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
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(shù)、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(jié)構(gòu)(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(jié)構(gòu)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(jié)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(zhuǎn)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
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(jié)構(gòu)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。
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(jié)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(jié)果見表5,其韌脆轉(zhuǎn)變曲線如圖3所示。
圖3 國產(chǎn)低溫鋼韌脆轉(zhuǎn)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(jié)果滿足LR規(guī)范要求,通過不同溫度下的沖擊結(jié)果及韌脆轉(zhuǎn)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。
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(jié)果見表8。
表8 對接焊試板力學性能
試驗結(jié)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(jié)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。
VLGC液艙及次屏蔽制造過程中部分零件、結(jié)構(gòu)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(jié)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)變后的組織、晶粒度粗大,影響沖擊性能。
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(jié)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(jié)構(gòu)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%。
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(jié)合試驗結(jié)果制訂焊接及冷熱加工工藝用于指導生產(chǎn),得出以下結(jié)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(jié)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(lǐng)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(shù)支撐,形成合作雙贏的局面。