LNG/LPG 船耐低溫材料的焊接發展

趙孔標 朱小鋒 李利娜

（1、江蘇航運職業技術學院，江蘇 南通226010 2、招商局重工（江蘇）有限公司，江蘇 南通226500 3、南通新創航海機械有限公司，江蘇 南通216002）

隨著我國對清潔能源需求量的快速上升，液化石油氣和液化天然氣在整個能源工業中的地位也越來越高。對于液化天然氣來說，其主要構成成分為甲烷，該氣體不僅無毒、無色、無味，而且也無腐蝕性，所以該能源是一種高效、清潔能源。液化石油氣主要由丁烷、丙烷和少量的烯烴構成。在這兩種能源的使用過程中，為了可以進一步提高能源的使用效率，確保兩種能源可以長距離運輸，均需要在加壓或低溫的條件下對將石油氣和天然氣進行液化，然后再進行運輸和儲存，天然氣需要在零下161 攝氏度的溫度條件下液化，液化后的天然氣體積僅為同時亮起的1/600 左右；石油氣的液化溫度為零下104～零下45 攝氏度。為了確保液化石油氣和液化天然氣在運輸過程中不會被氣化，液艙內的溫度必須要遠低于液態貨物的液化溫度，在這種情況下也就提高了對煙草材料耐低溫性能和焊接性能的要求。

1 殷瓦鋼、304 不銹鋼和5083 鋁合金的物理性能

1.1 殷瓦鋼

殷瓦鋼屬于一種Fe-Ni 合金，常溫線膨脹系數＜1.6*10-6k-1，其大約為低碳鋼的1/10 左右，即使在比較大的溫度范圍內，其所發生的變化依然比較小。因為殷瓦鋼具有的低膨脹特性，即使在低溫的條件下，依然不會發生冷脆的情況，所以該材料具有非常優異的耐低溫性能，可以應用于電子工業和精密測量裝置中[1]，該材料的具體化學成分和物理性能見表1 和表2。

表2 殷瓦鋼物理性能表

有相關的研究學者針對殷瓦鋼、304 不銹鋼和5083 鋁合金進行了低溫拉伸實驗，對三種材料的溫度和應變速率進行了定量研究，分析三種不同材料力學性能的影響規律，可知，在不同溫度條件下，殷瓦鋼具有的抗拉強度、屈服強度、應變速率和斷裂延伸率對殷瓦鋼塑形影響的具體結果。

1.2 5083 鋁合金

鋁合金是一種高強度、低密度、耐腐性、無磁性、可焊接且無低溫脆性的材料，而且鋁合金在我國的工業領域中具有著非常廣泛的應用，比如在船舶建造行業中，鋁合金的應用已經具有近百年的歷史[2]，現如今，由于結構輕量化要求的不斷提升，鋁合金作為船舶建造行業中主要應用的材料之一，其價值無可替代。

在船舶建造行業中應用最為廣泛的就是5083 鋁合金，該鋁合金屬于一種AL-Mg 合金，具體的化學成分見表3、物理性能見表4。

表3 5083 鋁合金化學成分表

表4 5083 鋁合金物理性能表

5083 鋁合金是一種耐腐蝕性、塑形和焊接性能均比較好的一種材料，而且這種鋁合金也屬于一種非熱處理強化鋁合金，采用微合金化和加工硬化的方式可以有效提高5083 鋁合金具有的綜合性能。因為5083 鋁合金不存在低溫冷脆等問題，所以，即使在低溫的條件下，5083 鋁合金依然可以保持良好的力學性能，因此，5083 鋁合金可以應用到小型液化天然氣船的儲罐、三體船等快速船以及船舶的上層建筑中[3]。

有相關的研究人員對5083 鋁合金的應力應變曲線進行研究，在試驗中，溫度范圍在110～393k 中，經試驗結果表明，在不同分溫度條件下，5083 鋁合金的抗拉強度、屈服度、斷裂延伸率以及應變速率對5083 鋁合金塑形造成的影響也不同。

1.3 304 不銹鋼

不銹鋼是一種耐鹽、酸、水、空氣、溶液、堿以及其他具有腐蝕性、高度化學穩定性的合金鋼材料總稱，而在船舶的建造中，最常用的就是奧氏體不銹鋼。

在薄型液化天然氣船的建造中大量應用奧氏體不銹鋼，即使在低溫的條件下，不銹鋼依然具有較高的耐腐蝕性、強度和延展性[4]。為了能夠保證材料具有的腐蝕性，通常情況下會選擇304、347、316L 和321 四種奧氏體不銹鋼作為常用材料，本文重點介紹304 不銹鋼材料具有的焊接性和物理性能，該材料的化學成分和物理性能見表5 和表6。

表5 304 不銹鋼化學成分表

表6 304 不銹鋼物理性能表

有相關的研究人員通過試驗對304 不銹鋼材料的應力應變曲線進行測量和研究，試驗選擇的溫度范圍在110～393K 之間，實驗結果表明，在不同的溫度條件下，304 不銹鋼的屈服度、斷裂延伸率、抗拉強度和應變速率對其塑性所產生的具體影響。

2 殷瓦鋼、304 不銹鋼和5083 鋁合金的焊接性能

2.1 殷瓦鋼

對于殷瓦鋼來說，該材料在進行焊接時，最常見的溫度就是熱裂紋問題，現階段，一般采用鎢極氬弧焊的方法對殷瓦鋼進行焊接，從而解決熱裂紋這一問題，但是這種焊接方法在使用過程中，對操作者工作能力的要求也比較高，而且也很容易出現焊接變形的情況。在液化天然氣船液艙屏蔽層一旦出現開裂的問題,很有可能會導致液化天然氣泄漏，輕度會導致外部船體結構冷脆，重度則很有可能會引發火災，嚴重的情況下，甚至是爆炸，因此在進行殷瓦鋼焊接時，必須要保證100%無漏點，而這就需要徹底解決焊接熱裂紋問題。在解決熱裂紋問題時，可以從兩個方面入手，一方面是降低焊接應力，另一方面則是改善焊接縫金屬的塑性[5]。

2.2 5083 鋁合金

對于5083 鋁合金來說，該材料在進行焊接時，主要面臨的問題包括三種，分別為焊接變形、接頭軟化和氣孔。因為5083 鋁合金的膨脹系數為23.4*10-5K-1，遠低于低碳鋼，所以，在對該材料進行焊接時，可能會面臨比較嚴重的變形問題，尤其是對薄板進行焊接時，非常容易出現焊接裂紋這一問題。

因為5083 鋁合金是一種AL-Mg 合金，其中Mg 元素會影響到合金的強度，雖然Mg 和AL 的熔點比較接近，但是Mg 的沸點在1107 攝氏度，而Al 的沸點為2327 攝氏度，所以，焊接時焊接縫中的Mg 元素非常容易被燒損，從而降低了焊接接頭的強度，也容易導致接頭被軟化。

除此之外，氣孔也是鋁合金焊接過程中非常容易出現的問題之一，一般情況下，鋁合金氣孔主要包括工藝氣孔和焊接氫氣氣孔，焊接氫氣氣孔是因為溶解在液態熔池冷卻時的溶解度也會快速下降，導致氫氣被大量稀出，加速焊接熔池的凝固速度，所以，氫氣會被留在焊接縫中，最終形成氣孔。同時，鋁合金中含有的Mg 等元素會加大鋁合金表面對氫氣的吸附能力，而且也會加大液態鋁中氫氣的溶解度，從而增加氫氣孔的發生率，焊接所形成的氫氣孔大多數為球形，而且內壁非常光滑[6]。

2.3 304 不銹鋼

雖然奧氏體不銹鋼的焊接性能比較好，但是在焊接過程中，如果不做好預防工作，則會引發多種焊接性問題，最常見的是液化裂紋和凝固裂紋，產生這兩種問題的主要原因受到填充材料和母材材料中的成分和雜質含量的影響，尤其是磷和硫的含量。與此同時，奧氏體不銹鋼在焊接過程中可能也會出現固態裂紋問題，比如銅污染裂紋、失延裂紋和再熱裂紋等。

雖然奧氏體不銹鋼具有比較強的耐腐蝕性能，但是也很容易在熱影響區的晶粒邊界受到局部腐蝕的影響，因為在焊接縫中很有可能含有鐵素體，從而引發溫脆化，同時在對大型構狀或厚板進行焊接后，熱處理時也容易發生溫脆化的情況。

綜上所述，因為液化石油氣和液化天然氣均需要在低溫的條件下運輸，而且在運輸過程中也很容易導致液體發生晃動，所以必須要提高耐低溫材料的焊接性能，只有這樣才能夠滿足液化天然氣和液化石油氣的運輸研究。