趙立剛，王鵬飛，張梓孝，高米光

江南造船有限責任公司 上海 201913

1 序言

我公司建造的8.4萬m3和8.6萬m3全冷式液化氣船（Very Large Gas Carrier，VLGC）是一種高技術、高附加值船舶，主要運輸丙烷、丁烷、乙烯等液化石油氣及液氨，如圖1所示。VLGC的設計、建造之前一直被日本、韓國少數(shù)船廠壟斷，我公司經(jīng)過多年努力，成功研發(fā)、設計、承接建造并順利交付近30條該類型船舶。

圖1 VLGC實船

VLGC包含4個Type-A獨立菱形液艙（設計溫度為-52℃）和次屏蔽兩部分低溫鋼結構（低溫鋼LR牌號：LT-FH32，滿足－60℃低溫沖擊要求），如圖2橫剖面示意。單船低溫鋼結構重量約1萬t，一直由日本JFE供貨，隨著我公司建造和新接VLGC數(shù)量的不斷增加，如果僅日本JFE一家鋼廠供應該碳錳低溫鋼，則后續(xù)新船訂單在采購成本和供貨周期均難以掌控。因此，我公司聯(lián)合國內(nèi)鋼廠共同開發(fā)研制，并結合LR船級社規(guī)范[1]和建造特點，對試制的首批國產(chǎn)碳錳低溫鋼進行材料檢測、焊接等生產(chǎn)工藝試驗研究，不僅檢測了國產(chǎn)低溫鋼化學成分、力學性能等基本特性，而且針對液艙－52℃的設計溫度要求，開展了母材韌脆轉變溫度和焊接接頭低溫韌性的系統(tǒng)測試。同時通過大量試驗掌握了國產(chǎn)低溫鋼的焊接及火工加工工藝要求，特別是其火工加熱和水冷溫度的控制范圍，有效地指導國產(chǎn)低溫鋼的實船生產(chǎn)應用。

圖2 VLGC中橫剖面

2 國產(chǎn)碳錳低溫鋼復驗與工藝試驗

為保證后續(xù)VLGC系列船液艙和次屏蔽在今后運營期間液貨運載的安全性，同時為液艙及次屏蔽建造提供合適的生產(chǎn)施工工藝，需對首次工程化應用的國產(chǎn)碳錳低溫鋼進行全面詳細的材料檢測和工藝試驗。根據(jù)結構設計和實際生產(chǎn)建造需求，選取板厚分別為10mm、14mm、28mm、34mm4種規(guī)格的低溫鋼樣板，進行母材成分和性能復驗、焊接工藝試驗和接頭性能檢測、火工試驗研究。

2.1 母材復驗

根據(jù)LR規(guī)范要求，LT-FH32碳錳低溫鋼的化學成分及力學性能標準要求見表1和表2，其供貨狀態(tài)為TMCP，室溫組織為鐵素體+珠光體。

表1 LT-FH32碳錳低溫鋼化學成分（質(zhì)量分數(shù)）（%）

表2 LT-FH32碳錳低溫鋼力學性能

對鋼廠提供的低溫鋼樣板（LT-FH32）進行化學成分和力學性能檢測，以了解其母材性能。

（1）化學成分 經(jīng)檢測，復驗樣板的C、Mn、Si、S、P、Ni等元素含量均滿足LR規(guī)范要求，見表3。

表3 LT-FH32碳錳低溫鋼化學成分

（2）力學性能 對樣板進行橫向力學性能檢測，結果均滿足LR規(guī)范要求，見表4。

表4 拉伸力學性能

對復驗樣板進行一組3個低溫沖擊，沖擊溫度從－60～－100℃，每5℃進行一組沖擊，以了解其耐低溫性能，結果見表5，其韌脆轉變曲線如圖3所示。

圖3 國產(chǎn)低溫鋼韌脆轉變曲線

表5 低溫沖擊力學性能

樣板－60℃低溫沖擊韌度復驗結果滿足LR規(guī)范要求，通過不同溫度下的沖擊結果及韌脆轉變曲線可以看出，該國產(chǎn)低溫鋼在－90～－95℃時，低溫沖擊韌度變得不穩(wěn)定，并明顯下降趨勢，但可遠遠滿足液艙-52℃的設計溫度要求，可保證交船后液貨運營過程中的安全性。

2.2 焊接工藝試驗

為驗證和評估國產(chǎn)低溫鋼對現(xiàn)場焊接生產(chǎn)的適應性，保證焊接接頭有良好的性能，采用公司現(xiàn)行的焊接方法、焊接材料、焊接工藝進行焊接試驗，主要包含焊條電弧焊、CO2氣體保護焊、埋弧焊。

（1）焊接工藝試驗項目及焊接材料 焊接工藝試驗項目見表6，焊接材料選用目前實船建造中所用的焊接材料型號、規(guī)格。焊條為φ3.2mm和φ4mm的S-7016.LS；CO2焊絲為φ1.2mm的Supercored 81-K2，襯墊為JN-401-3D；埋弧焊焊絲為φ4mm和φ4.8mm的A-3，焊劑為S-787TB。

表6 國產(chǎn)低溫鋼焊接工藝試驗項目

（2）焊接參數(shù) 試驗采用的焊接參數(shù)與現(xiàn)場工藝一致，見表7。

表7 焊接參數(shù)

國產(chǎn)低溫鋼板進行上述焊接工藝試驗時，焊接電弧穩(wěn)定，焊縫表面成形良好，試板外觀如圖4所示。

圖4 焊接試板外觀照

（3）無損檢測 焊接試板焊后進行PT、RT檢測，均檢測合格，未發(fā)現(xiàn)氣孔、裂紋、未熔合等缺陷。

（4）焊接接頭力學性能 焊接試板的接頭力學性能測試結果見表8。

表8 對接焊試板力學性能

試驗結果顯示：焊條電弧焊、CO2氣體保護焊、埋弧焊等對接焊試板接頭的強度、塑性、低溫沖擊韌度檢測結果均合格，滿足規(guī)范要求。

（5）金相檢測 焊接試板接頭（含對接和角接）按規(guī)范要求進行宏觀及微觀金相組織檢測，如圖5、圖6所示。

圖5 焊接試板接頭宏觀金相照片

圖6 焊接試板接頭微觀組織

宏觀金相照片顯示：焊縫及熱影響區(qū)均未發(fā)現(xiàn)裂紋及未熔合等缺陷；微觀組織顯示：焊縫及粗晶區(qū)主要金相組織為貝氏體+鐵素體，細晶區(qū)及臨近母材金相組織為鐵素體+珠光體。

2.3 火工工藝試驗

VLGC液艙及次屏蔽制造過程中部分零件、結構需水火加工、矯正變形，對國產(chǎn)低溫鋼板進行火工試驗，驗證火工后母材性能是否仍滿足規(guī)范要求。

（1）火工試驗項目及方法 根據(jù)公司火工工藝標準[2]，選用14mm厚的樣板進行火工工藝試驗，試驗項目見表9。

表9 國產(chǎn)低溫鋼樣板火工試驗項目

試驗方法：采用氧丙烷火焰對試板進行線狀加熱（適當橫向擺動），沿試板軋制方向烘烤出寬約50mm的火工加熱帶，水冷時注意入水溫度和水火槍的控制。試驗時采用遠紅外測溫儀進行加熱和水冷溫度測量。

（2）火工試驗過程 火工試驗時，預先在試板中央沿軋制方向標記出50mm加熱帶，由現(xiàn)場火工工人采用氧丙烷火焰（調(diào)至中性焰）進行加熱，加熱焰嘴2#達到900℃左右，然后空冷至室溫或空冷至550℃后澆水冷卻。澆水時嚴格注意水火槍的控制，避免水流流向前面尚未冷卻至550℃的加熱部位，加熱和水冷溫度的測定采用遠紅外測溫儀?；鸸ぴ囼灱霸嚢迩闆r如圖7所示。

圖7 火工試驗及試板外觀

（3）火工區(qū)域力學性能檢測 對火工試板50mm加熱帶取樣進行強度、伸長率、低溫韌性等力學性能檢測，結果見表10。

表10 火工試板力學性能

火工試驗加熱帶母材的強度、伸長率、低溫韌性等性能均符合規(guī)范要求，表明國產(chǎn)碳錳低溫鋼可滿足現(xiàn)場火工加熱至900℃空冷或550℃以下水冷的火工工藝要求。

（4）金相檢測 對火工區(qū)域進行微觀金相組織檢測，其微觀組織仍為鐵素體+珠光體，相較原始母材，組織變的粗大，珠光體量相對減少，如圖8所示。

圖8 火工區(qū)域微觀組織比較

火工加熱區(qū)域的金相組織說明，國產(chǎn)碳錳低溫鋼在火工加熱至900℃左右轉變?yōu)閵W氏體，在空冷或冷卻至550℃左右水冷的情況下，仍可保證轉變后的室溫組織為鐵素體+珠光體，使火工區(qū)域的鋼板強度、低溫沖擊韌度等力學性能得到保證。但同時加熱的溫度也不宜過高，高溫停留時間不宜過長，以防止轉變后的組織、晶粒度粗大，影響沖擊性能。

3 實船應用

在對國產(chǎn)碳錳低溫鋼進行材料復驗及焊接、冷熱加工工藝試驗的基礎上，經(jīng)與LR驗船師溝通，完成了國產(chǎn)低溫鋼的焊接工藝評定試驗。此外，結合生產(chǎn)需求，編制國產(chǎn)低溫鋼焊接工藝和國產(chǎn)低溫鋼火工工藝，用以指導實船建造生產(chǎn)。公司首條采用國產(chǎn)低溫鋼建造的8.4萬m3VLGC，4個液艙及次屏蔽結構的焊接生產(chǎn)進展順利，RT拍片19459張，一次合格19224張，一次合格率98.79%；MT抽查332m，一次合格率100%。

4 結束語

圍繞國產(chǎn)碳錳低溫鋼在VLGC產(chǎn)品的工程化應用開展的材料復驗、工藝試驗研究，并結合試驗結果制訂焊接及冷熱加工工藝用于指導生產(chǎn)，得出以下結論。

1）與鋼廠聯(lián)合研制的國產(chǎn)碳錳低溫鋼化學成分、力學性能符合船級社規(guī)范要求。

2）國產(chǎn)碳錳低溫鋼焊接、冷熱加工工藝試驗結果表明，國產(chǎn)低溫鋼可滿足我公司VLGC系列船現(xiàn)場生產(chǎn)的各種建造要求。

3）國產(chǎn)碳錳低溫鋼的實船應用，可為船廠單船節(jié)約采購成本475萬元，供貨周期由進口的90天縮短為45天。

4）國產(chǎn)低溫鋼的實船應用，填補了國產(chǎn)碳錳低溫鋼在VLGC建造領域的空白，為船廠降本增效的同時，也為國內(nèi)鋼廠拓展海外市場提供技術支撐，形成合作雙贏的局面。