散貨船海水冷卻系統(tǒng)中的銅-鎳合金管焊接及生產(chǎn)工藝研究

趙軼磊，陳倩清

(1. 浙江正和造船有限公司，浙江 舟山 316000；2. 浙江國際海運職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 舟山 316021)

散貨船海水冷卻系統(tǒng)中的銅-鎳合金管焊接及生產(chǎn)工藝研究

趙軼磊1，陳倩清2

(1. 浙江正和造船有限公司，浙江 舟山 316000；2. 浙江國際海運職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 舟山 316021)

對散貨船海水冷卻系統(tǒng)中使用的原材料——銅-鎳合金管(B10)進行物理性能、化學(xué)性能及焊接性分析，結(jié)合焊接工藝試驗制定出焊接及生產(chǎn)工藝，以滿足散貨船建造中海水冷卻系統(tǒng)的施工要求。

海水冷卻系統(tǒng)；銅鎳合金管；焊接工藝

在船舶與海洋工程上均安裝有各種各樣的設(shè)備，包括主機、發(fā)電機、空調(diào)機、空壓機等，所有的設(shè)備在運行時均會發(fā)熱，并同時需要進行冷卻，以保證設(shè)備正常運行。海水冷卻系統(tǒng)就是利用海水作為冷卻介質(zhì)進行熱交換，以保證所有設(shè)備在正常、穩(wěn)定的工況下工作。值得注意的是海水有很強的腐蝕性，如果使海水直接接觸設(shè)備或是機械部件則易造成腐蝕，導(dǎo)致零部件失效。因此，現(xiàn)代船舶設(shè)計往往采用中央集中冷卻系統(tǒng)，即利用板式冷卻器使海水與高溫淡水進行熱交換，再利用淡水冷卻所有發(fā)熱設(shè)備。通常海水冷卻系統(tǒng)壓力要比淡水冷卻系統(tǒng)要低，是為保證在冷卻器受損的情況下，海水不會流進淡水管路中，防止設(shè)備受腐蝕。銅-鎳合金管(B10)具有優(yōu)異的性能，是用來制作海水冷卻系統(tǒng)管路的優(yōu)良材料。浙江正和造船有限公司首次建造的37 300 t散貨船的海水冷卻系統(tǒng)也采用了這種材料。作為新材料的首次使用，需對其焊接性能進行研究，并進行試驗以證明焊接接頭的可靠性。文中針對于銅-鎳合金管(B10)的物理性能、化學(xué)性能、焊接性能進行分析，并進行焊接工藝試驗，研究該材料焊接工藝以及施工注意要點。

1 合金的物理、化學(xué)性能及焊接性

1.1 銅-鎳合金的牌號、成分及性能

銅及銅合金分為工業(yè)純銅、黃銅、青銅及白銅等。銅-鎳合金即為白銅，是含鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于50%的Cu-Ni合金，如白銅中加入Mn、Fe、Zn等元素可形成錳白銅、鐵白銅、鋅白銅。在船舶與海洋工程中經(jīng)常使用的銅-鎳合金包括B10(含鎳10%)與B30(含鎳30%)。銅-鎳合金B(yǎng)10的化學(xué)成分與力學(xué)性能見表1和表2。

表1 銅-鎳合金管化學(xué)成分

表2 銅-鎳合金管力學(xué)性能

1.2 銅-鎳合金的物理性能

銅-鎳合金可形成完全無限固溶體，具有單一的α相，因此具有良好的塑性，易于冷、熱加工。

銅-鎳合金的熔點是1 149 ℃，導(dǎo)熱率為30.93 W·m-1·K-1，與鋼材相似，與純銅導(dǎo)熱率393.6 W·m-1·K-1相比僅純銅導(dǎo)熱率的8%，因此不必像焊接純銅一樣進行高溫、大功率焊前預(yù)熱。

銅-鎳合金的線膨脹系數(shù)介于鋼與黃銅之間，與奧氏體不銹鋼相近。因此在焊接過程中應(yīng)盡可能選擇能量密度集中的焊接方法，以及適當(dāng)?shù)墓に嚧胧?，減少焊縫殘余應(yīng)力，控制焊接變形。

1.3 銅-鎳合金的化學(xué)性能

銅-鎳合金具有良好的耐海水腐蝕性能，主要原因是：①銅的熱力學(xué)穩(wěn)定性高，銅離子化困難；②材料表面在海水中能形成氧化亞銅保護膜，腐蝕產(chǎn)物沉積在基體上，并對基體產(chǎn)生了保護作用。B10銅-鎳合金管經(jīng)過海水浸泡后，形成富鎳富鐵的表面膜，其耐腐蝕性可接近B30銅-鎳管[1]。因此，在散貨船海水冷卻管系選用B10銅-鎳管可大大節(jié)約成本，以及寶貴的鎳資源。

1.4 銅-鎳合金的焊接性能

1.4.1 焊接熱裂紋問題

由于銅與雜質(zhì)形成多種低熔點共晶，如熔點為326℃的(Cu+Pb)共晶、熔點為1 064℃的(Cu2O+Cu)共晶以及熔點為1 067℃的(Cu+Cu2S)共晶等，因此易導(dǎo)致熱裂紋的產(chǎn)生。應(yīng)嚴(yán)格限制母材及焊絲中S、P等雜質(zhì)元素的含量，同時焊前磨去母材坡口氧化膜、用丙酮清洗焊絲及母材表面的油污。

1.4.2 焊接變形

由于銅-鎳合金線膨脹系數(shù)及收縮率偏大，為減少變形及焊縫殘余應(yīng)力，同時保證單面焊雙面成型，因此宜采用鎢極氬弧焊，采用窄焊道、不宜留過大的焊縫間隙。對于直徑偏大的管子應(yīng)采取對稱焊工藝。

1.4.3 氣孔

銅焊接時極易出現(xiàn)氣孔，主要是氫氣孔和水蒸氣氣孔。氫氣孔產(chǎn)生的主要原因是由于氫在銅中的溶解度在液態(tài)轉(zhuǎn)在固態(tài)時有急劇變化，在熔池的快速冷卻的作用下，氫來不及逸出形成氣孔[2]。水蒸氣氣孔產(chǎn)生主要原因是由于在高溫時銅與氧有很大的親和力而生成氧化亞銅，它在1 200℃時析出，隨溫度下降，其析出量也隨之增大，與溶解在液態(tài)銅中的氫發(fā)生下列反應(yīng)

Cu2O+2H=2Cu+H2O↑

所形成的水蒸氣不溶于銅，在熔池的快速冷卻的作用下，水蒸氣來不及逸出形成氣孔。因此在焊接時應(yīng)該控制氫的來源，保護氣體應(yīng)選用純度為99.9%的氬氣，應(yīng)減緩熔池的冷卻速度，增長氣體逸出的時間。由于銅-鎳合金冷卻速度相對于銅慢，氣孔敏感性與純銅相比有很大的改善，有較充足的時間使氣孔逸出，這對于減少氫氣孔十分有利。同時，焊前應(yīng)去除母材坡口表面的氧化膜，以減少氧元素的來源，可以起到減少水蒸氣氣孔及熱裂紋的傾向。

1.4.4 接頭性能下降

由于銅-鎳合金無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，在液相轉(zhuǎn)變?yōu)棣料鄷r易生成大量的柱狀晶，導(dǎo)致接頭塑性、韌性下降。宜采用適當(dāng)?shù)墓に嚪椒ㄟM行減少柱狀晶、細(xì)化晶粒。因此，對于壁厚偏厚的管子需采用多層多道工藝，減少單層、單道熔敷金屬厚度，以改善接頭力學(xué)性能。

銅合金的耐蝕性能是依靠其合金元素而獲得的，但是采用熔化焊方法必然會有合金元素氧化燒損，耐蝕性能會下降。因此，在選擇填充材料時應(yīng)當(dāng)考慮補充合金元素，即選擇含鎳量更高的焊絲。

2 焊接工藝及接頭形式

2.1 焊接工藝

由于考慮銅-鎳合金的焊接性、管子焊接需采用單面焊雙面成形工藝、同時考慮車間生產(chǎn)實際情況、以及海水冷卻管路總量并不多。最適宜焊接方法確定為TIG焊。

焊接設(shè)備選用逆變300 A焊接電源，保護氣體為99.9%氬氣，鎢極選用WC20鈰鎢極。

在選用焊絲時應(yīng)考慮焊接接頭的耐腐蝕性，選擇含鎳量為30%的焊絲，牌號為TIG-CuNi(B30)，AWS A5.7 ERCuNi，生產(chǎn)廠商為遼寧錦州特種焊條廠。

2.2 接頭形式

根據(jù)設(shè)計要求，海水冷卻管均在管子車間內(nèi)生產(chǎn)，管子零件端頭均安裝有松套法蘭，整個管系無焊接支管、無需冷加工，均采購成品彎頭及三通，管子零件生產(chǎn)完成后運輸至船上，在船上安裝時采用螺栓連接法蘭把管子零件連接，再與設(shè)備連接即可，整個安裝過程無需焊接。因此焊接接頭形式只有管對接焊，焊接位置僅設(shè)計為1 G(水平滾動焊)即滿足生產(chǎn)要求。

根據(jù)詳細(xì)設(shè)計中海水冷卻系統(tǒng)管徑及壁厚，選擇不同的坡口形式，壁厚大于2.5 mm采用鈍邊0～1 mm“V”形坡口，壁厚小于等于2.5 mm采用“I”形坡口，焊縫間隙均控制在0～1 mm。坡口形式見圖1。

圖1 焊接坡口形式

3 焊接試驗

3.1 試驗材料下料及焊前準(zhǔn)備

在試驗材料下料前，首先應(yīng)參考設(shè)計圖紙中管徑的規(guī)格，選擇合適的管子外徑及壁厚尺寸，并參照船級社規(guī)范，選擇認(rèn)可范圍能夠全面覆蓋實際生產(chǎn)的管子規(guī)格。對試驗管外徑小于或等于25 mm的管子，認(rèn)可范圍可以達(dá)到0.5D～2D的管子；當(dāng)試驗管外徑大于25 mm，認(rèn)可范圍可以達(dá)到0.5D以上，最低范圍外徑不小于25 mm。

根據(jù)以上設(shè)計原則，最終選擇了直徑×壁厚為 219 mm×3.5 mm(A)和38 mm×1.5 mm(B)兩種規(guī)格的管子作為試驗材料。其中A管采用機械加工方式開坡口，坡口角度見圖1。裝配前打磨坡口表面氧化膜及坡口兩邊20 mm范圍，并用丙酮擦拭，保證坡口干凈、無油污等其它有害于焊接的附著物。

設(shè)備及工具準(zhǔn)備內(nèi)容：逆變300 A焊接電源采用直流正接法(DCEN)、氬弧焊水冷焊槍、直徑2.4 mm鈰鎢極、純度為99.9%氬氣2瓶、氬氣表、直徑2.4 mm焊絲TIG-CuNi(B30)、鋁箔膠帶、焊接面罩、鋼絲刷等焊工必備工具。

3.2 裝配及焊接

A管在裝配時控制焊縫間隙在0～1 mm，并采用3個焊點固定，同心度控制在0.5 mm以內(nèi)。點焊時采用不填絲技術(shù)，熔化母材并熔合形成焊點。再使用鋁箔膠帶將管子兩頭封閉，一頭插入軟管通入氬氣進行反面氣體保護，另一頭保留一個排氣小孔。充氣氣體流量根據(jù)管子直徑確定，打底焊時氣體流量應(yīng)調(diào)節(jié)至25～30 L/min，再用鋁箔膠帶將管子圓周接縫進行局部封閉，封閉部分占整個環(huán)形接縫的75%～80%，焊接時可先焊接未封閉的部分，再將局部封閉的部分慢慢拆下，再焊接剛剛拆下的部分，以此類推。

焊接時可采用最合適的焊接位置，即平焊或有一定角度的立焊位置進行焊接。A管在打底焊時采用不填絲技術(shù)，熔化母材形成熔池，當(dāng)液態(tài)金屬不足時可填一滴焊絲焊滴。當(dāng)焊接到點焊位置時，應(yīng)減慢焊接速度，將焊點熔化并熔合后再繼續(xù)焊接。當(dāng)焊縫接近焊完時，應(yīng)減小流量或關(guān)閉反面氣體保護，以免使管內(nèi)氣體壓力過高，造成反面成型變?yōu)椤鞍肌毙危蛉鄣螄姵龅默F(xiàn)象。在收弧時可填充一滴焊絲熔滴，以保證弧坑填滿。

經(jīng)過試驗，管徑越大的管子在焊接過程中越容易出現(xiàn)反面成型不良、大范圍氧化的現(xiàn)象。主要原因就是反面氣體保護不好，有大量空氣混入。因此，對于大直徑的管子焊接，更應(yīng)該重視反面氣體保護的工作。經(jīng)過試驗，采用不填絲技術(shù)能夠更有效地控制反面成型，而且，銅-鎳管對接接頭打底焊不填絲技術(shù)也在有關(guān)研究資料中得到應(yīng)用[3-4]。

打底焊完成后應(yīng)使用鋼絲刷刷掉表面氧化部分，層間溫度需控制在150 ℃以下。蓋面時管子內(nèi)部仍需通入氬氣，以保證焊縫不被氧化，氬氣氣體流量可有所降低，調(diào)節(jié)至15～20 L/min即可。蓋面焊接速度需減慢，以保證焊絲熔化完全填充坡口。焊接參數(shù)見表3。

表3 A管焊接參數(shù)(采用TIG法、電源極性為DCEN)

B管在裝配時與大直徑管子裝配方法基本相同，僅管子反面保護氣體流量調(diào)節(jié)至7 L/min即可。焊接時邊焊接邊填絲,一次成型。由于管徑較小，反面充氣保護比較容易，不易有空氣混入，因此反面成型比較容易保證。焊接參數(shù)見表4。

表4 B管焊接參數(shù)(采用TIG法、電源極性為DCEN)

采用以上工藝參數(shù)以及操作方法，焊縫內(nèi)、外表面成型優(yōu)良，未產(chǎn)生劇烈氧化、氣孔、咬邊等表面焊接缺陷，允許進行下一步無損探傷及力學(xué)性能試驗。B管焊接熔敷順序及效果見圖2。

圖2 B管焊接熔敷順序與效果

4 無損探傷及力學(xué)性能試驗

根據(jù)船級社規(guī)范，焊接工藝試驗焊縫無損探傷需進行100%滲透檢驗和100%拍片檢驗，所有焊接試管對接縫檢驗均未發(fā)現(xiàn)表面裂紋或開口型缺陷，且拍片檢驗時均評為I級片。力學(xué)性能試驗結(jié)果完全符合要求。

5 車間內(nèi)預(yù)制管的生產(chǎn)

焊接工藝經(jīng)過認(rèn)可以后，更重要的工作就是能夠高質(zhì)量且穩(wěn)定、高效率地生產(chǎn)。因此，還需要以焊接工藝為基礎(chǔ)，研究預(yù)制管零件圖紙，進行仔細(xì)分析、精心組織、細(xì)化生產(chǎn)流程。以每一道工序為單位，場地固定、人員定編的流水線式生產(chǎn)，以達(dá)到高效生產(chǎn)的目的。

下料時可采用砂輪切割機或等離子切割機，切口必須修整光順，并清除毛刺，下料長度誤差控制在±1 mm。

壁厚>2.5 mm的管子宜采用多道焊技術(shù)，需開坡口，坡口角度為70°，裝配間隙0～1 mm。

焊接工序是銅-鎳合金預(yù)制管生產(chǎn)的最重要工序，所有的焊工必須經(jīng)過培訓(xùn)并考試合格后方可進行施工，必須保證所有的工具及設(shè)備齊全、氣體純度達(dá)標(biāo)、焊絲牌號正確。檢查坡口及坡口兩邊20 mm范圍內(nèi)不得有油污、雜物、氧化皮及其他對焊接質(zhì)量有影響的附著物。焊前將管子兩頭封閉，向管子內(nèi)通入氬氣，氣體流量需根據(jù)管子直徑及打底焊及蓋面焊有所區(qū)分，同時將管子上未焊接的環(huán)縫采用鋁箔膠帶包裹起來，焊一條、拆一條，直至管子完全焊完。

管子零件生產(chǎn)完成后需進行水壓試驗。試驗壓力為0.4 MPa，檢驗合格后在法蘭位置打上驗收合格鋼印。如有泄露應(yīng)進行返修，采用砂輪機打磨泄露處，打磨出“U”形坡口后再進行補焊，補焊時同樣需要在管子內(nèi)部通入氬氣。

驗收合格的管子零件需在兩頭用塑料封板封閉，管子外側(cè)用三防布嚴(yán)密包裹后方可裝箱發(fā)貨，起吊時需采用吊帶，不得使用鋼絲繩。

6 管系安裝

銅-鎳合金管質(zhì)地比較軟，在安裝時應(yīng)特別仔細(xì)、小心，嚴(yán)禁亂扔，防止管子變形或損壞。管子在分段預(yù)裝結(jié)束、進行噴砂處理之前，應(yīng)進行良好的保護，以免鋼砂損壞管子。

海水冷卻系統(tǒng)管路安裝完全結(jié)束后更應(yīng)該注意保護，以免在機艙內(nèi)進行焊接、切割等交叉作業(yè)時損壞管子。安裝在人員活動頻繁位置的管子應(yīng)考慮防碰撞保護，采用三防布包裹后，再使用鉛絲和軟木條包扎在管子周圍，待機艙內(nèi)所有工種施工完成后再拆除所有防護。

7 結(jié)束語

采用上述焊接及生產(chǎn)工藝，浙江正和造船有限公司在管子加工車間內(nèi)生產(chǎn)的銅-鎳合金管零件成型良好，得到船東的好評，并且在壓水試驗中均一次通過，無泄露點。

公司已交付了4艘37 300 t散貨船，在精心的管理和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)氖┕は拢窗l(fā)生銅-鎳合金管的焊接質(zhì)量問題。

目前，銅-鎳合金管在散貨船海水冷卻系統(tǒng)的應(yīng)用較少，大部分仍采用的熱浸鋅碳鋼管。因此，該工藝對于有相關(guān)或類似材料的產(chǎn)品生產(chǎn)有一定參考和借鑒作用。

[1] 黃璐瓊,武興偉.銅鎳合金管在艦船海水管系中的應(yīng)用 [J].船舶，2011(1)：40-43.

[2] 周振豐.焊接冶金學(xué):金屬焊接性[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.

[3] 楊亞輝.銅鎳合金換熱器材料及其焊接工藝 [J].焊接與切割，2012(2)：35-38.

[4] 黃紅雨,杜 渝，吳世品，等 海洋平臺銅鎳合金管焊接氣孔控制研究 [J].船海工程，2013，42(5)：201-203.

On the Welding Procedure of Copper-Nickel Alloy Pipeline in the Sea Water Cooling System of Bulk Carrier

ZHAO Yi-lei1, CHEN Qian-qing2

(1.Zhejiang Zhenghe Shipbuilding Co., Ltd., Zhoushan Zhejiang 316000, China;2.Zhejiang International Maritime College, Zhoushan Zhejiang 316021, China)

The physical properties, chemical properties and welding abilities of the Copper-Nickel alloy pipe (B10), which is used in the sea water cooling system of a bulk carrier, are analyzed. In light of the welding procedure test, the detailed welding procedure and workmanship for workshop are proposed to satisfy the requirement of construction of sea water cooling system for bulk carriers.

sea water cooling system; Copper-Nickel alloy; welding procedure.

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.01.019

2014-08-04

趙軼磊(1985-)，男，學(xué)士，助理工程師

U671.83

A

1671-7953(2015)01-0074-04

修回日期：2014-08-15

研究方向:船體及管系焊接及生產(chǎn)工藝

E-mail:zylmaster945@163.com