No96型LNG船貨艙圍護系統殷瓦焊接檢驗研究

余勇華，管金玨，徐 驍，王慶豐

(1.江蘇新揚子造船有限公司，江蘇 靖江 214532；2.招商重工(江蘇)有限公司，江蘇 南通 226116；3.江蘇科技大學，江蘇 鎮江 212000)

0 引言

目前，LNG船舶運輸是實現LNG跨地區遠洋運輸的最有效方式，故世界范圍內投入使用的LNG船的數量正逐年增加。LNG船最重要的船體結構就是LNG液貨艙。多年以來，液貨艙研制了多種型制，如：球罐型(Moss、Esso)、薄膜型(GTT、CS、TECHNIGAZ)、自持式棱柱型(SPB)等，其中薄膜液貨艙型優勢愈來愈突出。薄膜型液貨艙船型根據施工方法與絕熱種類分為GTT No96型、CS-1和Mark Ⅲ型，其中：Mark Ⅲ型的液貨艙材料是由絕緣板及剛性絕緣材料組成，GTT No96型液貨艙是由絕緣材料組成的絕緣箱。GTT No96型和Mark Ⅲ 2種形式的薄膜型LNG貨物圍護系統幾乎占據了所有在建的LNG船的市場，但是GTT No96型在船體建造工藝和要求尤其是加工精度與焊接等方面要比Mark Ⅲ型要求更高。

No96型圍護系統的主要優點是主、次屏壁所采用的殷瓦鋼熱膨脹系數極低，比較容易實施自動焊接的方式；缺點是殷瓦鋼價格昂貴，焊接工藝要求嚴格、精度標準高并且其厚度較為薄。其中絕緣箱的制作與安裝、超薄殷瓦鋼的焊接與裝配、裝卸液貨用泵塔的制作與安裝又被譽為LNG船貨艙圍護系統的核心和難點。

本文對殷瓦特性及焊接相關操作進行分析，著重研究焊接檢測部分的目檢、滲透和宏觀金相等的控制，詳細記錄各個工序，結合規范可為LNG船貨艙圍護系統殷瓦焊接檢測工藝操作提供參考。

1 殷瓦的特性及焊接方法

1.1 殷瓦的特性

(1)殷瓦可在超低溫的條件下保持良好的工作性能、較好的延展性和可焊接性，且再加工后不易被腐蝕。

(2)殷瓦熱膨脹系數小，強度和硬度不高，導熱系數低，塑性、韌性、延伸率、斷面收縮率及沖擊韌性都很高。

(3)殷瓦不能熱處理強化，其特性與奧氏體不銹鋼類似，但比奧氏體不銹鋼更難加工。

(4)切削加工中所需切削力大、切削溫度高，必須采用高性能刀具。

(5)殷瓦十分薄，極限厚度為0.5 mm，因此在焊接過程中需要精確控制焊接流程及熟練的焊接技巧，避免產生氧化或焊穿等現象。

1.2 殷瓦的焊接方法

No96薄膜型LNG貨艙圍護系統內，殷瓦的焊接主要為手工焊和自動焊2種形式。手工焊采用手工氬弧焊(TIG焊)，自動焊有自動TIG焊和縫焊2種形式。

2 殷瓦焊接的檢驗

No96型LNG船貨艙圍護系統的焊接整體性檢驗包括目檢、滲透、宏觀金相、強度試驗、支撐試驗、氦氣試驗、全船試驗等，但針對殷瓦焊接接頭的檢測只有目檢、滲透和宏觀金相。

2.1 目檢

焊縫首先要進行外觀檢測，其縱向成形波紋密度需均勻且保持良好的直線度。焊縫表面應盡可能光順，從上方殷瓦板平順過渡至下方殷瓦板，背面不能有焊穿等缺陷。

2.2 滲透檢測

殷瓦試樣經目檢合格后，進行滲透檢測，以檢測表面是否有目檢不易檢測到的焊接缺陷。

2.3 宏觀金相

目檢和滲透檢測都合格的焊接試樣需要進行宏觀金相觀察，根據焊縫成形要求判斷焊接接頭是否合格。在實際生產中，為確保焊接質量，焊工通常需要焊接幾個試樣并進行宏觀金相檢測，合格后方可進行正式產品的焊接。

宏觀金相試樣制作完畢后必須進行電子顯微鏡拍照、微觀電子測量、標記尺寸等，最終形成宏觀金相照片。根據對接頭各部分測量的數值與標準要求數值進行比較，全部測量數值在標準要求范圍內方可認為焊接接頭合格。

2.4 金相試樣制作和觀察

2.4.1 金相試樣制備

(1)將需要進行宏觀金相檢測的焊接接頭切割成10～15 mm寬、20～25 mm長的試樣，確保整個接頭焊縫端面位于試樣中央，然后打磨兩側端頭毛刺，將打磨好的樣品放入樹脂試樣鑲嵌機進行鑲嵌，以增加試樣的體積便于樣品表面的拋光研磨。

鑲嵌完畢的試樣放在拋光機上進行研磨拋光，確保焊縫切面研磨光亮。同一個鑲嵌試塊內可鑲嵌多個試樣。

2.4.2 樣品酸蝕液的制定

試樣拋光研磨完畢后，需要對接頭拋光端面進行酸蝕，觀察接頭端面熔合線。本文試驗了2種酸蝕液，酸蝕液酸蝕端面速度越快，熔合線越明顯。

酸蝕配方①：50 ml的蒸餾水、50 ml 94%～95%溶度的工業酒精、50 ml的溶度最小為37%的鹽酸溶液、20克無水硫酸銅。

酸蝕配方②：50 ml的蒸餾水、50 ml 94%的高純度工業酒精、50 ml濃度為60%的硝酸。

經過對酸蝕試樣的觀察，酸蝕配方①的效果明顯優于酸蝕配方②，但酸蝕配方②的組成成分更容易取得。酸蝕液必須儲藏在深色避光密閉玻璃瓶中。配方中的成分比例取得約數值，如需更好的效果，需要對各成分的比例進行微調。

2.4.3 試樣酸蝕觀察

(1)酸蝕試樣前先用94%～95%蒸餾水溶液清洗，去除焊接樣品表面的油脂，然后用干凈的干棉花球擦拭去除表面水分，防止影響酸蝕液的效果。

(2)用棉花球蘸取酸蝕液，將酸蝕液均勻地涂抹在金相試樣接頭的斷面上，大約過5 min后進行觀察。如果一次沒有達到需要的酸蝕效果，就需要多做幾次。通常在20 ℃以下試驗效果會比較好。

(3)用蒸餾水沖洗試樣，干燥后將試樣放在15～100倍的電子顯微鏡下觀察焊縫的幾何特征。測量時需要將電子顯微鏡連接到屏幕和打印機上，根據成形畫面測量數據。

2.5 試樣幾何數據分析

對電子顯微鏡下的試樣焊縫進行幾何數據的測量后，將各部分的測量數值與標準給定的參數進行對比，以判斷焊接接頭的成形是否合格。

2.5.1 殷瓦搭接接頭數據測量

搭接接頭測量的數據主要有板厚

e

、

e

，上板處焊縫成形弧度半徑

R

，焊縫在下板上的熔深

P

，熔寬

L

，其示意圖見圖1。

圖1 搭接接頭數據測量示意圖

不同的搭接方式，根據上下板厚的不同，熔深

P

和熔寬

L

的標準要求不同，見表1。

表1 搭接接頭測量標準 單位：mm

本文以1.5 mm No.11試樣與0.7 mm No.13試樣的殷瓦搭接為例進行數據測量。

試驗焊縫接頭測量數據統計見表2。

2.5.2 殷瓦頂焊接頭數據測量

頂焊接頭測量的數據主要有外側板厚

e

、

e

，焊縫成形弧度半徑

R

，見圖2，測量標準見表3。

圖2 頂焊接頭數據測量示意圖

表2 1.5 mm與0.7 mm搭接接頭數據測量

表3 頂焊接頭測量標準 單位:mm

試驗焊縫接頭測量數據統計見表4。

3 結論

(1)檢測工藝的質量很大程度決定焊接質量的高低。為了使焊縫成形美觀、焊接接頭不發生焊接缺陷、焊接質量優良，就必須進行嚴格的檢測。

(2)結合相關規范的要求，本文通過電子顯微鏡對焊接接頭熔敷金屬成型、深度及半徑的檢測辦法，判斷試樣是否符合殷瓦焊接標準要求。

表4 1.5 mm與1.5 mm頂焊接頭數據測量