鋁合金材料在船舶與海洋工程裝備中的應用

陳海杰

摘要：現(xiàn)階段，我國現(xiàn)代船舶和海洋工程領(lǐng)域發(fā)展比較迅速，鋁合金在船舶技術(shù)中的應用也不斷深入，鋁合金越來越受到人們的認可與青睞。在此背景下，本文首先對船用鋁合金的基本含義及其抗腐蝕性能的概述進行了細致地分析，接著系統(tǒng)闡述了鋁合金材料在船舶與海洋工程裝備中的具體應用，希望可以為我國相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展貢獻一份力量。

關(guān)鍵詞：鋁合金;船舶與海洋工程;具體應用

一、我國船用鋁合金的概述

船用鋁合金材料擁有優(yōu)異的抗腐蝕能力和可焊性等優(yōu)點，能夠滿足航海的特定要求。目前船用鋁合金材料一般使用鋁鎂合金、鋁鎂硅合金材料和鋁鋅鎂合金材料。其中，最常見的是硅鋁合金和鋁鋅鎂合金材料。但由于在一般狀況下，經(jīng)過焊接后的鋁合金的耐腐蝕性能往往會變差。而且，由于鋁鋅鎂和鋁鎂硅合金之間還有其他作用。所以，鋁鋅鎂合金材料也可使用于在焊后進行熱處理的工件上，而鋁鎂硅合金則大多用于型材。但因為在船舶上的工作環(huán)境相當特殊，對韌性和耐腐蝕性的要求都非常高，因此硬度更高的鋁合金材料很難同時具有上述特性。所以，鋁合金材料一般用作造船，使用中等硬度的鋁合金材料，不但具備了耐腐蝕性和一定的加工強度，同時，也可以全部由鋁合金材質(zhì)經(jīng)過加熱或焊接而成。另外，在造船中所用的鋁合金材料也可以按照功能劃分，可分為造船結(jié)構(gòu)用鋁合金和索具用鋁合金。用于造船結(jié)構(gòu)的鋁合金，主要有如下三類合金：5083、5086、5456，鋁合金系合金主要用于船舶的結(jié)構(gòu)制造但由于它易于被海水侵蝕。而七千系合金熱處理后的硬度和機械加工性能均優(yōu)于五千系合金，故大多用作擠壓構(gòu)件、裝甲板以及艦船上部構(gòu)件的耐應力腐蝕[1]。

二、鋁合金的抗腐蝕性能概述

海水與鋁合金之間會產(chǎn)生電流反應。其中，海水是最典型的電解質(zhì)水溶液。而鋁合金在海水中產(chǎn)生的侵蝕現(xiàn)象，其實就是一個電化學的侵蝕過程。鋁合金良好的抗腐蝕強度能主要是因為它表面金屬和空氣產(chǎn)生的鈍化膜的特性，有很高的自愈力。可以強制避免內(nèi)部金屬腐蝕，但海水中的氯化物離子也會破壞鈍化鋁合金層，從而產(chǎn)生孔蝕、剝落侵蝕、間隙腐蝕、晶間腐蝕、應力侵蝕等。經(jīng)有關(guān)的科學研究證明，海水中氯離子的腐蝕速率低于5000系鋁合金，而6000系鋁合金的耐腐蝕性能更好。

三、鋁合金材料在船舶與海洋工程裝備中的具體應用

（一）在民用船領(lǐng)域中的應用

鋁合金在造船業(yè)中的應用可以追溯到十九世紀后期，首先在歐洲和美國大量生產(chǎn)。但是，由于當時僅有少數(shù)鋁合金材料的高抗拉強度和耐腐蝕性還沒有占有一席之地，所以一直未能受到人們普遍的使用和關(guān)注。只是在冶金行業(yè)的迅速發(fā)展壯大以后，鋁合金材質(zhì)中耐蝕性最高的鋁鎂合金的存在，才受到了船舶工業(yè)的應有注意。而在二十世紀中葉，由于鋁合金材料在民用船舶上的運用也達到了相當?shù)母叨龋虼讼鄳匿X合金科技也獲得了相應的發(fā)展，如鋁合金板（5486-H32、5456-H32板）的合金系列應用五XXX系五千零五十四合金材料、鋁TIG焊技的發(fā)展，以及在二十世紀中后期隨著鋁及其合金產(chǎn)品價格的降低，市場對焊接技術(shù)興趣和鋁及其合金的其他性能。

（二）在工作船領(lǐng)域中的應用

和其他種類的船舶一樣，工作船舶也對鋁合金材質(zhì)提供了不同的條件，尤其是更長的使用壽命以及更少的維修成本。而鋁合金工作船舶的使用壽命則通常在數(shù)十年之間。因為它在海洋中的特性較差，所以不會遭受外力的傷害，也因此減少了工作船的維修成本。而至于已經(jīng)退役的工作船，這往往是由于制造和搬運技術(shù)比較落后和復雜。為了滿足新形勢下工作船舶的需要，并不是因為鋁合金的質(zhì)量。

（三）在LNG貨船上的應用

LNG貨輪主要用于液化天然氣的海上運輸，但因為天然氣運輸?shù)木嚯x需要完全為海上船只所包圍。因此在設計裝運天然氣或LNG的貨輪時，尤其是在天然氣儲罐的設計時，最宜采用中低溫比較。與金屬材料相比，質(zhì)量好的金屬材料和相對較大的耐腐蝕性和柔韌性好。但鋁合金材料的質(zhì)量卻很差。在較低溫情況下，鋁合金材料硬度更高[2]。

（五）海上直升機平臺的應用

建造海洋油氣鉆井平臺使用最普遍的建筑材料就是鋼鐵。因為鉆井平臺長時間裸露于海平面上，鋼鐵盡管十分耐久，但也存在著銹蝕等相關(guān)問題。在海洋石油勘探設施中，直升機停機坪也是十分關(guān)鍵的組成部分，可進行直升機起落等工作，是飛機與地面間聯(lián)絡的主要紐帶。但由于直升機體型比較笨重，對自身重量和結(jié)構(gòu)的剛度要求也比較高，而鋁制大型直升機甲板模塊則重量輕，結(jié)構(gòu)強度和剛度特點比較良好。鋁合金制大型的直升機平臺，包括副車架和安裝在副車架上的由鋁合金型料組拼而成的甲板單元。型料的縱向斷面近似于“工”結(jié)構(gòu)，在上部中央有一個帶肋的腔間，下面還有一個高度較低的地板面板。利用了鋁合金型材料的熱力學原理和抗彎強度原理，在滿足力學性能需要的同時減輕了墻體自重。此外，鋁合金大型直升機平臺在海洋環(huán)境中也更易于維護，其抗腐蝕強度特性更加優(yōu)異：由于使用了質(zhì)樸拼合結(jié)構(gòu)，無焊接的高溫影響區(qū)，可延長使用年限，并避免了損壞情況。

（六）在油氣開采鉆桿中的應用

在對海底石油進行開采過程中，通常會使用由鋁合金制作而成的鉆井設備。由于鉆井設備對海底石油資源的效率有非常重大的影響，而且由于海底石油開采條件十分惡劣，鉆井設備中鉆桿的維護較為困難。因此，采用鋁合金材料制作的鉆桿，可以延長鉆井設備的使用年限，并具有較強的抗沖擊能力、重量輕、扭矩大等眾多優(yōu)勢，在實際開采過程中能有效減少不必要的摩擦，也能夠在一定程度上在提高鉆井效率?？傮w來看，在海下石油資源開發(fā)中，可以充分體現(xiàn)鋁合金的功能和作用，其使用前景也不可估量。

（七）在船用港口中的應用

港口是停泊船只的主要地點，因而港口的材料需要具有較高的耐腐蝕強度、承載能力和剛度，而鋁合金材料將上述條件充分結(jié)合。所以，在碼頭中的舟橋、過道和跳臺跳水均可以用各種類型的鋁合金材料焊接而成，但尤其要注意的是在生產(chǎn)過程中不得對浮船塢道以及其他構(gòu)件進行化學噴漆。

結(jié)論：通過文章分析得知，由于對鋁合金材料的研發(fā)工作越來越多，因此鋁合金材料更多地被運用在了造船和海洋工業(yè)領(lǐng)域中，這也就表現(xiàn)出了它作為建材的重要意義。而作為建造船舶的主要建筑材料，它也為提升穩(wěn)定性和航速以及減少能耗提供了突出貢獻。在海洋工程領(lǐng)域，鋁合金建筑材料因其卓越的抗腐蝕強度能和特性，被廣泛應用于海洋基礎(chǔ)設施的建造。

參考文獻：

[1]謝光能.鋁合金在船舶和海洋工程中的有效應用[J].船舶物資與市場.2019（01）：90-93.

[2]劉繼鋒，郭亮，王宇.鋁合金在船舶工程中的應用實踐探微[J].中國金屬通報.2019（04）：356-359.