林 坤, 邵志杰, 黃 燕, 李志遠(yuǎn), 王先孔

(滬東中華造船(集團(tuán))有限公司， 上海 200129)

化學(xué)品船的建造變形分析與控制

林 坤, 邵志杰, 黃 燕, 李志遠(yuǎn), 王先孔

(滬東中華造船(集團(tuán))有限公司， 上海 200129)

雙相不銹鋼是一類集優(yōu)良的耐腐蝕、高強(qiáng)度等諸多優(yōu)點(diǎn)于一身的材料，越來越成為化學(xué)品船的內(nèi)殼材料首選，本文主要對(duì)變形趨勢(shì)進(jìn)行分析，并結(jié)合典型產(chǎn)品介紹其典型應(yīng)對(duì)控制措施。

雙相不銹鋼 變形控制

1 引言

雙相不銹鋼是一類集耐腐蝕、高強(qiáng)度優(yōu)點(diǎn)于一體的鋼種。其物理性能介于奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼之間，但更接近鐵素體不銹鋼和碳鋼。其耐腐蝕能力明顯大于300系列奧氏體不銹鋼，而強(qiáng)度較奧氏體而言也表現(xiàn)更為優(yōu)異，特別適合工程使用。圖1為2205雙相不銹鋼材料與普通不銹鋼材料對(duì)比。

圖1 2205雙相不銹鋼材料與普通不銹鋼材料對(duì)比

我公司新承接的化學(xué)品船，貨艙內(nèi)膽設(shè)計(jì)全部采用2205雙相不銹鋼材料，涉及雙層底內(nèi)底板、縱、橫隔艙壁、舷側(cè)內(nèi)殼板、貨艙反頂甲板等位置，單船材料使用量達(dá)到2 500 t。雙相不銹鋼的建造質(zhì)量將直接影響整個(gè)產(chǎn)品的建造，其中，變形的預(yù)測(cè)與控制措施十分重要。表1為2205雙相不銹鋼元素分布表。

表1 2205雙相不銹鋼元素分布表

2 變形預(yù)測(cè)重要性分析

一般認(rèn)為，雙相不銹鋼的鐵素體與奧氏體比例為30%～70%時(shí)，可以獲得良好的性能。如圖2所示，在溫度升高時(shí)，部分鐵素體(α)與奧氏體(γ)會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，相體平衡之間也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生有害金屬間相，從而影響整個(gè)雙相不銹鋼的性能。因此，雙相不銹鋼產(chǎn)品一般不建議采用火工矯正的方式，而采用冷加工矯正方式。

雙相不銹鋼材料的主要力學(xué)性能如表2所示，其屈服強(qiáng)度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)奧氏體不銹鋼的2倍多，在產(chǎn)品上可以減小壁厚。然而由于強(qiáng)度大，塑性變形需要更大的外力，因此，一旦產(chǎn)生變形，需要更大的外力來矯正。

圖2 Fe-Cr-Ni三元截面相圖

表2 2205不銹鋼的力學(xué)性能

同時(shí)，由于材料硬度大，與碳鋼、奧氏體不銹鋼相比，余量的切割、打磨則會(huì)變得十分困難。粗略統(tǒng)計(jì)，處理同樣長(zhǎng)度的余量板縫，雙相不銹鋼材料花費(fèi)人工與碳鋼相比在4倍以上。

綜合以上三點(diǎn)，分析雙相不銹鋼材料的變形趨勢(shì)，從而采取措施進(jìn)行前期干預(yù)和預(yù)防十分重要。

3 變形理論分析與計(jì)算

3.1 焊接變形預(yù)測(cè)基本方法

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)焊接變形的研究至今已有半個(gè)多世紀(jì)的歷史，關(guān)于焊接變形預(yù)測(cè)方法也取得了不少研究成果。這些方法歸納起來可分為三類：經(jīng)驗(yàn)(試驗(yàn))法，解析法和數(shù)值模擬法。

經(jīng)驗(yàn)(試驗(yàn))法是通過實(shí)驗(yàn)建立經(jīng)驗(yàn)公式和數(shù)據(jù)曲線，用經(jīng)驗(yàn)公式和數(shù)據(jù)曲線來估計(jì)焊縫的收縮量及角變形量。這些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)是在一定條件下的試驗(yàn)或生產(chǎn)實(shí)際中得到的，一般被限制在特定的變形模式上，具有一定的局限性。

解析法(彈性理論方法)是基于經(jīng)典彈性理論的研究，忽略熱彈-塑性的研究方法。該方法是建立在平截面假定和其它一些假定基礎(chǔ)之上，推出焊接加熱條件與變形間的關(guān)系。該法只能適用于一些簡(jiǎn)單的焊接構(gòu)件，如簡(jiǎn)單梁板的焊接收縮變形和角變形。

焊接數(shù)值模擬法自上世紀(jì)70年代提出以來，得到迅猛發(fā)展。其中，熱彈塑性有限元法和固有應(yīng)變有限元法是常用的數(shù)值模擬方法。其理論上通過對(duì)復(fù)雜或不可觀察的焊接現(xiàn)象進(jìn)行模擬以及對(duì)極端情況下尚不知的規(guī)則的預(yù)測(cè)，以助于認(rèn)清焊接現(xiàn)象的本質(zhì)，弄清焊接過程的規(guī)律，從而優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)。

3.2 本產(chǎn)品分析方法的選擇

焊接數(shù)值模擬法，作為目前前沿的焊接變形預(yù)測(cè)方法，大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在輸入合理的實(shí)驗(yàn)參數(shù)和邊界條件，并結(jié)合典型材料、典型接頭和不同的焊接工藝方法下的焊接變形數(shù)據(jù)庫(kù)，可以獲得與實(shí)測(cè)結(jié)果相比較為精確的計(jì)算數(shù)據(jù)。然而，該方法存在計(jì)算量龐大，邊界條件精確選取難度大，材料高溫性能參數(shù)數(shù)據(jù)不足等各種問題。

在新產(chǎn)品的策劃過程中，單純應(yīng)用焊接數(shù)值模擬法進(jìn)行預(yù)測(cè)變形從周期上、成本上都不能滿足生產(chǎn)的需要。因此，在本船變形分析中，最終采用了經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)與固有應(yīng)變法中典型接頭變形數(shù)據(jù)相結(jié)合的分析方法。

3.3 變形數(shù)據(jù)分析

從表3及表4中我們可以發(fā)現(xiàn)，與碳鋼相比，2205雙相不銹鋼熱膨脹系數(shù)基本一致，但導(dǎo)熱率較碳鋼小很多，焊接過程中的熱量不易傳導(dǎo)散發(fā)，焊接輸入熱量比較容易產(chǎn)生局部變形，在收縮方面，理論上應(yīng)與碳鋼基本一致。

表3 熱膨脹系數(shù)

(來源：生產(chǎn)商數(shù)據(jù))

表4 導(dǎo)熱率

(來源：生產(chǎn)商數(shù)據(jù))

(1) 拼板收縮。

根據(jù)產(chǎn)品板厚及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了橫向四拼板的試驗(yàn)方案(見圖3)，拼板間隙與產(chǎn)品一致，控制在1 mm以內(nèi)，對(duì)焊接前后的縱向(L1，L2)、橫向(W1，W2)以及對(duì)角(D1，D2)尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表5所示。

圖3 拼板試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D

試件階段L1L2W1W2D1D21收縮量0067772收縮量0287773收縮量2367874收縮量1167765收縮量006756平均收縮值0.61.26.476.86.6

試驗(yàn)結(jié)果顯示，內(nèi)底板不銹鋼拼板焊接沿長(zhǎng)度方向基本無收縮，寬度方向收縮量在6～7 mm左右，考慮到裝配間隙，單根焊縫寬度方向收縮約為1.8 mm，與碳鋼基本一致，這也印證了前述收縮方面雙相不銹鋼應(yīng)與碳鋼基本一致的理論分析。

(2) 拼板平整度變形。

化學(xué)品船由于洗艙要求，為防止洗艙積液，對(duì)平整度要求很高，根據(jù)IACS.NO.47規(guī)范以及現(xiàn)場(chǎng)船東要求，本船單位面積的平整度要控制在5 mm之內(nèi)。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)中含有多個(gè)十字接頭、丁字接頭，同時(shí)對(duì)板厚存在變化的復(fù)雜拼板的平整度變化情況進(jìn)行試驗(yàn)。

如圖4所示，試驗(yàn)拼板由9張板組成，焊接方式為埋弧自動(dòng)焊。該實(shí)驗(yàn)包括十字接頭2處，T型接頭4處。試驗(yàn)板材包括10 mm厚度板7張，14 mm厚度板2張。

圖4 拼板試驗(yàn)圖

試驗(yàn)先進(jìn)行2、3、4、5、6、7板材的拼板，完成2處十字接頭焊縫。拼接好的板再和1、8、9板材進(jìn)行拼接。考慮到焊接起弧端的變形較小，我們對(duì)焊接順序進(jìn)行了策劃，如圖5所示。

圖5 焊接順序圖

試驗(yàn)在每塊拼板(含翻身前后)焊接結(jié)束待焊縫處溫度降低到室溫之后，對(duì)產(chǎn)生的平整度變化全過程進(jìn)行了記錄，數(shù)據(jù)采集點(diǎn)及最終數(shù)據(jù)如圖6、表6所示。

表6 平整度測(cè)量數(shù)據(jù)

續(xù)表6 平整度測(cè)量數(shù)據(jù)

圖6 平整度測(cè)量采集點(diǎn)

同時(shí)，我們對(duì)焊縫T型接頭處進(jìn)行了拍片探傷，共拍片19張，有3張不合格。分析原因如下：① 焊接過程中出現(xiàn)了定位焊的開裂，應(yīng)力較大產(chǎn)生了裂紋。② 由于精度原因進(jìn)行了打底焊接，打磨處理時(shí)沒有完全清除內(nèi)部的夾渣。

通過試驗(yàn)，總結(jié)得出以下結(jié)論：① 雙相不銹鋼拼板平整度變形較碳鋼要大。② 冷卻時(shí)間基本在2 h左右，壓鐵可以在焊接結(jié)束2 h吊離。③ 熄弧端的焊接變形比起弧端的變形要大，變形的大小和焊縫的長(zhǎng)度成正比。④ 采用適當(dāng)?shù)暮附禹樞蚰軌蛟谝欢ǔ潭壬陷^少焊接變形。⑤ 通過探傷拍片發(fā)現(xiàn)，拼板的T型和十字型接頭數(shù)量越多，焊接缺陷的發(fā)生率越高。

根據(jù)以上結(jié)論及數(shù)據(jù)，我們對(duì)具體產(chǎn)品上的拼板工藝、焊接順序進(jìn)行了策劃。力求通過合理的工藝步驟源頭上減少平整度變形。

(3) 構(gòu)架收縮。

構(gòu)架的收縮比較復(fù)雜，與板厚，板架形式、裝配順序、建造方法等都有一定的關(guān)系，考慮到在收縮趨勢(shì)上雙相不銹鋼材料理論上與碳鋼基本一致，在分析策劃時(shí)主要參考傳統(tǒng)的碳鋼收縮趨勢(shì)，即按照每檔收縮0.2～0.3 mm計(jì)算。

3.4 典型分段余量分析與數(shù)據(jù)加放

以縱隔艙為例，該分段由兩道縱隔艙壁，三只平臺(tái)以及內(nèi)部構(gòu)件組成。分段形式如圖7所示。

圖7 縱隔艙分段示意圖

(1) 拼板順序。

根據(jù)拼板平整度變形試驗(yàn)得出的結(jié)論，熄弧端的焊接變形比起弧端的變形要大，變形的大小和焊縫的長(zhǎng)度成正比，為了保證小拼板完成后與大拼板的裝配性，制定了縱艙壁板拼板順序圖，如圖8所示。

(2) 余量/系統(tǒng)補(bǔ)償量加放。

① 船長(zhǎng)方向。

拼板收縮：三根拼板縫，總體收縮1.8×3=5.4 mm。

構(gòu)架收縮：縱艙壁每600 mm一道垂直扶墻材或肋板，分段長(zhǎng)19.8 m，每檔按0.3 mm收縮計(jì)算，總體收縮值為0.3×20=6 mm。

來料公差：按照鋼廠來料±2 mm公差范圍，考慮極小板情況，累計(jì)誤差為2×4=8 mm。

圖8 縱艙壁板拼板順序圖

船長(zhǎng)方向出現(xiàn)極端偏小誤差為19.4 mm。分段一端正作，一端加放20 mm系統(tǒng)補(bǔ)償值。

② 船深方向。

拼板收縮：五根拼板縫，總體收縮1.8×5=9 mm。

構(gòu)架收縮：平臺(tái)、球扁鋼產(chǎn)生收縮量，每檔按0.3 mm收縮計(jì)算，總體收縮值為3.9 mm。

來料累計(jì)公差：10 mm。

總組熔透坡口間隙：縱艙壁與內(nèi)底板、甲板之間為熔透焊，需加放熔透焊間隙各5 mm。

船長(zhǎng)方向出現(xiàn)極端偏小誤差為22.9 mm，除去10 mm的熔透焊間隙，綜合考慮總組方式，分段上端正作，下端加放10 mm系統(tǒng)補(bǔ)償值。

③ 內(nèi)部構(gòu)架。

肋板無熔透要求，在上下端面分別加放+5 mm系統(tǒng)補(bǔ)償值，用來控制坡口間隙。

平臺(tái)兩端正作，不加放補(bǔ)償值。

4 其它建造控制措施

4.1 分段劃分

全船雙相不銹鋼按照結(jié)構(gòu)特點(diǎn)劃分為雙層底、舷側(cè)、甲板、縱橫隔艙等分段，長(zhǎng)度、寬度等分段主尺度基本一致，使得相似分段的變形趨勢(shì)相對(duì)一致，易于后續(xù)對(duì)接、搭載。

4.2 建造法

雙相不銹鋼分段大量采用片段化建造，片段安排在專門場(chǎng)地專用胎架上建造，建造方式考慮盡可能減少翻身，作PS劃分的分段要求同胎制造，進(jìn)一步確保變形可控。

4.3 余量加放

在前述變形趨勢(shì)分析基礎(chǔ)上，同步考慮來料的公差產(chǎn)生的累積誤差，原則上保證出現(xiàn)極端負(fù)公差累積誤差不影響分段完工主尺度。

4.4 制定準(zhǔn)用的加強(qiáng)工裝

對(duì)槽形壁分段、甲板分段以及片段等未形成框架式結(jié)構(gòu)的物件，差別化地制定運(yùn)輸、翻身、吊裝過程中的加強(qiáng)措施和加強(qiáng)專用工裝，減小過程中產(chǎn)生塑型變形。

4.5 嚴(yán)格工藝紀(jì)律

針對(duì)不同分段類型制定了作業(yè)指導(dǎo)書并張貼在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)制作工藝流程，焊接電流、電壓操作注意事項(xiàng)等規(guī)定明確，確保工藝有效執(zhí)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

焊接過程不均勻地加熱和冷卻使得焊縫及其附近金屬產(chǎn)生非均勻的膨脹和收縮，從而產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力和各類焊接變形，復(fù)雜船體結(jié)構(gòu)的焊接變形本身就是多種多樣基本變形的組合，精確預(yù)測(cè)焊接變形是一個(gè)很困難的問題。

在面對(duì)雙相不銹鋼這一接觸較少的新材料時(shí)，通過理論分析，梳理出其變形趨勢(shì)與我們相對(duì)熟悉的碳鋼材料變形趨勢(shì)之間的關(guān)系，并通過一定的試驗(yàn)佐證，分析出主要節(jié)點(diǎn)的變形趨勢(shì)，制定出適合的制作工藝指導(dǎo)生產(chǎn)。同時(shí)結(jié)合管理措施，確保工藝執(zhí)行，對(duì)確保雙相不銹鋼化學(xué)品船的順利建造具有非常重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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Deformation Analysis & Control Method in Chemical Tanker Construction

LIN Kun, SHAO Zhi-jie, HUANG Yan， LI Zhi-yuan, WANG Xian-kong

(Hudong Zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China)

Duplex stainless steel becomes more and more popular for the chemical tankers′ inner shell for it enjoys supreme corrosion resistance and structure strength.Deformation trend of duplex stainless steel is analyzed here.And deformation control method is introduced basing on typical products.

Duplex stainless steel Deformation control

林 坤(1983-)，男，工程師。

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