鋁合金在LNG液艙建造中的應(yīng)用

5083 Al-Mg鋁合金屬于非熱處理強(qiáng)化鋁合金，利用加工硬化和微合金化來(lái)提高其綜合性能，且沒(méi)有低溫冷脆的問(wèn)題，在低溫條件下仍保持優(yōu)異的力學(xué)性能。5083鋁合金抗拉強(qiáng)度高，延伸率高，易于表面處理，彎曲加工性好，同時(shí)具有自重輕、抗腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于LNG液艙，如IHI SPB艙、MOSS艙、LNT A-BOX艙及LNG儲(chǔ)罐的建造當(dāng)中。

鋁合金焊接技術(shù)：攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding，縮寫：FSW) 是除了傳統(tǒng)的電弧焊（Arc Welding）、熔化極惰性氣體保護(hù)焊（melt inert-gas welding，縮寫：MIG）之外的一種新型的鋁合金LNG艙及儲(chǔ)罐制造技術(shù)（圖1所示），由英國(guó)焊接協(xié)會(huì)(TWI)1991年發(fā)明，該技術(shù)利用摩擦熱軟化和連接構(gòu)件，不需要常規(guī)焊接技術(shù)所必需的焊接填充材料和保護(hù)氣體，產(chǎn)生的焊接變形很小，近年來(lái)備受業(yè)界關(guān)注。

1、FSW基本原理及典型焊接流程

FSW的工作原理為，首先兩個(gè)工件在邊緣對(duì)接，然后在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，用一個(gè)尖端帶有探針的焊接工具壓在工件的邊界上。摩擦熱使工件材料軟化，刀尖向工件邊界傾斜，使材料混合而不熔化，探針上有一根促進(jìn)攪拌的螺紋，當(dāng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，工具沿著邊界移動(dòng)以擴(kuò)展連接區(qū)域。

FSW典型焊接流程包括：1)旋轉(zhuǎn)工具，將其按到連接區(qū)域并插入該區(qū)域；2)摩擦熱使材料軟化，摩擦力使材料發(fā)生攪拌；3)在保持?jǐn)嚢璧耐瑫r(shí)，沿著對(duì)接線移動(dòng)工具來(lái)焊接工件；4)取下工具完成焊接過(guò)程（如圖2所示）。

2、FSW特點(diǎn)

FSW采用固態(tài)塑性流動(dòng)進(jìn)行焊接，不會(huì)引起熔焊常見(jiàn)的凝固收縮，輸入工件的熱量較低，產(chǎn)生的熱收縮也很小，在連接后幾乎沒(méi)有變形。另外，相比電弧焊（如圖3所示），F(xiàn)SW具有自動(dòng)化程度較高，人工成本低，消耗的電能相對(duì)較少，不會(huì)產(chǎn)生電弧焊接所產(chǎn)生的有害射線或煙霧(金屬蒸氣)，可以保持良好的工作環(huán)境，減輕工人的負(fù)擔(dān)，節(jié)約能源等方面的優(yōu)勢(shì)，正被廣泛應(yīng)用于LNG艙/儲(chǔ)罐的鋁合金板的焊接。

3、FSW 在LNG 艙建造中的應(yīng)用

2010年，IHI公司首次成功將FSW技術(shù)應(yīng)用于IHI-SPB型LNG艙鋁合金板材的焊接，通過(guò)研究完善，目前FSW技術(shù)實(shí)現(xiàn)了無(wú)焊接畸變的角攪拌摩擦焊技術(shù)（如圖4所示），即不需要焊接畸變校正。焊接接頭具有理想的形式，光滑的表面和沒(méi)有應(yīng)力集中，形成了一個(gè)穩(wěn)定的搭接結(jié)構(gòu)，同時(shí)可靠性得到了很大提高。隨著FSW焊接工具和設(shè)備的改進(jìn)，成本進(jìn)一步降低，焊接質(zhì)量和適用性不斷增強(qiáng)，F(xiàn)SW已經(jīng)成為一種工藝成熟的LNG艙鋁合金板材焊接技術(shù)。

圖1 攪拌摩擦焊(FSW)示意圖

圖2 攪拌摩擦焊流程示意圖

圖3 電弧焊和攪拌摩擦焊示意圖

圖4 攪拌摩擦焊角焊接頭橫截面示意圖

鋁合金在LNG艙建造中的應(yīng)用

鋁合金被用來(lái)建造LNG運(yùn)輸船的液貨艙已經(jīng)有幾十年的歷史，1981年9月，日本首制的“Golar Spirir”號(hào)LNG運(yùn)輸船在川崎重工的工廠完工并交付使用，其液貨艙采用鋁合金材料建造。目前，鋁合金已經(jīng)成為IHI SPB艙和MOSS艙最主要的建造材料之一。截止2020年10月中旬，已經(jīng)交付的使用MOSS艙、IHI SPB艙LNG運(yùn)輸船數(shù)量分別為125艘和7艘（如圖5所示），在所有獨(dú)立艙LNG運(yùn)輸船數(shù)量中占比超過(guò)75%（如圖6所示）。

1、IHI SPB艙LNG運(yùn)輸船

圖5 不同類型的LNG運(yùn)輸船數(shù)量

圖6 獨(dú)立艙LNG運(yùn)輸船中不同類型液貨艙數(shù)量

圖7 典型IHI SPB艙

圖8 平坦甲板IHI SPB艙LNG運(yùn)輸船

圖9 凸形甲板IHI SPB艙LNG運(yùn)輸船

IHI-SPB（Self-supporting Prismatic shape IMO type B）型LNG艙（如圖7所示）是由IHIMU（石川島播磨重工海事聯(lián)盟）開發(fā)，并被作為L(zhǎng)NG運(yùn)輸船的液貨艙及LNG動(dòng)力船的燃料艙使用。IHI SPB艙LNG運(yùn)輸船采用獨(dú)立液貨艙、平面甲板/凸形甲板、雙殼雙底結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等船型特點(diǎn)，液貨艙內(nèi)部設(shè)置液密緩沖艙壁、扶強(qiáng)材和橫向邊板，對(duì)艙內(nèi)空間進(jìn)行分隔，減小自由液面，將液體晃蕩頻率提升到遠(yuǎn)離于船體晃動(dòng)的頻率，避免產(chǎn)生共振且充裝率沒(méi)有限制。

目前已經(jīng)交付的IHI SPB艙LNG運(yùn)輸船有7艘，艙容主要為9萬(wàn)立方和16.6萬(wàn)立方，在日本聯(lián)合船廠（JMU）、日本石川島播磨重工(IHI)以及日本Imamura Zosen船廠建造。另外還有LPG運(yùn)輸船、FPSO及LNG-FSRU等 使 用IHI SPB液貨艙技術(shù)。IHI SPB艙型LNG運(yùn)輸船多數(shù)采用平坦甲板設(shè)計(jì)，此外為了增加艙容，近年來(lái)也有IHI SPB型LNG運(yùn)輸船采用凸形甲板設(shè)計(jì)（如圖8、圖9所示）。

圖10 典型MOSS球罐型艙

圖11 典型MOSS艙LNG運(yùn)輸船

圖12 新型MOSS艙LNG運(yùn)輸船

圖13 每一年交付的MOSS艙LNG運(yùn)輸船數(shù)量

2、MOSS艙LNG運(yùn)輸船

MOSS艙概念由挪威MOSS Rosenberg造船公司1970年提出，MOSS型LNG運(yùn)輸船液貨艙區(qū)域采用雙殼結(jié)構(gòu)，由隔離空艙艙壁劃分為若干個(gè)液貨艙，每個(gè)液貨艙內(nèi)設(shè)置一個(gè)MOSS型LNG液貨艙，液貨艙的上部設(shè)置一個(gè)球型液貨艙蓋，從外形特征來(lái)看有球形、傘形和柱錐形等（如圖10、圖11所示）。日本三菱重工（MHI）在MOSS艙的基礎(chǔ)上開發(fā)了豆莢形LNG運(yùn)輸船（Sayaendo）（如圖12所示），用成豆莢形的連續(xù)覆蓋罩把Moss 型球形液貨艙掩蓋住并與船體結(jié)合成一體。這種新結(jié)構(gòu)形式能增強(qiáng)船舶結(jié)構(gòu)性能并使船舶的尺度和重量減小，不僅改善了耗油量和營(yíng)運(yùn)經(jīng)濟(jì)性，還提高了該船對(duì)LNG碼頭的適應(yīng)性以及該船的可維護(hù)性。

MOSS艙LNG運(yùn)輸船主要建造船廠為日本的三菱重工、川崎重工和三井造船以及韓國(guó)的現(xiàn)代重工，截止2020年10月，已經(jīng)交付了125艘MOSS艙LNG運(yùn)輸船，每年的交船數(shù)量如圖13所示，船裝載容量在12萬(wàn)方至18萬(wàn)方左右。

3、LNT A-BOX 艙LNG 運(yùn)輸船

除了上述IHI SPB艙、MOSS艙，LNT Marine公司也將使用鋁合金及FSW技術(shù)建造LNG液艙，以降低LNG液艙的重量，并推出了基于鋁合金材料LNG液艙的8萬(wàn)方級(jí)與17萬(wàn)方級(jí)LNG運(yùn)輸船船型方案（如圖14、圖15所示）。

圖14 8萬(wàn)方LNG運(yùn)輸船

圖15 17.4萬(wàn)方LNG運(yùn)輸船