次屏壁和次絕緣層組成。主屏壁和次屏壁均采用 0.7mm厚的殷瓦鋼（INVAR），隔熱材料為充填珍珠巖的層壓板絕緣箱。次絕緣層的絕緣箱與貨艙內(nèi)壁之間主要采用基座和螺柱2種方式固定。滬東中華承建的某LNG船單船的次絕緣層絕緣箱共計(jì)31786個(gè)，其中有2758個(gè)需由螺柱固定。將材質(zhì)為耐低溫不銹鋼的小螺柱連接件焊接到船體液貨艙的各個(gè)艙壁面上的焊接方式屬于電弧焊，必須使用專門的小螺柱焊機(jī)。

國(guó)內(nèi)LNG船上專用的螺柱焊機(jī)曾均從國(guó)外進(jìn)口，當(dāng)設(shè)備損壞后需送至國(guó)外原廠家進(jìn)行維修，不僅周期長(zhǎng)，而且維修費(fèi)用高。為節(jié)約成本，滬東中華不斷嘗試進(jìn)行LNG 船專用螺柱焊機(jī)的國(guó)產(chǎn)化選型和應(yīng)用工作。

1 國(guó)產(chǎn)螺柱焊機(jī)的選型

焊接質(zhì)量好、成本低和效率高是設(shè)備選型考慮的基本要素。國(guó)產(chǎn)螺柱焊機(jī)的最大額定焊接電流達(dá)3150A，可焊φ30mm的栓釘，性能居世界前列[2]。

電弧螺柱焊的設(shè)備由焊槍、時(shí)間控制器和電源等組成（見圖1），專用焊機(jī)常把電源和時(shí)間控制器組成一體。電弧螺柱焊對(duì)電源有以下要求：

1 ) 需為直流電源，以獲得穩(wěn)定的電弧；

2 ) 有較高的空載電壓，為70～100V；

3 ) 具有陡降的外特性；

4 ) 能在短時(shí)間內(nèi)輸出大電流并迅速達(dá)到設(shè)定值。

同時(shí)，配備時(shí)間控制箱，進(jìn)行電流的通斷、引弧和燃弧時(shí)間的有效控制，使負(fù)載持續(xù)率較低而輸出電流較高。

在使用小螺柱焊機(jī)焊接φ8mm×100mm不銹鋼的小螺柱時(shí)，一般選用板厚≥16mm的E級(jí)碳鋼Q235作為母材。涉及的參數(shù)主要有焊接電流、焊接電壓、焊接時(shí)間、提升高度、伸出長(zhǎng)度和插入速度等。按照 GTT標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范（External document N°1096），在專用LNG船的焊接工藝參數(shù)中，只需對(duì)焊接時(shí)間和焊接電流進(jìn)行工藝評(píng)定。

獲得優(yōu)質(zhì)的電弧螺柱焊接頭的基本條件是輸入足夠的能量，而這個(gè)能量的大小取決于螺柱的橫截面積。輸入焊接區(qū)的總能量與焊接電流、電弧電壓及燃弧時(shí)間有關(guān)，其中電弧電壓的大小取決于電弧長(zhǎng)度或螺柱焊槍調(diào)定的提升高度。當(dāng)提升高度確定之后，電弧能量就由焊接電流和焊接時(shí)間來(lái)決定。

對(duì)照進(jìn)口焊機(jī)，滬東中華選定了一型外觀與其相似的國(guó)產(chǎn)螺柱焊機(jī)，兩種焊機(jī)的原理相近，均采用先進(jìn)的逆變換技術(shù)，但所設(shè)定的參考恒定值有所不同（見表1）。逆變焊機(jī)的控制頻率可達(dá)到20000次/s以上，性能非常優(yōu)越[3]。國(guó)產(chǎn)焊機(jī)體積相對(duì)緊湊，質(zhì)量＜30kg，且比進(jìn)口焊機(jī)輕便可靠、便推性強(qiáng)，僅需 1個(gè)人就可完成LNG船液貨艙內(nèi)各個(gè)位置的焊接操作。

表1 進(jìn)口焊機(jī)與國(guó)產(chǎn)焊機(jī)的技術(shù)參數(shù)對(duì)比

滬東中華選用的國(guó)產(chǎn)化焊機(jī)是電弧螺柱半自動(dòng)專用焊，其將時(shí)間控制器安置在電源內(nèi)，與電源組成一體，采用一次性陶質(zhì)套圈。焊槍上可調(diào)的參數(shù)有螺柱提升高度、螺柱外伸長(zhǎng)度和螺柱與套圈夾頭的同軸度等。螺柱提升通過(guò)電磁線圈實(shí)現(xiàn)；彈簧可將螺柱壓入到溶池內(nèi)完成焊接。然而，國(guó)外品牌設(shè)備預(yù)設(shè)提升高度和升出長(zhǎng)度（均為2mm），焊接電流、焊接電壓及焊接時(shí)間均可調(diào)。

對(duì)于該型國(guó)產(chǎn)螺柱焊機(jī)，為減緩螺柱壓入速度，減少焊接飛濺，保證焊接的質(zhì)量和外觀，滬東中華要求設(shè)備廠商對(duì)該型焊機(jī)的焊槍加裝阻尼機(jī)構(gòu)，對(duì)電源的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)后再加以設(shè)定，避免熔池內(nèi)的熔融金屬飽滿度缺失而使強(qiáng)度減弱。經(jīng)過(guò)多次焊接試驗(yàn)，最終確定該型國(guó)產(chǎn)螺柱焊機(jī)在技術(shù)上要滿足 LNG船液貨艙圍護(hù)系統(tǒng)的焊接參數(shù)，內(nèi)定輸出電流值為固定值 750A，焊接電壓也是固定值。只需調(diào)整焊接時(shí)間、提升高度和伸出長(zhǎng)度等參數(shù)，并將試驗(yàn)通過(guò)的焊接時(shí)間設(shè)定為230ms，可滿足實(shí)船生產(chǎn)需求。

該型國(guó)產(chǎn)螺柱焊機(jī)的價(jià)格相比進(jìn)口螺柱焊機(jī)下降幅度較大。從采購(gòu)成本的角度考慮，選用該型國(guó)產(chǎn)螺柱焊機(jī)對(duì)提升滬東中華的成本競(jìng)爭(zhēng)力效果明顯。

2 GTT認(rèn)證過(guò)程

在進(jìn)行LNG船實(shí)船生產(chǎn)之前，任何應(yīng)用于LNG船液貨艙貨物圍護(hù)系統(tǒng)的設(shè)備都要得到法國(guó)GTT及相關(guān)船級(jí)社的認(rèn)可，并依據(jù)GTT規(guī)范進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)和認(rèn)證。對(duì)于螺柱焊機(jī)而言，設(shè)備鑒定及焊工考證2個(gè)方面的工作可同時(shí)進(jìn)行，此處詳述設(shè)備鑒定工作。首先需明確在LNG船上進(jìn)行生產(chǎn)的過(guò)程中螺柱焊機(jī)的使用范圍，按 GTT制定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試樣試驗(yàn)；然后將試驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)照，并確認(rèn)符合度；最后在得到GTT及相關(guān)船級(jí)社的認(rèn)可之后，方能在實(shí)船建造過(guò)程中將其應(yīng)用于相關(guān)部位。

GTT對(duì)螺柱焊接試驗(yàn)有以下要求：

1 ) 明確使用范圍。螺柱焊機(jī)用來(lái)將不銹鋼小螺柱焊接在橫向環(huán)及縱向二面角區(qū)域的碳素結(jié)構(gòu)鋼船體上。

2 ) 預(yù)備性試驗(yàn)。首先是WPQT試驗(yàn)焊接參數(shù)的確定，根據(jù)螺柱焊接標(biāo)準(zhǔn)確定螺柱焊機(jī)WPQT試驗(yàn)的焊接參數(shù)，選擇在厚度≥16mm的船體碳素結(jié)構(gòu)鋼試板上進(jìn)行WPQT試驗(yàn)。此外，要對(duì)焊接試樣進(jìn)行平、立和仰等3個(gè)位置的焊接，每個(gè)位置使用1塊試板并焊接10個(gè)小螺柱，相鄰螺柱的間距為50mm，使用的焊接參數(shù)需得到GTT及相關(guān)船級(jí)社的認(rèn)可。

3 ) 焊接試板的選擇。根據(jù)GTT規(guī)范的要求，選取3塊尺寸為250mm×100mm×16mm的試板及30個(gè)試驗(yàn)所需的小螺柱。

4 ) 外觀檢驗(yàn)。對(duì)所有焊接的小螺柱的焊縫進(jìn)行外觀檢驗(yàn)，要求小螺柱焊接后的垂直度好、焊縫均勻且飽滿，沒有焊縫咬邊及金屬未熔合等現(xiàn)象。

5 ) 敲擊試驗(yàn)。使用未焊的小螺柱對(duì)所有焊接的小螺柱進(jìn)行敲擊試驗(yàn)，要求聲音清脆、悠揚(yáng)，若聲音中空、沉悶，或有雜音，則證明該螺柱的焊接質(zhì)量不過(guò)關(guān)，需移除并重新焊接。

6 ) 拉力試驗(yàn)。對(duì)每個(gè)位置選取5個(gè)焊接好的小螺柱（共計(jì)15個(gè)）進(jìn)行拉力試驗(yàn)，試驗(yàn)使用專用的拉力試驗(yàn)儀器，每個(gè)小螺柱需承受4.41kN的拉力并持續(xù)20s，確保小螺柱的焊縫沒有遭到破壞。若試驗(yàn)過(guò)程中有小螺柱被拉斷，則證明該螺柱的焊接質(zhì)量不過(guò)關(guān)。

7 ) 彎曲試驗(yàn)。對(duì)每個(gè)位置另外選取5個(gè)焊接好的小螺柱（共計(jì)15個(gè)）進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)僅需使用一根長(zhǎng)管，將其套在試驗(yàn)的螺柱上，用力將其壓彎，彎曲后的小螺柱的焊縫應(yīng)保持完好，沒有遭到破壞。若出現(xiàn)裂紋等缺陷，則證明該螺柱的焊接質(zhì)量不過(guò)關(guān)。

8 ) 硬度試驗(yàn)。對(duì)每個(gè)位置選取5個(gè)進(jìn)行過(guò)拉力試驗(yàn)的小螺柱（共計(jì)15個(gè)）進(jìn)行硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)需在專業(yè)的實(shí)驗(yàn)室使用專業(yè)的儀器進(jìn)行，要求焊接熱影響區(qū)的最大維氏硬度值≤350Vickers，并出具硬度試驗(yàn)報(bào)告。

9 ) 每日測(cè)試。按實(shí)際生產(chǎn)時(shí)過(guò)程控制的每日測(cè)試內(nèi)容進(jìn)行，每塊試樣焊接4個(gè)螺柱，進(jìn)行外觀檢驗(yàn)、聲音檢驗(yàn)、拉力試驗(yàn)（2個(gè)）及彎曲試驗(yàn)（2個(gè)）。

按上述步驟對(duì)滬東中華選定的國(guó)產(chǎn)螺柱焊機(jī)進(jìn)行焊接試驗(yàn)，結(jié)果表明所有指標(biāo)均能滿足 GTT規(guī)范的要求（見表2）。

在 GTT駐廠專家進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)認(rèn)證之后，該國(guó)產(chǎn)螺柱焊機(jī)獲得了其最終認(rèn)可。該型國(guó)產(chǎn)化小螺柱焊機(jī)及焊接人員相應(yīng)得到了 GTT及相關(guān)船級(jí)社的認(rèn)可，并獲得了設(shè)備鑒定及焊工考核認(rèn)證證書。因此，該型國(guó)產(chǎn)化設(shè)備完全適用于LNG船液貨艙的實(shí)船生產(chǎn)。

表2 國(guó)產(chǎn)螺柱焊機(jī)WPQT預(yù)備性試驗(yàn)最終結(jié)果

3 與進(jìn)口焊機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

進(jìn)口焊機(jī)是針對(duì)LNG船專用工況設(shè)計(jì)的專用機(jī)，只能應(yīng)用于LNG船的建造，無(wú)法在其他工況下使用；此外，該進(jìn)口焊機(jī)出現(xiàn)故障后無(wú)法得到及時(shí)修理，且修理周期長(zhǎng)、修理成本高，船廠生產(chǎn)易受該因素的影響。然而，其焊接質(zhì)量穩(wěn)定、缺陷率低。

選用的國(guó)產(chǎn)焊機(jī)的采購(gòu)成本和維修成本均較低，售后服務(wù)及時(shí)且容易修復(fù)，但需經(jīng)過(guò)大量的實(shí)船試驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，最終使國(guó)產(chǎn)焊機(jī)的整體性能逐步追趕甚至超過(guò)進(jìn)口焊機(jī)。此外，國(guó)產(chǎn)焊機(jī)的焊槍設(shè)計(jì)并不過(guò)于死板，可通過(guò)其他局部調(diào)節(jié)適用于更多其他規(guī)格的螺柱焊接，通用性較好[4]。

在最初的焊接過(guò)程中，國(guó)產(chǎn)焊機(jī)的成功率偏低，主要表現(xiàn)在：焊縫成型不好、飛濺大；立面、上斜面和下斜面經(jīng)常出現(xiàn)焊縫不完整、焊縫不能將螺柱整體包圍起來(lái)的現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)收集及分析發(fā)現(xiàn)，這主要是由以下2方面的原因造成的：

1 ) 焊槍的構(gòu)造，國(guó)產(chǎn)焊槍沒有阻尼系統(tǒng)，在焊接過(guò)程中，焊槍提拉時(shí)槍頭提拉動(dòng)作過(guò)快，鐵水還未形成熔池就已散開，無(wú)法形成良好的焊縫；

2 ) 焊槍的導(dǎo)電槍芯用的是鐵質(zhì)材質(zhì)，導(dǎo)致焊接過(guò)程中形成磁場(chǎng)，進(jìn)而使鐵水發(fā)生不規(guī)則的流動(dòng)而無(wú)法形成良好的焊縫。

4 優(yōu)化改進(jìn)

為改進(jìn)不足，進(jìn)一步提高該型螺柱焊機(jī)的性能指標(biāo)，滬東中華在與設(shè)備廠商進(jìn)行多次探討和研究之后，對(duì)該型螺柱焊機(jī)作以下優(yōu)化設(shè)計(jì)：

1 ) 將阻尼裝置安裝在焊槍上，使得焊接過(guò)程中焊槍槍頭在提拉時(shí)可緩緩復(fù)位，這樣可使鐵水有充分的時(shí)間填滿熔池，形成均勻而飽滿的焊縫；

2 ) 將焊槍的導(dǎo)電鐵芯更換為銅合金材質(zhì)（使用銅合金材質(zhì)不會(huì)在焊接過(guò)程中產(chǎn)生磁場(chǎng)），這樣可保證焊接熔池中的鐵水可圍繞焊接中心點(diǎn)形成均勻的焊縫，包括難度最大的上斜面位置的焊接。

同時(shí)，螺柱焊接的質(zhì)量與焊工操作有著重要的關(guān)系。螺柱焊接的裝配位置極為講究，尤其是螺柱與母材的垂直度，但由于在實(shí)船焊接過(guò)程中有平、立、仰、上斜和下斜等5種焊接位置，在實(shí)船焊接時(shí)掌握好垂直的角度需依靠大量的經(jīng)驗(yàn)[5]。LNG船配備有培訓(xùn)工場(chǎng)，可模擬實(shí)船各個(gè)位置的焊接，只有完成培訓(xùn)并考核通過(guò)以后的焊工才能在實(shí)船上進(jìn)行焊接。設(shè)備鑒定、考核取證、焊工復(fù)證及每日測(cè)試過(guò)程控制等均在培訓(xùn)工場(chǎng)完成。

設(shè)備改進(jìn)以后，按照GTT的規(guī)定進(jìn)行一段時(shí)間的每日試驗(yàn)，試驗(yàn)合格率由58%提高到96%，較進(jìn)口設(shè)備的產(chǎn)品合格率85%提高11%。生產(chǎn)效率的提高使得該型國(guó)產(chǎn)螺柱焊機(jī)的焊接負(fù)載持續(xù)率高達(dá)35%，大大縮短了焊機(jī)使用的時(shí)間間隔，從而增加了單位工作時(shí)間的焊接數(shù)量，提高了生產(chǎn)效率。

5 結(jié) 語(yǔ)

LNG船液貨艙圍護(hù)系統(tǒng)小螺柱焊機(jī)國(guó)產(chǎn)化工作的順利推進(jìn)不僅節(jié)省了設(shè)備的采購(gòu)成本及維修成本，而且大大降低了設(shè)備故障等給實(shí)船生產(chǎn)造成的負(fù)面影響，縮短了采購(gòu)及制造周期，同時(shí)對(duì)LNG船其他設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化工作起到了積極的促進(jìn)作用。

[1] 谷運(yùn)飛，陳熙，王亮，等.薄膜型 LNG 貨物圍護(hù)系統(tǒng)模擬艙的建造關(guān)鍵技術(shù)[J].船舶與海洋工程，2015, 32 (6): 62-63.

[2] 張瑞昌，黃賢聰.螺柱焊機(jī)及其焊接工藝的研究（下）[J].機(jī)械工人（熱加工），2014 (11): 40-42.

[3] 黃石生，陸沛濤，李陽(yáng)，等.逆變焊機(jī)的應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀、趨向、問題及對(duì)策[J].電焊機(jī)，2000 (8): 11-12.

[4] 張逸，李洪文.國(guó)內(nèi)外螺柱焊接的發(fā)展趨勢(shì)[J].焊接，1999 (11): 8-11.

[5] 李福昌，詹全軍.淺談LNG船絕緣箱制造及安裝的標(biāo)準(zhǔn)需求[J].船舶標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2007 (11): 22-24.

Selection and Application of Chinese Branded Small Stud Welding Machine for the Cargo Tank Construction of LNG Carrier

WENG Hong-bing，JIN Ge-tian，WANG Sen

（Hudong-Zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China）

In order to reduce the construction cost and to realize the localized supply of equipment for the construction of Liquefied Natural Gas (LNG) carrier, Hudong-Zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd.analyzes and investigates the function of the imported stud welding machines to select a welding machine made in China according to the GTT standards.After a series of welding tests and verifications, a Chinese branded stud welding machine is chosen, which meets the actual shipbuilding requirements of the cargo containment system of LNG carrier.

LNG carrier; stud welding machine; brand selection

U674.13+3.3；TG434

B

2095-4069 (2017) 04-0073-05

10.14056/j.cnki.naoe.2017.04.015

2017-06-16

翁紅兵，男，高級(jí)工程師，1973年生。1997年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)船舶工程專業(yè)，現(xiàn)從事造船生產(chǎn)管理工作。