(上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司，上海 200125)

隨著耙吸挖泥船逐步向大型化、高效化發(fā)展，其船體結(jié)構(gòu)上配置的輸泥管材質(zhì)選擇成為耙吸挖泥船的重要研究課題。尤其在挖掘土質(zhì)多樣化的情況下，疏浚輸泥管的磨損情況愈加嚴(yán)重。選擇耐磨性好，性價(jià)比高、適應(yīng)性強(qiáng)的耐磨材料可使得船舶在施工中提高作業(yè)效率，有效降低檢修費(fèi)用。

1 國(guó)內(nèi)挖泥船耐磨材料的應(yīng)用

1.1 疏浚管系的磨損情況

耙吸挖泥船作為河道清淤，航道疏浚的工程船舶，在施工過(guò)程中通過(guò)泥泵的作用，將泥土、碎石從水底經(jīng)由船上配置的吸排泥管輸送到指定地點(diǎn)，如直接裝艙或吹岸作業(yè)。在管道輸送過(guò)程中，因?yàn)閷?shí)際挖掘土質(zhì)多樣化，疏浚吸排泥管的磨損情況非常嚴(yán)重，通常表現(xiàn)為管內(nèi)壁腐蝕與沖刷、應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂、材質(zhì)裂化、疲勞裂紋等。磨損現(xiàn)象是挖泥船作業(yè)必須面對(duì)的問(wèn)題，在一定程度上也影響了疏浚船隊(duì)的施工效率，管道的嚴(yán)重磨損，不僅降低了疏浚作業(yè)的安全性，也增加了管路更換和維修的費(fèi)用，造成整船的停工，形成較大的經(jīng)濟(jì)損失。

通常認(rèn)為管道的腐蝕與管道的材質(zhì)、腐蝕介質(zhì)的特性及其濃度，以及管道內(nèi)介質(zhì)的流速和流態(tài)等因素有關(guān)。在耙吸挖泥船作業(yè)的過(guò)程中，主要的輸送介質(zhì)是各類泥沙，碎石和水，其不同的固體顆粒含量、濃度、速度及壓力對(duì)吸排泥管系產(chǎn)生的磨損程度不同，磨損機(jī)理復(fù)雜。但不管介質(zhì)組成如何，管路自身材質(zhì)的耐磨性對(duì)降低磨耗損失，提高船舶作業(yè)可靠性起著至關(guān)重要的作用[1]。

1.2 挖泥船上耐磨材料的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)疏浚行業(yè)采用的耐磨材料一般有： 普通低碳鋼板、低合金鋼、耐磨復(fù)合內(nèi)襯、特殊熱處理鋼、夾套高鉻鑄管及雙金屬鑄造復(fù)合管。

前兩種材料雖然價(jià)格便宜，但耐磨性能較差，尤其普通低碳鋼管，耐磨及耐蝕性差，使用壽命短，除了在早期的挖泥船輸泥直管中采用過(guò)外，目前已基本不再使用。

耐磨復(fù)合內(nèi)襯材料主要指以耐磨陶瓷作為防磨內(nèi)襯。陶瓷屬于高耐磨材料，但在管線輸送泥漿的壓力之下，陶瓷內(nèi)襯難以與外部基層鋼管發(fā)生同步的彈性變形，造成內(nèi)襯材料極易破裂剝落的現(xiàn)象。同時(shí)陶瓷材料的成本高，也在一定程度上限制了其在吸排泥管中的使用。

特殊熱處理鋼是指經(jīng)過(guò)特殊熱處理技術(shù)提高鋼板的硬度，使得耐磨性顯著提高，具有良好的冷彎性和可焊性的鋼板。近年來(lái)，該類鋼板發(fā)展較快，其主要品牌有瑞典HARDOX系列、德國(guó)XAR系列、德國(guó)DILLIDUR系列、法國(guó)CREUSABRO 4000、日本NK-EH系列，比較常用的是HB400左右的鋼板，既有一定的強(qiáng)度又有比較好的加工性。在國(guó)內(nèi)疏浚行業(yè)中，HARDOX400已有成功運(yùn)用，如在挖泥船的部分受力構(gòu)件，如錐形泥門結(jié)構(gòu)面板、泥門導(dǎo)軌、裝載箱入口等處。

夾套高鉻鑄管是一種復(fù)合管，以高鉻鑄造管為內(nèi)層，外層為加套普通鋼外板，在管與管之間的空隙處填充特殊的水泥砂漿。外層碳鋼管可根據(jù)鑄件的形狀特點(diǎn)采用焊接或螺栓連接，主要用于制作一些彎管或三通、四通管，但其重量較重。

雙金屬鑄造復(fù)合管是采用離心鑄造技術(shù)將兩種材料(基板和耐磨層)鑄造成整體。通常外層基板為普通的碳鋼，內(nèi)部耐磨層則采用高鉻鑄鐵。其生產(chǎn)成本較低，但在澆注過(guò)程中不易控制尺寸，厚度誤差較大，同夾套高鉻鑄管，其單重較重。

以上材料因各種原因或局限，未能充分滿足疏浚行業(yè)對(duì)吸排泥管系應(yīng)有耐磨性好、單重輕、易制作的要求，雖然目前在國(guó)內(nèi)的挖泥船上有著各種不同的選用，但相關(guān)管路的耐磨性并不理想，船舶檢修頻率高[2]。

2 耐磨復(fù)合板的發(fā)展及應(yīng)用

2.1 耐磨復(fù)合板的發(fā)展

耐磨復(fù)合鋼板是采用復(fù)合制造技術(shù)將高耐磨的合金層材料溶敷在基板上的耐磨復(fù)合材料。耐磨復(fù)合板的制造，從最初的手動(dòng)堆焊發(fā)展到現(xiàn)在的合金粉末溶合，其耐磨性越來(lái)越好。耐磨復(fù)合板以其高耐磨性、抗沖擊、易于加工以及高的性能價(jià)格比優(yōu)勢(shì)，在節(jié)能、節(jié)材、保護(hù)環(huán)境方面展示出了巨大的效益。20世紀(jì)60年代許多工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家就開(kāi)始研究耐磨堆焊材料并逐步開(kāi)發(fā)出了各類耐磨復(fù)合板材。決定耐磨復(fù)合板性能的耐磨合金一般由碳化鉻組成。碳化鉻屬于高鉻合金體系，除了具有極強(qiáng)的耐磨性外，還具有相當(dāng)?shù)哪透g和耐高溫性能。據(jù)此產(chǎn)生的各類高鉻耐磨復(fù)合板是按照高碳高鉻要求來(lái)配比合金含量的耐磨板材，其合金層含碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)5%～6%，含鉻量在30%以上，耐磨性是高鉻鑄鐵的1～2倍，熱處理耐磨鋼板的4～7倍，高錳鋼的5～10倍，熱軋鋼的15～25倍。

近幾年來(lái)，耐磨復(fù)合板主要應(yīng)用在冶金、煤炭、建材、化工、發(fā)電等工業(yè)設(shè)備中，在大面積磨損的工況下，使用效果明顯優(yōu)于其它耐磨材料。隨著我國(guó)疏浚產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，疏浚作業(yè)面臨的工況環(huán)境日益復(fù)雜，疏浚土質(zhì)多樣化，對(duì)疏浚設(shè)備的耐磨性和使用壽命提出了更高的要求。疏浚業(yè)亟需高耐磨性的復(fù)合板。

目前市面上的高鉻耐磨復(fù)合板有多種不同的產(chǎn)品，國(guó)外的代表品牌有澳大利亞合金鋼公司的Arco1600，美國(guó)SAS公司的信鉻鋼SA1750CR，英國(guó)的WA等，由于有一套完善的生產(chǎn)工藝及嚴(yán)格規(guī)范的質(zhì)量控制體系，國(guó)外品牌產(chǎn)品與國(guó)內(nèi)的耐磨復(fù)合板比較，其成型好，變形小，抗拉強(qiáng)度高，抗沖擊性好，耐磨層碳化鉻硬質(zhì)相微觀硬度高且大顆粒數(shù)量多，分布均勻，宏觀硬度達(dá)58～62 HRC，耐磨性好。

2.2 應(yīng)用實(shí)例

2010年，上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司承建了一艘萬(wàn)m3級(jí)的耙吸船“新?；?”輪，該船的設(shè)計(jì)挖泥工況為可挖淤泥、粘土、細(xì)粉砂、中細(xì)砂、粗砂、碎石和卵石。通常在挖泥作業(yè)時(shí)，固體顆粒、腐蝕性液體及氣體組成的多相流中，沖蝕、腐蝕和空蝕作用相互促進(jìn)，導(dǎo)致挖泥船的輸排泥管磨損非常嚴(yán)重，據(jù)資料顯示，在國(guó)內(nèi)某挖泥船的施工過(guò)程中，普通輸排泥管在輸送泥夾沙時(shí)的磨損情況是每輸送100萬(wàn)m3泥沙，管壁磨掉1 mm，造成檢修頻率增加，維護(hù)成本高。因此在本船的疏浚吸排泥管系的制造過(guò)程中，船東、設(shè)計(jì)方、船廠充分比較各種耐磨材料，以耐磨、抗蝕性好、制作簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕為出發(fā)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)分析論證，最終選用信鉻鋼作為本船輸泥管路的主要耐磨材料。

信鉻鋼(SA1750CR耐磨板)是一種高碳高鉻耐磨復(fù)合板，其含碳量4.0%～5.0%，含鉻量：30%～40%。碳化鉻硬質(zhì)相微觀硬度最高達(dá)HV1750且數(shù)量多，抗腐蝕性強(qiáng)[3]。采用獨(dú)特的合金粉末制造工藝，保證了穩(wěn)定的化學(xué)成分，從而保證了復(fù)合板的耐磨性，同時(shí)解決了傳統(tǒng)堆焊稀釋率大，基板機(jī)械性能受損、易斷裂、耐磨層整塊剝落等問(wèn)題，且有硬度高、平整性好、耐沖擊、單重輕等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)冶金結(jié)合，抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)345 MPa，適合中等沖擊場(chǎng)合。特別是其耐磨性是傳統(tǒng)熱處理鋼的12倍，錳鋼板的15倍，熱軋板Q235的30倍左右，使用壽命相應(yīng)延長(zhǎng)。其價(jià)格在本船建造期間大約是高鉻鑄鐵的1.5倍，雙金屬?gòu)?fù)合管的2倍，特殊熱處理鋼的3倍，錳鋼板的5倍，故性價(jià)比較高。

信鉻鋼從橫截面上可分為基板層、滲透線(過(guò)渡層)以及耐磨層，見(jiàn)圖1。

圖1 SA1750CR耐磨復(fù)合板橫截面

在冶金過(guò)程中，耐磨層會(huì)出現(xiàn)許多應(yīng)力自然釋放的發(fā)絲狀裂縫，這些應(yīng)力縫始于耐磨層，止于基板層，且分布均勻，利于板材卷彎。但也正是由于這些應(yīng)力縫，無(wú)法測(cè)試其機(jī)械性能，同時(shí)限制了其用于受力結(jié)構(gòu)件。

利用信鉻鋼高耐磨、耐腐蝕、抗沖擊、單重輕的優(yōu)點(diǎn)，最終本船對(duì)于不易施工維修拆換的泥艙段中泥泵吸入管系的所有直管采用信鉻鋼(SA1750CR耐磨板)；同時(shí)，為降低整船重量重心以及后期的航運(yùn)施工成本，在甲板上的泥泵排出管系中的所有直管也采用了信鉻鋼。信鉻鋼板厚采用12.5+12.5 mm，根據(jù)吸排泥效率計(jì)算，全船泥管在三角艙的最小直徑DN700，而信鉻鋼在此板厚條件下，最小內(nèi)彎直徑為500 mm，在此條件下內(nèi)彎耐磨層不容易剝落，滿足吸排泥管卷圓加工要求，信鉻鋼的卷圓及成型見(jiàn)圖2、3。

圖2 SA1750CR耐磨復(fù)合板卷圓

圖3 SA1750CR耐磨復(fù)合板制作的吸排泥管

在制造過(guò)程中，船廠要求供貨商按照要求提供相應(yīng)厚度及尺寸的板材，使得板材利用率大大提高，從而降低制造成本。而三通、彎管等管件，因?yàn)樵煨蛷?fù)雜，耐磨復(fù)合板不易成型，故選用耐磨性好的夾套高鉻鑄管。對(duì)于磨損性不大的低濃度排放管，則從成本方面考慮采用Q345鋼板進(jìn)行卷制。全船輸泥管路的材質(zhì)選用見(jiàn)表1。

表1 全船輸泥管路材質(zhì)選用

船東在使用過(guò)程中，信鉻鋼(SA1750CR耐磨復(fù)合板)制造的泥管因耐磨性好，使用壽命延長(zhǎng)了，從而將節(jié)約巨大的停產(chǎn)進(jìn)塢維修費(fèi)用、往返費(fèi)用及更換材料費(fèi)用，有效保證工程施工進(jìn)度。

2.3 耐磨復(fù)合板在疏浚行業(yè)的發(fā)展前景

我國(guó)疏浚施工能力持續(xù)提高，疏浚設(shè)備制造和研發(fā)能力不斷進(jìn)步，關(guān)鍵的疏浚裝備不斷實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。在此基礎(chǔ)上，以高耐磨性為特征的耐磨復(fù)合板成為疏浚裝備發(fā)展的重要研究材料。在國(guó)內(nèi)，耐磨復(fù)合板雖然在各大行業(yè)已有較為廣泛的應(yīng)用，但對(duì)于疏浚領(lǐng)域，其尚處于起步階段。同時(shí)由于復(fù)合板缺少船級(jí)社的論證，盡管理論上能滿足設(shè)計(jì)的機(jī)械強(qiáng)度，但仍限制了其在挖泥船結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用。

對(duì)于挖泥船而言，輸泥管路、泥泵襯板、耙頭等裝備對(duì)耐磨性要求較高，耐磨復(fù)合板的高耐磨性和可加工性非常適宜在此類磨損部件上使用。而且隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)耐磨復(fù)合板的深入研究，復(fù)合制造技術(shù)不斷進(jìn)步，檢測(cè)手段不斷提高，鋼廠的生產(chǎn)工藝及質(zhì)量控制體系愈發(fā)完善成熟，相關(guān)板材生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)、鋼板特性將逐步形成系列化，標(biāo)準(zhǔn)化，最終得到各方檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的認(rèn)可。耐磨復(fù)合板必將在疏浚挖泥船上得到更廣泛的應(yīng)用[4-5]。

3 結(jié)束語(yǔ)

施工作業(yè)的磨損環(huán)境無(wú)法避免，惟有設(shè)法降低磨耗，減少磨損帶來(lái)的時(shí)間、經(jīng)濟(jì)損失。“新?；?”船的疏浚輸排泥管路采用新型的耐磨復(fù)合板卷制(信鉻鋼，SA1750CR耐磨復(fù)合板)，經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，得到了成功運(yùn)用。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，一定會(huì)有更多的新技術(shù)、新材料、新工藝運(yùn)用到疏浚挖泥船上，有效地提升我國(guó)的疏浚裝備制造能力。

[1] 林海波.疏浚系統(tǒng)耐磨材料的應(yīng)用研究[J].船舶與海洋工程,2012(4):60-63.

[2] 王 進(jìn).挖泥船吸排泥管耐磨管材的選用[J].港口科技,2012(5):39-41.

[3] 謝昌林.信鉻鋼耐磨復(fù)合板在疏浚領(lǐng)域內(nèi)的使用情況[C]∥第十九屆世界疏浚大會(huì)論文集,北京,2010:430-433.

[4] 唐琳琳.高鉻耐磨復(fù)合板的性能特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域[J].露天采礦技術(shù),2011(2):82-83.

[5] 張立國(guó).耐磨復(fù)合板及其使用技術(shù)問(wèn)題[J].水泥工程,2012(3):50-53.