MARK III型LNG薄膜艙波紋板焊接研究

趙建宇，李志林，張海峰

(揚州中遠海運重工有限公司，江蘇 揚州 225200)

0 引言

MARK III型薄膜艙主要由主屏壁、次屏壁和絕熱層構成。主屏壁材質為304L不銹鋼波紋板，次屏壁材質為3層復合材料薄膜，絕熱層材質則是加強聚氨酯泡沫。主屏壁波紋板可以承受晃蕩載荷，近年來廣泛用于LNG燃料艙。304L不銹鋼波紋板的焊接結果決定了MARK III薄膜型圍護系統主屏壁的完整性，是LNG船圍護系統建造成功與否的關鍵。因此對MARK III型波紋板的焊接技術進行研究十分重要。

主屏壁波紋板通過各個零件搭接來實現密封，搭接采用氬弧焊。MARK III主要的技術難點在于波紋區域的焊接與檢驗。因不銹鋼薄膜很難采用超聲波等無損探傷方式來檢測其內部的焊接質量，因此需要在焊接過程中嚴加控制以達到良好的焊接效果。本文通過對波紋板的設計、材料、性能的研究，得出波紋板的焊接方式。

1 不銹鋼波紋板的特點

MARK III圍護系統薄膜由AISI 304L低溫不銹鋼制造，經過沖壓加工成縱橫交叉、2種大小波紋的褶皺板，波紋大小正交的波紋約按340 mm間距排列。通過縱橫2個方向的變形來消除不銹鋼板內的應力，實現以下4個方面均為零應力的概念設計。

(1)LNG低溫液艙引起的應力及熱脹冷縮造成的應力。

(2)抵消船體在運營過程中的變形連帶不銹鋼板出現的變形應力。

(3)長期的低應力甚至零應力狀態，保證了主屏壁不銹鋼板的疲勞壽命。

(4)波紋板內部幾乎無應力的狀態，更容易保證波紋板在液貨艙各個位置的焊接質量。

主屏壁波紋板是預制加工件，可分為平面波紋板件和角區波紋板件2類，其中角區波紋板件包括角區連接件、轉角連接件、端部密封件。每張板波紋成型后預留搭接邊緣，便于薄膜安裝時搭接使用。每張薄膜根據自身所處的位置來決定邊緣加工情況。

2 波紋板的安裝

為保證波紋板各個位置的良好配合，應首先進行劃線。劃線主要考慮的因素及處理方式如下：

(1)為消除建造誤差，應從艙室中間向四周劃線，邊緣區域波紋板加放余量。

(2)為保證各個艙壁的波紋連續，應劃定基準軸線。基準軸線的直線度偏差<1 mm/m，2個平面的軸線錯位<2 mm。

(3)為保證每個面波紋及搭接的正確性，應對每個波紋板的位置勘劃限定線。限定線偏差應該<3 mm，使波紋板一一對應。

波紋板的零件有“壓肩”處理以實現更好的搭接質量，因此在設計階段就需確定安裝工序，然后根據安裝工序進行零件的預制。對于現場作業部門來說，薄膜的安裝一定要嚴格按照圖紙的安裝順序和劃線位置進行，否則將出現搭接錯誤的情況。過程中必須嚴格控制精度，保證波紋板的位置與搭接的長度匹配，特別是波紋板頂部和底部，需特別注意波紋的連續性。

3 焊接準備

3.1 表面保護及清潔

主屏壁波紋板表面有一層薄薄的聚氯乙烯膠帶，保護其在運輸途中及液貨艙安裝過程中不受外力損傷。波紋板搬運過程中易被汗水、焊渣等污染，所以需要戴好手套。如被污染應及時用丙酮擦拭。特別注意的是，波紋板的儲存和施工現場不允許碳鋼的存在，嚴禁兩者混放在一起，以免波紋板受到污染后被腐蝕。直至波紋板安裝前，才能將背面全部和正面部分的保護膜撕除，并清除波紋板邊沿正反面至少60 mm區域內的污物。

3.2 焊接設備

MARK III型液貨艙圍護系統主屏壁不銹鋼波紋板焊接主要采用鎢極氬弧焊法。由于鎢極氬弧焊能有效隔絕外界空氣，焊縫質量容易保證，在很小電流區域內電弧穩定性好，可以進行全位置焊接，因此搭接焊接可采用低脈沖自動鎢極氬弧焊；角區部位的焊接，因形狀復雜，仍需使用手工鎢極氬弧焊。

焊接之前，需要做好以下準備工作：

(1)用于MARK III主屏壁波紋板的所有焊接設備都應處于良好的工作狀態。

(2)通過一系列的測量來確定波紋板的安裝位置和固定是否正確，以及確認接地連接是否牢固。

(3)所有的接地都需要連接在同一個系統中，禁止直接焊接在波紋板上。

3.3 定位焊

定位焊是在不使用填充金屬的情況下，通過簡單的熔接將波紋板固定的點焊。定位焊后應保證搭接位置，特別是波紋位置的間隙達到連續焊接的要求。因此，首先從波紋板頂部開始進行大間距點焊，然后進行波紋根部的點焊，最后進行平坦位置的點焊。定位焊間距為平坦部位50 mm、波紋部位15～20 mm，其焊接順序和位置見圖1。如果大間隙點焊后出現部分位置搭接處間隙超過0.3 mm，可以通過密集點焊方式使點焊間隙小于0.3 mm，保證后續自動焊接，必要時可以采用10 mm的點焊間距。

1～12—焊接點。圖1 點焊的順序和位置

4 波紋板的焊接

4.1 波紋板與錨固條的焊接

1.2 mm的波紋板和20 mm的錨固條采用間斷焊接的方式，長度20 mm，間距40 mm。

實際焊接時，必須要避開鉚釘的位置；錨固條焊接自動焊、手工焊都可以采用，但在間斷焊接之前一定要完成定位點焊以保證焊接質量。

4.2 波紋板與兩面體角型不銹鋼的焊接

由于板厚有很大差別，所以1.2 mm的波紋板焊接到8 mm角區不銹鋼上時應有足夠的熔深以避免焊縫過平。實際焊接時，當焊接從轉角過渡到與波紋板搭接的地方，需改變焊接電流以保證焊接的質量，但同時要保證焊接的連續性。

4.3 不銹鋼波紋板焊接方式

所有焊接都采用搭接焊的焊接方式時，焊前需刷除焊接區域的氧化物。手工焊接時應注意焊接的連續性，焊接不可在波紋頂部及根部間斷，下次焊接前應將上次焊接的部分熔化后再進行，以確保焊接質量。手工焊焊接順序見圖2。焊后產生的有害殘留物需要去除，焊縫均需拋光處理。

1～6—順序號。圖2 手工焊焊接順序

4.4 焊接參數

焊接參數見表1。需注意的是，在現場施工時，從錨固條移動至波紋板焊接時，焊接不可間斷，但焊接參數需相應逐步調整。

表1 手工焊焊接參數

4.5 焊接變形控制

焊接變形控制方法為：首先進行定位焊保證波紋板的位置；然后通過密集點焊的方法將波紋板固定，限制焊接時因熱應力引起的間隙超差及焊接變形，保證裝配尺寸滿足公差要求；在焊接過程中采用合理的焊接順序減少焊接應力，控制焊接變形。

也可在焊接前安裝特制夾具工裝，通過夾具固定法的強制手段來減小焊后變形。當波紋板面積較大、焊縫較長時，可采用壓緊法，分別放2塊壓緊工裝在焊縫兩側來減小焊接變形，如同時使用銅板壓緊并輔助散熱，效果更佳。焊接時待焊件間隙應在保證焊縫尺寸的情況下越小越好，切割的熔渣與剪切毛刺清除干凈。

4.6 完工檢驗

完工檢驗主要的檢測方式有目視檢測、滲透檢驗、金相試驗和完工的密性試驗。

4.6.1 焊縫檢驗

(1)應對焊接區域及其以外的波紋板區域進行檢查，特別是底板、斜底板處應仔細檢查是否有材料或工具。墜落可能破壞不銹鋼波紋板的情況。

(2)所有的焊縫都要目檢，檢驗焊縫是否圓滑過渡到母材，是否有裂紋、凹坑、氣孔、電弧打傷和表面不平整等缺陷。平直部分焊縫的背面氧化長度每340 mm中不允許超過10 mm；波峰部分焊縫的背面氧化長度每個波中不允許超過20 mm。

(3)進行滲透檢驗時，任何焊縫或者區域均不允許裂紋的存在。

(4)通過金相試驗確定焊縫的質量：對焊縫橫截面進行拋光、打磨和酸洗后用至少放大10倍的鏡頭來檢驗表面，并放大至少50倍拍攝金相照片。

4.6.2 主層密性試驗

主屏壁焊接完成后，應采用下述2個密性試驗檢驗焊接質量。密性試驗前，應對所有的焊縫進行目視檢查，保證無明顯缺陷。

(1)氨氣試驗：將氨氣和氮氣的混合氣體通過提前預制好的開孔注入主層空間，然后將顯像劑噴涂在焊縫上。如焊縫質量不達標，有泄漏點，顯像劑會變色。

(2)主屏壁壓力試驗：將主、次層空間壓力抽到約為-0.08 MPa，測試24 h內壓力的變化。

5 結論

(1)MARK III型LNG薄膜艙圍護系統不銹鋼波紋板焊接技術是整個MARK III技術的重點，焊接的質量決定了整個圍護系統的完整性。采用先定位焊再連續焊的方式，能夠有效保證焊接質量。連續焊接時，先焊接波紋區域再焊接平直區域可以有效控制焊接變形。

(2)在實際施工過程中，需注意焊接環境及焊接參數的控制，這將直接影響最終的焊接質量。

(3)目前焊接工藝實踐不多，仍需要在施工中不斷實踐總結，創新施工工藝，完善出一套完整的MARK III型薄膜艙波紋板的焊接技術。