MARK III型LNG薄膜艙波紋板焊接研究

趙建宇，李志林，張海峰

(揚州中遠海運重工有限公司，江蘇 揚州 225200)

0 引言

MARK III型薄膜艙主要由主屏壁、次屏壁和絕熱層構(gòu)成。主屏壁材質(zhì)為304L不銹鋼波紋板，次屏壁材質(zhì)為3層復(fù)合材料薄膜，絕熱層材質(zhì)則是加強聚氨酯泡沫。主屏壁波紋板可以承受晃蕩載荷，近年來廣泛用于LNG燃料艙。304L不銹鋼波紋板的焊接結(jié)果決定了MARK III薄膜型圍護系統(tǒng)主屏壁的完整性，是LNG船圍護系統(tǒng)建造成功與否的關(guān)鍵。因此對MARK III型波紋板的焊接技術(shù)進行研究十分重要。

主屏壁波紋板通過各個零件搭接來實現(xiàn)密封，搭接采用氬弧焊。MARK III主要的技術(shù)難點在于波紋區(qū)域的焊接與檢驗。因不銹鋼薄膜很難采用超聲波等無損探傷方式來檢測其內(nèi)部的焊接質(zhì)量，因此需要在焊接過程中嚴加控制以達到良好的焊接效果。本文通過對波紋板的設(shè)計、材料、性能的研究，得出波紋板的焊接方式。

1 不銹鋼波紋板的特點

MARK III圍護系統(tǒng)薄膜由AISI 304L低溫不銹鋼制造，經(jīng)過沖壓加工成縱橫交叉、2種大小波紋的褶皺板，波紋大小正交的波紋約按340 mm間距排列。通過縱橫2個方向的變形來消除不銹鋼板內(nèi)的應(yīng)力，實現(xiàn)以下4個方面均為零應(yīng)力的概念設(shè)計。

(1)LNG低溫液艙引起的應(yīng)力及熱脹冷縮造成的應(yīng)力。

(2)抵消船體在運營過程中的變形連帶不銹鋼板出現(xiàn)的變形應(yīng)力。

(3)長期的低應(yīng)力甚至零應(yīng)力狀態(tài)，保證了主屏壁不銹鋼板的疲勞壽命。

(4)波紋板內(nèi)部幾乎無應(yīng)力的狀態(tài)，更容易保證波紋板在液貨艙各個位置的焊接質(zhì)量。

主屏壁波紋板是預(yù)制加工件，可分為平面波紋板件和角區(qū)波紋板件2類，其中角區(qū)波紋板件包括角區(qū)連接件、轉(zhuǎn)角連接件、端部密封件。每張板波紋成型后預(yù)留搭接邊緣，便于薄膜安裝時搭接使用。每張薄膜根據(jù)自身所處的位置來決定邊緣加工情況。

2 波紋板的安裝

為保證波紋板各個位置的良好配合，應(yīng)首先進行劃線。劃線主要考慮的因素及處理方式如下：

(1)為消除建造誤差，應(yīng)從艙室中間向四周劃線，邊緣區(qū)域波紋板加放余量。

(2)為保證各個艙壁的波紋連續(xù)，應(yīng)劃定基準軸線。基準軸線的直線度偏差<1 mm/m，2個平面的軸線錯位<2 mm。

(3)為保證每個面波紋及搭接的正確性，應(yīng)對每個波紋板的位置勘劃限定線。限定線偏差應(yīng)該<3 mm，使波紋板一一對應(yīng)。

波紋板的零件有“壓肩”處理以實現(xiàn)更好的搭接質(zhì)量，因此在設(shè)計階段就需確定安裝工序，然后根據(jù)安裝工序進行零件的預(yù)制。對于現(xiàn)場作業(yè)部門來說，薄膜的安裝一定要嚴格按照圖紙的安裝順序和劃線位置進行，否則將出現(xiàn)搭接錯誤的情況。過程中必須嚴格控制精度，保證波紋板的位置與搭接的長度匹配，特別是波紋板頂部和底部，需特別注意波紋的連續(xù)性。

3 焊接準備

3.1 表面保護及清潔

主屏壁波紋板表面有一層薄薄的聚氯乙烯膠帶，保護其在運輸途中及液貨艙安裝過程中不受外力損傷。波紋板搬運過程中易被汗水、焊渣等污染，所以需要戴好手套。如被污染應(yīng)及時用丙酮擦拭。特別注意的是，波紋板的儲存和施工現(xiàn)場不允許碳鋼的存在，嚴禁兩者混放在一起，以免波紋板受到污染后被腐蝕。直至波紋板安裝前，才能將背面全部和正面部分的保護膜撕除，并清除波紋板邊沿正反面至少60 mm區(qū)域內(nèi)的污物。

3.2 焊接設(shè)備

MARK III型液貨艙圍護系統(tǒng)主屏壁不銹鋼波紋板焊接主要采用鎢極氬弧焊法。由于鎢極氬弧焊能有效隔絕外界空氣，焊縫質(zhì)量容易保證，在很小電流區(qū)域內(nèi)電弧穩(wěn)定性好，可以進行全位置焊接，因此搭接焊接可采用低脈沖自動鎢極氬弧焊；角區(qū)部位的焊接，因形狀復(fù)雜，仍需使用手工鎢極氬弧焊。

焊接之前，需要做好以下準備工作：

(1)用于MARK III主屏壁波紋板的所有焊接設(shè)備都應(yīng)處于良好的工作狀態(tài)。

(2)通過一系列的測量來確定波紋板的安裝位置和固定是否正確，以及確認接地連接是否牢固。

(3)所有的接地都需要連接在同一個系統(tǒng)中，禁止直接焊接在波紋板上。

3.3 定位焊

定位焊是在不使用填充金屬的情況下，通過簡單的熔接將波紋板固定的點焊。定位焊后應(yīng)保證搭接位置，特別是波紋位置的間隙達到連續(xù)焊接的要求。因此，首先從波紋板頂部開始進行大間距點焊，然后進行波紋根部的點焊，最后進行平坦位置的點焊。定位焊間距為平坦部位50 mm、波紋部位15～20 mm，其焊接順序和位置見圖1。如果大間隙點焊后出現(xiàn)部分位置搭接處間隙超過0.3 mm，可以通過密集點焊方式使點焊間隙小于0.3 mm，保證后續(xù)自動焊接，必要時可以采用10 mm的點焊間距。

1～12—焊接點。圖1 點焊的順序和位置

4 波紋板的焊接

4.1 波紋板與錨固條的焊接

1.2 mm的波紋板和20 mm的錨固條采用間斷焊接的方式，長度20 mm，間距40 mm。

實際焊接時，必須要避開鉚釘?shù)奈恢?；錨固條焊接自動焊、手工焊都可以采用，但在間斷焊接之前一定要完成定位點焊以保證焊接質(zhì)量。

4.2 波紋板與兩面體角型不銹鋼的焊接

由于板厚有很大差別，所以1.2 mm的波紋板焊接到8 mm角區(qū)不銹鋼上時應(yīng)有足夠的熔深以避免焊縫過平。實際焊接時，當焊接從轉(zhuǎn)角過渡到與波紋板搭接的地方，需改變焊接電流以保證焊接的質(zhì)量，但同時要保證焊接的連續(xù)性。

4.3 不銹鋼波紋板焊接方式

所有焊接都采用搭接焊的焊接方式時，焊前需刷除焊接區(qū)域的氧化物。手工焊接時應(yīng)注意焊接的連續(xù)性，焊接不可在波紋頂部及根部間斷，下次焊接前應(yīng)將上次焊接的部分熔化后再進行，以確保焊接質(zhì)量。手工焊焊接順序見圖2。焊后產(chǎn)生的有害殘留物需要去除，焊縫均需拋光處理。

1～6—順序號。圖2 手工焊焊接順序

4.4 焊接參數(shù)

焊接參數(shù)見表1。需注意的是，在現(xiàn)場施工時，從錨固條移動至波紋板焊接時，焊接不可間斷，但焊接參數(shù)需相應(yīng)逐步調(diào)整。

表1 手工焊焊接參數(shù)

4.5 焊接變形控制

焊接變形控制方法為：首先進行定位焊保證波紋板的位置；然后通過密集點焊的方法將波紋板固定，限制焊接時因熱應(yīng)力引起的間隙超差及焊接變形，保證裝配尺寸滿足公差要求；在焊接過程中采用合理的焊接順序減少焊接應(yīng)力，控制焊接變形。

也可在焊接前安裝特制夾具工裝，通過夾具固定法的強制手段來減小焊后變形。當波紋板面積較大、焊縫較長時，可采用壓緊法，分別放2塊壓緊工裝在焊縫兩側(cè)來減小焊接變形，如同時使用銅板壓緊并輔助散熱，效果更佳。焊接時待焊件間隙應(yīng)在保證焊縫尺寸的情況下越小越好，切割的熔渣與剪切毛刺清除干凈。

4.6 完工檢驗

完工檢驗主要的檢測方式有目視檢測、滲透檢驗、金相試驗和完工的密性試驗。

4.6.1 焊縫檢驗

(1)應(yīng)對焊接區(qū)域及其以外的波紋板區(qū)域進行檢查，特別是底板、斜底板處應(yīng)仔細檢查是否有材料或工具。墜落可能破壞不銹鋼波紋板的情況。

(2)所有的焊縫都要目檢，檢驗焊縫是否圓滑過渡到母材，是否有裂紋、凹坑、氣孔、電弧打傷和表面不平整等缺陷。平直部分焊縫的背面氧化長度每340 mm中不允許超過10 mm；波峰部分焊縫的背面氧化長度每個波中不允許超過20 mm。

(3)進行滲透檢驗時，任何焊縫或者區(qū)域均不允許裂紋的存在。

(4)通過金相試驗確定焊縫的質(zhì)量：對焊縫橫截面進行拋光、打磨和酸洗后用至少放大10倍的鏡頭來檢驗表面，并放大至少50倍拍攝金相照片。

4.6.2 主層密性試驗

主屏壁焊接完成后，應(yīng)采用下述2個密性試驗檢驗焊接質(zhì)量。密性試驗前，應(yīng)對所有的焊縫進行目視檢查，保證無明顯缺陷。

(1)氨氣試驗：將氨氣和氮氣的混合氣體通過提前預(yù)制好的開孔注入主層空間，然后將顯像劑噴涂在焊縫上。如焊縫質(zhì)量不達標，有泄漏點，顯像劑會變色。

(2)主屏壁壓力試驗：將主、次層空間壓力抽到約為-0.08 MPa，測試24 h內(nèi)壓力的變化。

5 結(jié)論

(1)MARK III型LNG薄膜艙圍護系統(tǒng)不銹鋼波紋板焊接技術(shù)是整個MARK III技術(shù)的重點，焊接的質(zhì)量決定了整個圍護系統(tǒng)的完整性。采用先定位焊再連續(xù)焊的方式，能夠有效保證焊接質(zhì)量。連續(xù)焊接時，先焊接波紋區(qū)域再焊接平直區(qū)域可以有效控制焊接變形。

(2)在實際施工過程中，需注意焊接環(huán)境及焊接參數(shù)的控制，這將直接影響最終的焊接質(zhì)量。

(3)目前焊接工藝實踐不多，仍需要在施工中不斷實踐總結(jié)，創(chuàng)新施工工藝，完善出一套完整的MARK III型薄膜艙波紋板的焊接技術(shù)。