No96型LNG船貨艙圍護(hù)系統(tǒng)殷瓦焊接檢驗(yàn)研究

余勇華，管金玨，徐 驍，王慶豐

(1.江蘇新?lián)P子造船有限公司，江蘇 靖江 214532；2.招商重工(江蘇)有限公司，江蘇 南通 226116；3.江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

目前，LNG船舶運(yùn)輸是實(shí)現(xiàn)LNG跨地區(qū)遠(yuǎn)洋運(yùn)輸?shù)淖钣行Х绞剑适澜绶秶鷥?nèi)投入使用的LNG船的數(shù)量正逐年增加。LNG船最重要的船體結(jié)構(gòu)就是LNG液貨艙。多年以來，液貨艙研制了多種型制，如：球罐型(Moss、Esso)、薄膜型(GTT、CS、TECHNIGAZ)、自持式棱柱型(SPB)等，其中薄膜液貨艙型優(yōu)勢愈來愈突出。薄膜型液貨艙船型根據(jù)施工方法與絕熱種類分為GTT No96型、CS-1和Mark Ⅲ型，其中：Mark Ⅲ型的液貨艙材料是由絕緣板及剛性絕緣材料組成，GTT No96型液貨艙是由絕緣材料組成的絕緣箱。GTT No96型和Mark Ⅲ 2種形式的薄膜型LNG貨物圍護(hù)系統(tǒng)幾乎占據(jù)了所有在建的LNG船的市場，但是GTT No96型在船體建造工藝和要求尤其是加工精度與焊接等方面要比Mark Ⅲ型要求更高。

No96型圍護(hù)系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是主、次屏壁所采用的殷瓦鋼熱膨脹系數(shù)極低，比較容易實(shí)施自動焊接的方式；缺點(diǎn)是殷瓦鋼價格昂貴，焊接工藝要求嚴(yán)格、精度標(biāo)準(zhǔn)高并且其厚度較為薄。其中絕緣箱的制作與安裝、超薄殷瓦鋼的焊接與裝配、裝卸液貨用泵塔的制作與安裝又被譽(yù)為LNG船貨艙圍護(hù)系統(tǒng)的核心和難點(diǎn)。

本文對殷瓦特性及焊接相關(guān)操作進(jìn)行分析，著重研究焊接檢測部分的目檢、滲透和宏觀金相等的控制，詳細(xì)記錄各個工序，結(jié)合規(guī)范可為LNG船貨艙圍護(hù)系統(tǒng)殷瓦焊接檢測工藝操作提供參考。

1 殷瓦的特性及焊接方法

1.1 殷瓦的特性

(1)殷瓦可在超低溫的條件下保持良好的工作性能、較好的延展性和可焊接性，且再加工后不易被腐蝕。

(2)殷瓦熱膨脹系數(shù)小，強(qiáng)度和硬度不高，導(dǎo)熱系數(shù)低，塑性、韌性、延伸率、斷面收縮率及沖擊韌性都很高。

(3)殷瓦不能熱處理強(qiáng)化，其特性與奧氏體不銹鋼類似，但比奧氏體不銹鋼更難加工。

(4)切削加工中所需切削力大、切削溫度高，必須采用高性能刀具。

(5)殷瓦十分薄，極限厚度為0.5 mm，因此在焊接過程中需要精確控制焊接流程及熟練的焊接技巧，避免產(chǎn)生氧化或焊穿等現(xiàn)象。

1.2 殷瓦的焊接方法

No96薄膜型LNG貨艙圍護(hù)系統(tǒng)內(nèi)，殷瓦的焊接主要為手工焊和自動焊2種形式。手工焊采用手工氬弧焊(TIG焊)，自動焊有自動TIG焊和縫焊2種形式。

2 殷瓦焊接的檢驗(yàn)

No96型LNG船貨艙圍護(hù)系統(tǒng)的焊接整體性檢驗(yàn)包括目檢、滲透、宏觀金相、強(qiáng)度試驗(yàn)、支撐試驗(yàn)、氦氣試驗(yàn)、全船試驗(yàn)等，但針對殷瓦焊接接頭的檢測只有目檢、滲透和宏觀金相。

2.1 目檢

焊縫首先要進(jìn)行外觀檢測，其縱向成形波紋密度需均勻且保持良好的直線度。焊縫表面應(yīng)盡可能光順，從上方殷瓦板平順過渡至下方殷瓦板，背面不能有焊穿等缺陷。

2.2 滲透檢測

殷瓦試樣經(jīng)目檢合格后，進(jìn)行滲透檢測，以檢測表面是否有目檢不易檢測到的焊接缺陷。

2.3 宏觀金相

目檢和滲透檢測都合格的焊接試樣需要進(jìn)行宏觀金相觀察，根據(jù)焊縫成形要求判斷焊接接頭是否合格。在實(shí)際生產(chǎn)中，為確保焊接質(zhì)量，焊工通常需要焊接幾個試樣并進(jìn)行宏觀金相檢測，合格后方可進(jìn)行正式產(chǎn)品的焊接。

宏觀金相試樣制作完畢后必須進(jìn)行電子顯微鏡拍照、微觀電子測量、標(biāo)記尺寸等，最終形成宏觀金相照片。根據(jù)對接頭各部分測量的數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)要求數(shù)值進(jìn)行比較，全部測量數(shù)值在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)方可認(rèn)為焊接接頭合格。

2.4 金相試樣制作和觀察

2.4.1 金相試樣制備

(1)將需要進(jìn)行宏觀金相檢測的焊接接頭切割成10～15 mm寬、20～25 mm長的試樣，確保整個接頭焊縫端面位于試樣中央，然后打磨兩側(cè)端頭毛刺，將打磨好的樣品放入樹脂試樣鑲嵌機(jī)進(jìn)行鑲嵌，以增加試樣的體積便于樣品表面的拋光研磨。

鑲嵌完畢的試樣放在拋光機(jī)上進(jìn)行研磨拋光，確保焊縫切面研磨光亮。同一個鑲嵌試塊內(nèi)可鑲嵌多個試樣。

2.4.2 樣品酸蝕液的制定

試樣拋光研磨完畢后，需要對接頭拋光端面進(jìn)行酸蝕，觀察接頭端面熔合線。本文試驗(yàn)了2種酸蝕液，酸蝕液酸蝕端面速度越快，熔合線越明顯。

酸蝕配方①：50 ml的蒸餾水、50 ml 94%～95%溶度的工業(yè)酒精、50 ml的溶度最小為37%的鹽酸溶液、20克無水硫酸銅。

酸蝕配方②：50 ml的蒸餾水、50 ml 94%的高純度工業(yè)酒精、50 ml濃度為60%的硝酸。

經(jīng)過對酸蝕試樣的觀察，酸蝕配方①的效果明顯優(yōu)于酸蝕配方②，但酸蝕配方②的組成成分更容易取得。酸蝕液必須儲藏在深色避光密閉玻璃瓶中。配方中的成分比例取得約數(shù)值，如需更好的效果，需要對各成分的比例進(jìn)行微調(diào)。

2.4.3 試樣酸蝕觀察

(1)酸蝕試樣前先用94%～95%蒸餾水溶液清洗，去除焊接樣品表面的油脂，然后用干凈的干棉花球擦拭去除表面水分，防止影響酸蝕液的效果。

(2)用棉花球蘸取酸蝕液，將酸蝕液均勻地涂抹在金相試樣接頭的斷面上，大約過5 min后進(jìn)行觀察。如果一次沒有達(dá)到需要的酸蝕效果，就需要多做幾次。通常在20 ℃以下試驗(yàn)效果會比較好。

(3)用蒸餾水沖洗試樣，干燥后將試樣放在15～100倍的電子顯微鏡下觀察焊縫的幾何特征。測量時需要將電子顯微鏡連接到屏幕和打印機(jī)上，根據(jù)成形畫面測量數(shù)據(jù)。

2.5 試樣幾何數(shù)據(jù)分析

對電子顯微鏡下的試樣焊縫進(jìn)行幾何數(shù)據(jù)的測量后，將各部分的測量數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)給定的參數(shù)進(jìn)行對比，以判斷焊接接頭的成形是否合格。

2.5.1 殷瓦搭接接頭數(shù)據(jù)測量

搭接接頭測量的數(shù)據(jù)主要有板厚

e

、

e

，上板處焊縫成形弧度半徑

R

，焊縫在下板上的熔深

P

，熔寬

L

，其示意圖見圖1。

圖1 搭接接頭數(shù)據(jù)測量示意圖

不同的搭接方式，根據(jù)上下板厚的不同，熔深

P

和熔寬

L

的標(biāo)準(zhǔn)要求不同，見表1。

表1 搭接接頭測量標(biāo)準(zhǔn) 單位：mm

本文以1.5 mm No.11試樣與0.7 mm No.13試樣的殷瓦搭接為例進(jìn)行數(shù)據(jù)測量。

試驗(yàn)焊縫接頭測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表2。

2.5.2 殷瓦頂焊接頭數(shù)據(jù)測量

頂焊接頭測量的數(shù)據(jù)主要有外側(cè)板厚

e

、

e

，焊縫成形弧度半徑

R

，見圖2，測量標(biāo)準(zhǔn)見表3。

圖2 頂焊接頭數(shù)據(jù)測量示意圖

表2 1.5 mm與0.7 mm搭接接頭數(shù)據(jù)測量

表3 頂焊接頭測量標(biāo)準(zhǔn) 單位:mm

試驗(yàn)焊縫接頭測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表4。

3 結(jié)論

(1)檢測工藝的質(zhì)量很大程度決定焊接質(zhì)量的高低。為了使焊縫成形美觀、焊接接頭不發(fā)生焊接缺陷、焊接質(zhì)量優(yōu)良，就必須進(jìn)行嚴(yán)格的檢測。

(2)結(jié)合相關(guān)規(guī)范的要求，本文通過電子顯微鏡對焊接接頭熔敷金屬成型、深度及半徑的檢測辦法，判斷試樣是否符合殷瓦焊接標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 1.5 mm與1.5 mm頂焊接頭數(shù)據(jù)測量