趙孔標(biāo) 朱小鋒 李利娜

（1、江蘇航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)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(chuàng)航海機(jī)械有限公司，江蘇 南通216002）

隨著我國(guó)對(duì)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(gè)能源工業(yè)中的地位也越來(lái)越高。對(duì)于液化天然氣來(lái)說(shuō)，其主要構(gòu)成成分為甲烷，該氣體不僅無(wú)毒、無(wú)色、無(wú)味，而且也無(wú)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(gòu)成。在這兩種能源的使用過(guò)程中，為了可以進(jìn)一步提高能源的使用效率，確保兩種能源可以長(zhǎng)距離運(yùn)輸，均需要在加壓或低溫的條件下對(duì)將石油氣和天然氣進(jìn)行液化，然后再進(jìn)行運(yùn)輸和儲(chǔ)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(shí)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(yùn)輸過(guò)程中不會(huì)被氣化，液艙內(nèi)的溫度必須要遠(yuǎn)低于液態(tài)貨物的液化溫度，在這種情況下也就提高了對(duì)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(shù)＜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(nèi)，其所發(fā)生的變化依然比較小。因?yàn)橐笸咪摼哂械牡团蛎浱匦?，即使在低溫的條件下，依然不會(huì)發(fā)生冷脆的情況，所以該材料具有非常優(yōu)異的耐低溫性能，可以應(yīng)用于電子工業(yè)和精密測(cè)量裝置中[1]，該材料的具體化學(xué)成分和物理性能見(jiàn)表1 和表2。

表2 殷瓦鋼物理性能表

有相關(guān)的研究學(xué)者針對(duì)殷瓦鋼、304 不銹鋼和5083 鋁合金進(jìn)行了低溫拉伸實(shí)驗(yàn)，對(duì)三種材料的溫度和應(yīng)變速率進(jìn)行了定量研究，分析三種不同材料力學(xué)性能的影響規(guī)律，可知，在不同溫度條件下，殷瓦鋼具有的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、應(yīng)變速率和斷裂延伸率對(duì)殷瓦鋼塑形影響的具體結(jié)果。

1.2 5083 鋁合金

鋁合金是一種高強(qiáng)度、低密度、耐腐性、無(wú)磁性、可焊接且無(wú)低溫脆性的材料，而且鋁合金在我國(guó)的工業(yè)領(lǐng)域中具有著非常廣泛的應(yīng)用，比如在船舶建造行業(yè)中，鋁合金的應(yīng)用已經(jīng)具有近百年的歷史[2]，現(xiàn)如今，由于結(jié)構(gòu)輕量化要求的不斷提升，鋁合金作為船舶建造行業(yè)中主要應(yīng)用的材料之一，其價(jià)值無(wú)可替代。

在船舶建造行業(yè)中應(yīng)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(xué)成分見(jiàn)表3、物理性能見(jiàn)表4。

表3 5083 鋁合金化學(xué)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(qiáng)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?yàn)?083 鋁合金不存在低溫冷脆等問(wèn)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(xué)性能，因此，5083 鋁合金可以應(yīng)用到小型液化天然氣船的儲(chǔ)罐、三體船等快速船以及船舶的上層建筑中[3]。

有相關(guān)的研究人員對(duì)5083 鋁合金的應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行研究，在試驗(yàn)中，溫度范圍在110～393k 中，經(jīng)試驗(yàn)結(jié)果表明，在不同分溫度條件下，5083 鋁合金的抗拉強(qiáng)度、屈服度、斷裂延伸率以及應(yīng)變速率對(duì)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(xué)穩(wěn)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(yīng)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(qiáng)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(huì)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(diǎn)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(xué)成分和物理性能見(jiàn)表5 和表6。

表5 304 不銹鋼化學(xué)成分表

表6 304 不銹鋼物理性能表

有相關(guān)的研究人員通過(guò)試驗(yàn)對(duì)304 不銹鋼材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行測(cè)量和研究，試驗(yàn)選擇的溫度范圍在110～393K 之間，實(shí)驗(yàn)結(jié)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(qiáng)度和應(yīng)變速率對(duì)其塑性所產(chǎn)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(duì)于殷瓦鋼來(lái)說(shuō)，該材料在進(jìn)行焊接時(shí)，最常見(jiàn)的溫度就是熱裂紋問(wèn)題，現(xiàn)階段，一般采用鎢極氬弧焊的方法對(duì)殷瓦鋼進(jìn)行焊接，從而解決熱裂紋這一問(wèn)題，但是這種焊接方法在使用過(guò)程中，對(duì)操作者工作能力的要求也比較高，而且也很容易出現(xiàn)焊接變形的情況。在液化天然氣船液艙屏蔽層一旦出現(xiàn)開(kāi)裂的問(wèn)題,很有可能會(huì)導(dǎo)致液化天然氣泄漏，輕度會(huì)導(dǎo)致外部船體結(jié)構(gòu)冷脆，重度則很有可能會(huì)引發(fā)火災(zāi)，嚴(yán)重的情況下，甚至是爆炸，因此在進(jìn)行殷瓦鋼焊接時(shí)，必須要保證100%無(wú)漏點(diǎn)，而這就需要徹底解決焊接熱裂紋問(wèn)題。在解決熱裂紋問(wèn)題時(shí)，可以從兩個(gè)方面入手，一方面是降低焊接應(yīng)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(duì)于5083 鋁合金來(lái)說(shuō)，該材料在進(jìn)行焊接時(shí)，主要面臨的問(wèn)題包括三種，分別為焊接變形、接頭軟化和氣孔。因?yàn)?083 鋁合金的膨脹系數(shù)為23.4*10-5K-1，遠(yuǎn)低于低碳鋼，所以，在對(duì)該材料進(jìn)行焊接時(shí)，可能會(huì)面臨比較嚴(yán)重的變形問(wèn)題，尤其是對(duì)薄板進(jìn)行焊接時(shí)，非常容易出現(xiàn)焊接裂紋這一問(wèn)題。

因?yàn)?083 鋁合金是一種AL-Mg 合金，其中Mg 元素會(huì)影響到合金的強(qiáng)度，雖然Mg 和AL 的熔點(diǎn)比較接近，但是Mg 的沸點(diǎn)在1107 攝氏度，而Al 的沸點(diǎn)為2327 攝氏度，所以，焊接時(shí)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(qiáng)度，也容易導(dǎo)致接頭被軟化。

除此之外，氣孔也是鋁合金焊接過(guò)程中非常容易出現(xiàn)的問(wèn)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?yàn)槿芙庠谝簯B(tài)熔池冷卻時(shí)的溶解度也會(huì)快速下降，導(dǎo)致氫氣被大量稀出，加速焊接熔池的凝固速度，所以，氫氣會(huì)被留在焊接縫中，最終形成氣孔。同時(shí)，鋁合金中含有的Mg 等元素會(huì)加大鋁合金表面對(duì)氫氣的吸附能力，而且也會(huì)加大液態(tài)鋁中氫氣的溶解度，從而增加氫氣孔的發(fā)生率，焊接所形成的氫氣孔大多數(shù)為球形，而且內(nèi)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(guò)程中，如果不做好預(yù)防工作，則會(huì)引發(fā)多種焊接性問(wèn)題，最常見(jiàn)的是液化裂紋和凝固裂紋，產(chǎn)生這兩種問(wèn)題的主要原因受到填充材料和母材材料中的成分和雜質(zhì)含量的影響，尤其是磷和硫的含量。與此同時(shí)，奧氏體不銹鋼在焊接過(guò)程中可能也會(huì)出現(xiàn)固態(tài)裂紋問(wèn)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(qiáng)的耐腐蝕性能，但是也很容易在熱影響區(qū)的晶粒邊界受到局部腐蝕的影響，因?yàn)樵诤附涌p中很有可能含有鐵素體，從而引發(fā)溫脆化，同時(shí)在對(duì)大型構(gòu)狀或厚板進(jìn)行焊接后，熱處理時(shí)也容易發(fā)生溫脆化的情況。

綜上所述，因?yàn)橐夯蜌夂鸵夯烊粴饩枰诘蜏氐臈l件下運(yùn)輸，而且在運(yùn)輸過(guò)程中也很容易導(dǎo)致液體發(fā)生晃動(dòng)，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(yùn)輸研究。