LNG運輸船螺柱焊對壓載艙油漆影響的試驗

(招商局郵輪制造有限公司，江蘇 海門 226116)

本單位承建的45 000 m3LNG運輸船為全球首制A型罐的運輸船，其中液貨艙內的絕緣圍護系統中采用螺柱焊的方式固定冷熱絕緣板。螺柱焊是將螺柱一端與鋼材表面接觸，通電引弧，使螺柱斷面和相應的工件表面被加熱到熔化狀態，達到適當溫度時，將螺柱擠壓到熔池中[1]，在瓷環的作用下形成焊接接頭，具有經濟、省時、操作簡便的優點，工作原理見圖1。

圖1 螺柱焊原理示意

由于LNG運輸船的結構特點，液貨艙壁鋼板的反面就是空艙及涉及到PSPC[2]規范的壓載艙區域。壓載艙內的油漆類型為環氧，一般環氧油漆的耐熱溫度為60～150℃[3]，螺柱焊接過程中由于熱量的傳遞，可能會對鋼板反面的油漆造成燒損，對油漆的正常服役造成威脅。并且螺柱焊對反面油漆的燒損比較輕微，肉眼不易發現，全船一共有數萬個螺柱焊的焊接點，排查油漆是否燒損很不現實。為此，根據螺柱焊的參數特點、鋼板的板厚、漆膜的厚度等特征，設計一套試驗方案，試驗驗證特定焊接參數下螺柱焊接對不同板厚反面油漆的影響。

1 試驗設備、材料

材料：25 cm×25 cm規格鋼板6組，板厚分為10～13.5 mm鋼板各6塊，總共36塊

油漆：JOTAPRIME 510(鋁紅色/灰色)，直徑10 mm不銹鋼螺柱，陶瓷圈。

設備：FLUKE t3000FC接觸式溫度測量儀，Elcometer 456涂層測厚儀，Elcometer108液壓式拉拔測試儀，陰極剝離測試設備及容器1套。

焊接設備：NELSON STUD WELDING Series 4500 Model 101。

2 試驗方法

1)對鋼板進行沖砂處理(達到Sa21/2標準[4])，在鋼板的一面噴涂兩度JOTAPRIME 510油漆，第一度為鋁紅色、第二度為灰色，膜厚控制在(320±20)μm范圍內，油漆硬干后，在涂層表面選取一處膜厚最接近320 μm的點(A1)，并在選取點的反面敲上樣銃點，作為后續螺柱焊的焊接點(A2)。另在涂層上隨機選取一處(B1點)，并將油漆打磨至裸露鋼板，在選取點反面敲上樣銃點，作為另一個后續焊接點(B2點)。見圖2。

圖2 試驗所用鋼板及試驗選取點

2)在鋼板邊角處油漆打磨至裸露鋼板，露出兩處接地區域。

3)調整焊機參數，選用實際制造中所使用的參數，將焊接接地鉗夾在試板裸露處。

4)選擇10 mm的試板，先在試板A2點處焊接第一根螺柱，同時將FLUKE t3000FC接觸式溫度測量儀的傳感端緊靠A1點，測量并記錄從焊接前到焊接完成后A1點溫度的變化；然后在B2點處焊接第二根螺柱，同時將FLUKE t3000FC接觸式溫度測量儀的傳感端緊靠B1點，測量并記錄從焊接前到焊接完成后B1點溫度的變化。

5)同理完成10.0 mm試板中剩下的5塊板的試驗，以及不同板厚各組試板的試驗，并記錄溫度變化曲線。

3 試驗及數據分析

3.1 螺柱焊溫度曲線分析

FLUKE t3000FC接觸式溫度測量儀記錄了焊接過程中，焊點反面的溫度變化，見圖3。

圖3 螺柱焊前后鋼板反面溫度變化

由圖3可知，在螺柱焊后，鋼板反面的最高溫度為短時性的，所以在測出焊接點反面最高點的溫度，再與油漆的最高耐熱溫度相比較，就能初步得出涂層在一定厚度的鋼板上耐螺柱焊高溫的能力了。

3.2 涂層耐熱分析

焊接時間選定為450 ms，焊接電流大小為600 A，通過測量螺柱焊過程中A1、B1點的溫度，得出A1,B1點最高溫度范圍見表1。

查閱佐敦涂料公司關于JOTAPRIME 510的技術參數，得到JOTAPRIME 510最高耐熱溫度為140℃，表1中10.0,11.0,11.5 mm厚度的鋼板在試驗中出現了A1/B1點溫度超過140 ℃的，可知此焊接參數下的螺柱焊會對這3種厚鋼板反面的油漆造成損壞[6]，后續只對更高板厚的鋼板進行附加測試。

表1 各板厚上A1/B1點螺柱焊后最高溫度

3.3 涂層拉拔試驗分析

選取12.0，13.0 mm厚的試板，參照ISO 4624標準[6]對螺柱焊點反面的油漆進行拉拔試驗。試驗結果見表2。

通常情況下PSPC對壓載艙涂層層間結合力要求為3.5 MPa，試驗數據遠高于3.5 MPa，可認定螺柱焊對板厚分別為12 mm以上厚度鋼板反面涂層的結合力無影響。

3.4 涂層陰極剝離試驗分析

參考ISO 15711 Method B標準[7]對板厚為12，13 mm鋼板上的涂層進行陰極剝離試驗，試驗中將鋼板裸露處用油漆覆蓋后浸沒在模擬海水[8]中，6個月后取出對焊接點反面涂層進行剝離蠕動檢測，并對浸沒后的涂層再次進行拉拔試驗，結果見表3。

表2 12/13 mm鋼板A1點處涂層結合力

表3 12/13 mm鋼板A1點處陰極剝離試驗結果

觀察焊點反面涂層表面后，未發現有起泡現象，PSPC對涂層陰極剝離的要求為≤8 mm，可見試驗結果滿足PSPC要求，認定12.0、13.0 mm厚試板焊點反面的涂層仍然具有原有的性能。

4 結論

在船舶工程人員的常規認識中，螺柱焊產生的熱量會在鋼板中迅速傳播，鋼板反面的溫度在焊接的一瞬間達到最高值。而本試驗表明，螺柱焊產生的熱量在鋼板中緩慢傳播，鋼板反面的溫度在數秒內達到極值，然后逐漸下降。

此試驗可以確定出螺柱焊會燒損反面油漆的臨界板厚，對于低于臨界厚度的鋼板，應盡量在分段涂裝施工前將螺柱焊進行定位，并對定位處反面進行緩涂處理；對于高于臨界板厚的鋼板，無需提前定位，按正常程序施工即可。此方法可降低項目涂裝的施工難度，減少施工成本，保證壓載艙的涂層質量。

由于此系列試驗周期較長，需在項目初期提前策劃，宜在確定焊接參數、油漆品種和板厚后進行，以滿足船舶生產進度的要求。