鋁合金在船舶中的應(yīng)用分析

陳佳銘

（廣州奧億浦船舶技術(shù)服務(wù)有限公司，廣東 廣州 511455）

0 引言

在進(jìn)行船舶設(shè)計(jì)和制造時(shí)，選用適宜的材料與材質(zhì)在很大程度上將直接關(guān)系到船舶的總體性能。鋁合金在其密度、強(qiáng)度、耐腐蝕性、塑性等各個(gè)方面都具有較大優(yōu)勢(shì)，其在船舶及海洋工程中有著廣泛的應(yīng)用，對(duì)其性能起著非常重要的作用。當(dāng)然，隨著行業(yè)的不斷進(jìn)步發(fā)展，必須重視新材料技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，從而更好地體現(xiàn)性能優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)行業(yè)長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展。由此可見，增強(qiáng)鋁合金在船舶工程中的廣泛應(yīng)用具有非常重要的實(shí)際意義[1]。

1 鋁合金的特性與性能分析

1.1 鋁合金的特性

鋁合金是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的有色金屬結(jié)構(gòu)材料之一，因其自身優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，被廣泛用在船舶及海洋工程、航空航天、汽車等眾多領(lǐng)域。伴隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)鋁合金材料的性能和焊接標(biāo)準(zhǔn)要求越來越苛刻。與其它金屬材料相比，鋁合金具有以下典型特征：

1）密度小。一般鋁合金的密度為2.7 ～2.8 g/cm3，而常用結(jié)構(gòu)鋼的密度為7.85g/cm3，其密度約是常用結(jié)構(gòu)鋼的1/3。

2）具有很高的強(qiáng)度。雖然鋁合金的密度相對(duì)較小，但其強(qiáng)度很大，接近或超過優(yōu)質(zhì)鋼。

3）具有良好的塑性。鋁合金具有良好的塑性，可加工成各種板材、型材、管材、棒材、鍛件和鑄件，從而大大擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

另外，鋁合金還擁有很強(qiáng)的耐腐蝕性，且導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性都非常好。通過熱處理工藝在鋁合金中的應(yīng)用，可以有效提高鋁合金的力學(xué)性能和物理性能，進(jìn)而有效提高鋁合金的應(yīng)用效果。

1.2 鋁合金的性能

鋁合金密度相對(duì)較小，但強(qiáng)度很大，接近或超過優(yōu)質(zhì)鋼，此外，還具有良好的塑性，可加工成各種型材，具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性以及耐腐蝕性，因其諸多優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用在工業(yè)上，其使用量?jī)H次于鋼。一些鋁合金可以通過熱處理獲得良好的力學(xué)性能、物理性能和耐腐蝕性能[2]。硬鋁合金屬Al-Cu-Mg 系，通常還有數(shù)量較少的錳，能夠進(jìn)行熱處理。其優(yōu)點(diǎn)為硬度較強(qiáng)，缺點(diǎn)為塑性差。超硬鋁屬Al-Cu-Mg-Zn 系也可以進(jìn)行熱處理，以達(dá)到材料強(qiáng)化的目的，在常溫條件下是具有較高強(qiáng)度的鋁合金，其缺點(diǎn)是材料的耐腐蝕性差，在高溫條件下易軟化。鍛鋁合金主要是Al-Zn-Mg-Si 系合金，材料內(nèi)所含的元素種類較多，但數(shù)量較少，由于鍛鋁合金熱塑性優(yōu)異，可廣泛應(yīng)用于材料的鍛造[3]。

2 鋁合金在船舶中的使用現(xiàn)狀

目前，由于鋁合金自身的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，船舶技術(shù)中已經(jīng)開始大量用鋁合金材料替代傳統(tǒng)的大密度材料，從合金的作用形式上來看，常用的有 Al-Mg 系和Al -Si-Mg 系鋁合金，這類材料具有良好的強(qiáng)度、耐腐蝕性、抗沖擊能力等，被廣泛應(yīng)用在船舶的外板、壁板、甲板、肋骨、龍骨等[4]。在當(dāng)前的鋁合金技術(shù)升級(jí)和完善過程中，可以發(fā)現(xiàn)通過材料本身的改革和優(yōu)化以及船舶設(shè)備設(shè)施結(jié)構(gòu)的分析，能夠讓最終成品的船舶設(shè)備設(shè)施能夠符合船舶的穩(wěn)定運(yùn)行要求。另外這類設(shè)備設(shè)施使用也可以在很大程度上降低船舶的排水量，在原有的基礎(chǔ)之上裝配更多的新型設(shè)備設(shè)施[5]。

3 鋁合金在船舶及海洋工程中的應(yīng)用前景

3.1 LNG 船舶的儲(chǔ)罐制造

通常情況下，海洋油氣資源開采平臺(tái)運(yùn)行時(shí)，由于距離海岸線的距離較遠(yuǎn)，無法通過建成油氣運(yùn)輸管道等方式完成運(yùn)輸工作，所以通常采用LNG 船完成運(yùn)輸任務(wù)。對(duì)于船舶來說，其本身排水量較大，并且受限于空間參數(shù)，需要通過建成LNG 儲(chǔ)罐的方式提高運(yùn)輸能力。LNG 儲(chǔ)罐材料和大量裝置采用鋁合金，其原因是鋁合金的密度更低，可以在同重量的情況下提高該儲(chǔ)罐的容量，儲(chǔ)罐制造常用的鋁合金材料型號(hào)為5083，該項(xiàng)技術(shù)在 20 世紀(jì)就已經(jīng)獲得了全面廣泛的使用，通常情況下，儲(chǔ)罐的壁厚為 160 mm，在使用時(shí)可以發(fā)揮有效的存儲(chǔ)低溫保持工作，并發(fā)揮天然氣等資源的安全存儲(chǔ)作用，防止在運(yùn)輸過程中出現(xiàn)泄漏以及爆炸事故的發(fā)生[6]。

3.2 船用碼頭的建設(shè)運(yùn)行

目前所有碼頭區(qū)域多采用土木材料以及鋼鐵材料建設(shè)而成，其在海水的長(zhǎng)期侵蝕之下，發(fā)現(xiàn)這類材料的穩(wěn)定度逐漸下滑，同時(shí)這類材料的日常運(yùn)維工作難度較高，單次運(yùn)維過程都需要投入大量資金，與當(dāng)前的使用標(biāo)準(zhǔn)不符。而鋁材料的使用成本相對(duì)較低，并且日常維護(hù)過程的難度下降，可以用來制造碼頭浮塢，使用的鋁合金型號(hào)通常是 5754，通過當(dāng)前的實(shí)際檢測(cè)效果上來看，采用鋁合金材料制造碼頭的各類構(gòu)件時(shí)，能夠大幅降低該系統(tǒng)的運(yùn)維成本，并提高運(yùn)行壽命[7]。另外在后續(xù)的使用過程，鋁合金材料本身的耐腐蝕效果較好。但需要注意的是，由于鋁合金材料相對(duì)來說焊接難度較高，所以各類基礎(chǔ)構(gòu)件的建設(shè)過程可以考慮如何把這類設(shè)施拼接，防止焊接后形成原電池。

3.3 海上直升機(jī)平臺(tái)建設(shè)

無論是對(duì)于海上油氣開采平臺(tái)還是海上資源勘測(cè)平臺(tái)，都需要建成直升飛機(jī)的起落平臺(tái)，而直升機(jī)平臺(tái)由于面積較大，所以采用傳統(tǒng)的鋼材會(huì)導(dǎo)致自身重量大幅增加。為解決這一問題，可以采用鋁合金材料完成整個(gè)停機(jī)坪的建設(shè)工作，從鋁合金材料的自身特點(diǎn)和參數(shù)上來看，一方面其密度較低，使得整個(gè)直升機(jī)停機(jī)坪的本身重量大幅降低，減輕平臺(tái)的日常運(yùn)行壓力[8]。另一方面鋁合金材料的抗振動(dòng)水平、抗彎性能等都能緩解直升機(jī)起落過程對(duì)于平臺(tái)造成的沖擊，同時(shí)其具備的抗腐蝕能力也能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。另外當(dāng)前的平臺(tái)建設(shè)工藝大量采用拼接工作模式，取代原有的焊接方法，最大限度地防止焊接過程中由于各類質(zhì)量保護(hù)工作的缺陷而導(dǎo)致的平臺(tái)本身無法穩(wěn)定運(yùn)行。

3.4 應(yīng)用于油氣開采鉆桿

在開發(fā)海洋油氣資源時(shí)，鉆桿是其必不可少的鉆井設(shè)備。其材料性能的好壞直接關(guān)系到油氣生產(chǎn)的效率和鉆桿的使用年限。鋁合金鉆桿的使用降低了與孔壁的摩擦阻力，提高了鉆進(jìn)速度和鉆進(jìn)深度。綜上所述，鋁合金鉆桿在海洋油氣資源開發(fā)中的應(yīng)用最大限度地發(fā)揮了其耐腐蝕性的優(yōu)勢(shì)?？梢姡X合金是海洋油氣資源開發(fā)中必不可少的材料，其應(yīng)用前景非常廣闊[9]。

4 鋁合金在船舶工程中應(yīng)用的具體細(xì)節(jié)

1）裝配精度。相對(duì)于普通鋼船標(biāo)準(zhǔn)，裝配鋁合金船體裝配精度會(huì)更高一些。在裝配拼版過程中，0.55 mm 是提前預(yù)留出的錯(cuò)開度。骨架裝配時(shí)，應(yīng)確保骨架間距、位置偏差和對(duì)接間隙在一定范圍內(nèi)。在裝配艙壁時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制好外板間隙精度和位置偏差精度。

2）裝配期間，工作人員需要嚴(yán)格控制裝配順序，建議從中間開始，然后在兩端裝配。鋁合金船體分段施工時(shí)，先確定中心龍骨和船舯，然后再拼裝兩側(cè)肋骨段。這種裝配方法是在船舯基礎(chǔ)上進(jìn)行，實(shí)施難度較大，但不會(huì)出現(xiàn)很大誤差，施工精度相對(duì)高[10]。

5 結(jié)語

鋁合金不僅具有很高的強(qiáng)度，而且還有重量輕、耐腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域。充分發(fā)揮鋁合金在我國(guó)船舶及海洋工程中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，將極大地促進(jìn)船舶及海洋工程的繁榮發(fā)展。因此，增強(qiáng)鋁合金在船舶及海洋工程中的應(yīng)用研究具有非常重要的價(jià)值。由此可以得出鋁合金在造船中的主要應(yīng)用是Al-Mg 系和Al -Si-Mg 系，其中舷窗、桅桿、船舷、龍骨和艙壁等可采用鋁合金。同時(shí)，為了進(jìn)一步提高鋁合金的性能，更好地為船舶工業(yè)服務(wù)，應(yīng)加大對(duì)鋁合金性能的研究，將其原有性能提高到一個(gè)新的水平。