國產(chǎn)低溫鋼在VLGC上的工程應(yīng)用

柏高楊， 秦建康

(1.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240；2.江南造船(集團)有限責任公司，上海 201913)

0 引 言

除大型液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)船外，液化氣船分為全壓式、半冷半壓式和全冷式等3種，其中：以全冷式設(shè)計和建造的技術(shù)難度最大。較典型的是全冷式超大型液化氣船(Very Large Gas Carrier，VLGC)，其技術(shù)長期被日韓等國少數(shù)幾家大船廠壟斷。無論是從世界市場需求還是從能源結(jié)構(gòu)變化加以預測，VLGC均為一種較有發(fā)展前途的高附加值船舶[1]。江南造船(集團)有限責任公司從1997年開始研發(fā)VLGC，2012年獲得實船訂單，經(jīng)過十多年的技術(shù)累積，打破國外船廠的技術(shù)壟斷，成為少數(shù)幾家可獨立自主完成VLGC研制的船廠之一，填補中國造船界在該領(lǐng)域的空白[2]。

該公司批量建造的VLGC液艙及次屏蔽結(jié)構(gòu)所用低溫鋼(英國勞氏船級社(LR)牌號：LT-FH32)均為日本JFE公司生產(chǎn)的碳錳低溫鋼，采用熱機械控制工藝(Thermo Mechanical Control Process，TMCP)軋制，滿足-60 ℃低溫沖擊要求，單船低溫鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量約10 000 t。隨著船廠建造和新接該型船數(shù)量的不斷增加，在僅有日本JFE公司供應(yīng)所需要鋼材的情況下，后續(xù)新接訂單在采購成本和供貨周期方面均難以掌控，給該公司帶來不利影響。

國內(nèi)大型鋼廠陸續(xù)開發(fā)該級別的低溫碳錳鋼，并取得各船級社認可。該公司對國產(chǎn)低溫鋼試板進行復驗、工藝摸底試驗，評估其是否滿足實船應(yīng)用要求，并總結(jié)焊接過程質(zhì)量控制方法。這些工作為選用國產(chǎn)低溫鋼在VLGC上的工程應(yīng)用提供質(zhì)量 保證。

國產(chǎn)低溫鋼須滿足如下要求：

(1)母材性能：VLGC液艙的設(shè)計溫度為-52 ℃，因此國產(chǎn)低溫鋼須滿足-60 ℃低溫沖擊要求。通過-100～-60 ℃多組沖擊試驗，掌握其韌脆轉(zhuǎn)變溫度(Ductile-Brittle Transition Temperature，DBTT)，以判斷其滿足-52 ℃設(shè)計溫度的裕量。應(yīng)對其化學成分(質(zhì)量分數(shù))展開詳細分析，重點關(guān)注Ni元素的質(zhì)量分數(shù)，以初步預估其性能穩(wěn)定性。

(2)冷加工、水火加工、焊接性能：VLGC液艙角隅轉(zhuǎn)圓板零件存在冷壓加工成型的情況，應(yīng)在冷壓成型后檢測其母材性能是否仍滿足船級社規(guī)范及產(chǎn)品設(shè)計要求；現(xiàn)場生產(chǎn)存在曲型零件水火加工成型、現(xiàn)場結(jié)構(gòu)變形火工矯正的情況，應(yīng)在火工工藝試驗后檢測其母材性能是否仍滿足船級社規(guī)范及產(chǎn)品設(shè)計要求；現(xiàn)場生產(chǎn)存在手工電弧焊、CO2氣體保護焊、埋弧焊等焊接方式，應(yīng)按現(xiàn)行的焊接工藝要求進行試驗，評判其焊接性[3]。

1 母材復驗

在國產(chǎn)低溫鋼板到廠后，進行母材復驗，對母材的化學成分(質(zhì)量分數(shù))和力學性能進行檢驗，結(jié)合LR規(guī)范要求評判。試板板厚分別為10 mm、14 mm、28 mm、34 mm。試板規(guī)格為300 mm×200 mm，200 mm為軋制方向，取樣部位應(yīng)在鋼板未標注爐批號一端，所取試板均應(yīng)刻上原爐批號、規(guī)格和軋制方向，按圖1取樣部位每張鋼板取2塊試板。

圖1 鋼板復驗取樣部位

1.1 母材化學成分(質(zhì)量分數(shù))

試板化學成分(質(zhì)量分數(shù))復驗結(jié)果如表1所示。低溫鋼試板化學成分(質(zhì)量分數(shù))符合LR規(guī)范要求。

表1 母材化學成分(質(zhì)量分數(shù))

1.2 母材力學性能

試板力學性能復驗結(jié)果如表2所示。低溫鋼試板的強度和延伸率等力學性能滿足規(guī)范要求，屈強比在0.85以下。

表2 母材力學性能

不同溫度下的母材夏比V型沖擊功如表3所示。低溫鋼試板的低溫沖擊韌性均滿足規(guī)范要求。通過對試板在不同溫度(-100～-60 ℃)下的低溫沖擊檢測，掌握其DBTT基本在-85～-80 ℃。鋼廠在該鋼種研發(fā)時進行的落錘試驗結(jié)果[4]與復驗試驗結(jié)果基本吻合。VLGC液艙的設(shè)計溫度為-52 ℃，國產(chǎn)低溫鋼可滿足規(guī)范要求，并保證液貨運營過程中的安全性。

表3 不同溫度下的母材夏比V型沖擊功

2 冷加工性能測試

考慮VLGC液艙及次屏蔽結(jié)構(gòu)存在冷加工成型的情況，為檢驗國產(chǎn)低溫鋼冷加工性能(特別是低溫沖擊性能)是否滿足規(guī)范要求，按VLGC液艙角隅處轉(zhuǎn)圓板(加工曲率半徑為600 mm)要求，在冷壓成型后對3塊試板(見圖2)進行強度、延伸率和斷面收縮率等力學性能測試。冷加工試板橫向低溫(-60 ℃)沖擊性能如表4所示。

圖2 冷加工試板外觀

表4 冷加工試板力學性能

將冷加工力學性能測試結(jié)果與復驗結(jié)果進行比較可看出：國產(chǎn)低溫鋼在強度、延伸率、低溫沖擊等性能方面滿足規(guī)范要求，且與母材試驗結(jié)果一致，特別是低溫沖擊性能裕量較大，平均值為295 J，大幅超過標準要求，可滿足現(xiàn)場冷加工生產(chǎn)要求。

3 火工試驗

由于現(xiàn)場生產(chǎn)存在水火加工、矯形的情況，根據(jù)船廠施工實際情況，選用板厚為14 mm的試板加熱至900 ℃，空冷至550 ℃及以下水冷[5]。

3.1 火工試驗要求

火工試板在加工作業(yè)區(qū)用氧丙烷火焰加熱，采用線狀加熱(橫向擺動)方式沿試板軋制方向烘烤寬約50 mm的火工加熱帶，在水冷時應(yīng)注意入水溫度控制。在現(xiàn)場試驗時按實際生產(chǎn)中的要求進行操作，并用遠紅外測溫儀進行溫度測量。

3.2 火工試板力學性能

火工試板強度、延伸率、低溫沖擊等力學性能檢測結(jié)果如表5所示?；鸸ぴ嚢寮訜嶂?00 ℃、空冷至550 ℃及以下水冷，強度、延伸率、低溫沖擊等力學性能得到保證；按加熱至900 ℃、空冷至550 ℃水冷的要求循環(huán)3次操作，力學性能仍得到保證。

表5 火工試板力學性能

4 焊接工藝試驗

4.1 焊接工藝要求

為驗證國產(chǎn)低溫鋼試板是否滿足現(xiàn)場焊接生產(chǎn)需要，保證焊接接頭良好的焊接性能，采用船廠現(xiàn)行的焊接方法、焊接工藝要求、焊接材料進行焊接工藝試驗。焊接工藝試驗包含手工電弧焊、CO2半自動焊、埋弧焊，雙面焊、單面焊，半自動、全自動角焊，完全覆蓋現(xiàn)場生產(chǎn)。

4.2 焊接試板無損探傷

焊接試板焊縫表面成型良好，焊后按工藝要求進行滲透探傷(Penetrant Testing，PT)和射線探傷(Radiographic Testing，RT)，未發(fā)現(xiàn)氣孔、裂紋、未熔合等缺陷。探傷標準：PT采用JIS Z2343-2001標準；RT采用JIS Z3104-1995標準，2級合格。

4.3 焊接試板力學性能

對接焊試板力學性能如表6所示。對接焊試板接頭強度方面均滿足規(guī)范要求，且接頭均斷在母材部位，接頭強度比母材高；冷彎方面均滿足規(guī)范要求。

表6 對接焊試板力學性能

角接焊試板力學性能如表7所示。角焊縫折斷后斷口均無缺陷，說明母材與焊材的匹配良好，按工藝要求施焊可保證接頭的焊接質(zhì)量。

表7 角接焊試板力學性能

4.4 焊接試板金相硬度

焊接試板接頭(含對接和角接)按標準要求進行宏觀金相及硬度檢測，宏觀金相如圖3所示。焊接試板接頭的焊縫及熱影響區(qū)均未發(fā)現(xiàn)裂紋及未熔合等缺陷。對接頭的焊縫、熱影響區(qū)及母材部位進行硬度檢測(維氏硬度HV10標準)，硬度最高值為287，小于規(guī)范要求的350，說明母材與焊材匹配良好，按工藝要求施焊可保證接頭的焊接質(zhì)量，出現(xiàn)冷裂紋的概率較低。

圖3 焊接試板接頭宏觀金相照片示例

5 工程應(yīng)用

通過對國產(chǎn)低溫鋼進行母材復驗、冷加工測試、火工試驗及焊接工藝試驗，掌握其材料特性及焊接工藝適用性情況。在國產(chǎn)低溫鋼的公司首制船工程應(yīng)用中，根據(jù)船級社規(guī)范和國際散裝運輸液化氣體船舶構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則(IGC Code)，進一步優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，細化火工質(zhì)量控制方法，推動實船應(yīng)用質(zhì)量穩(wěn)定可控。該船液艙外板對接焊縫射線片數(shù)為31 915張，經(jīng)RT檢測，一次合格片數(shù)為31 408張，一次合格率為98.41%，優(yōu)于該船質(zhì)量保證大綱要求指標，焊接質(zhì)量穩(wěn)定可控。該船液艙對接縫焊接試板設(shè)置684塊，經(jīng)力學試驗，一次合格數(shù)為682塊，一次合格率為99.71%。

根據(jù)IGC Code，對A型和B型獨立液貨艙及半薄膜液貨艙的產(chǎn)品焊縫試驗應(yīng)包括如下試驗：(1)每50 m的焊縫進行彎曲試驗；(2)在提出要求時，進行1組3個夏比V型缺口的沖擊試驗[6]。液艙對接縫焊接試驗結(jié)果表明，國產(chǎn)低溫鋼的公司首制船液艙建造質(zhì)量穩(wěn)定可靠，滿足規(guī)范要求。

6 結(jié) 語

國產(chǎn)低溫鋼的公司首制船在交船后營運狀態(tài)良好，船體及液艙性能優(yōu)良，無任何材料和焊接問題。國產(chǎn)低溫鋼工程應(yīng)用的成功，打破日本鋼廠壟斷VLGC低溫鋼材料的局面，使中國船廠在與日韓等國船廠競爭VLGC訂單時具有更多的質(zhì)量、成本和建造周期優(yōu)勢，進一步鞏固中國船廠在VLGC細分領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。