C型独立液货舱的制造与检验

2014-07-25蔡红玲

交通科技 2014年2期

蔡红玲

（中国船级社南京分社南京 210011）

C型独立液货舱系指符合受压容器标准的独立液货舱，其设计蒸气压力应按照《国际散装运输液化气体船舶构造与设备规则》（以下简称《规则》）［1］中的计算公式给出，设计压力通常为0.5～1.8MPa，主要应用于全压式和半冷半压式液化气船。它不构成船体结构的一部分，对船体强度不起作用，通常为圆柱形，为配合船型布置，也可设计为双体形、锥形、球形等。

鉴于液化气的可燃、有毒、腐蚀、化学反应、低温及高压等危险特性，《规则》和《散装运输液化气体船舶构造与设备规范》（以下简称《规范》）［2］中对C型独立液货舱在材料焊接、制造工艺、无损检测、密性试验与压力试验、应力消除等方面均进行了严格规定。此外，根据《规则》，C型独立液货舱应视为压力容器的一种，还应满足《规则》《规范》《材料与焊接规范》［3］（以下简称《材料规范》）中关于压力容器的相关要求。本文结合某半冷半压式液货舱的建造检验工作，就液货舱材料焊接、制造工艺、无损检测、密性试验与压力试验、应力消除等方面，对应《规则》《规范》《材料规范》的相关要求进行探讨。

1 材料与焊接

1.1 材料

《规则》鉴于液化气的危险特性，根据不同设计温度对独立液舱材料的化学成分和力学性能提出了明确要求，同时，明确提出主管机关也可以接受化学成分或力学性能与规定不同的材料。如采用非常规材料，通常的做法是在参考现有产品基础上，对液货系统工作原理、设计方案以及选材进行综合评审。目前国内建造的液舱多使用进口锰钢，如13MnNi6。

1.2 焊接

（1）焊接工艺。在液舱制造前须进行板材的焊接工艺认可评定，主要包括以下内容：①焊缝横向拉力试验；②熔敷金属拉力试验；③焊缝横向弯曲试验；④焊缝纵向拉力试验；⑤V形缺口冲击试验，焊接规范外的材料，试验温度参考载运液化气的技术资料；⑥主管机关可要求对焊缝进行宏观断面、微观断面以及硬度测定的检验。

（2）焊缝试验。除焊接工艺认可评定外，还要对液舱焊缝进行产品焊缝试验。通常按每50 m对接焊缝进行一次产品焊缝试验，且能代表各个焊接位置。试验内容包括：弯曲试验，必要时还应进行冲击试验；焊缝横向拉力、纵向拉力试验。环缝一般可不需焊制试样，但如筒体上仅有环缝或环缝与纵缝所采用的工艺差别较大时，则应焊制环缝模拟试件。通常，产品焊缝试样在制作时，要求与同位置液舱焊缝由同一焊工，在同一时间段进行施焊。

2 无损检测

在无损检测方面，对液舱焊缝的要求要比船体焊缝的要求高得多：对接焊缝100%进行射线检查；对所有焊缝的10%及开孔和喷管等周围加强环的100%进行表面裂纹检查。如经主管机关特别认可，可以超声波检查代替部分射线检查。此外，主管机关可要求对开孔和喷管周围的加强环焊缝进行全部超声波检查。

如主管机关在考虑了诸如所使用的材料、设计温度、材料制造时的韧性转变温度、接头形式和焊接方法等因素，可以接受略小于上述要求的局部无损探伤试验：在对接焊缝全长度上均匀选取至少10%的长度和所有焊接交叉处的接头进行射线检查；开孔、喷管等周围加强环焊缝的100%进行表面裂纹检查。但在这种情况下，所采用的焊接有效系数应不大于0.85。

在进行表面裂纹检查时，优先采用磁粉检测（MT），当焊缝位置、材料等客观条件导致不宜使用MT时，也可以使用渗透检测（PT）代替，除此以外要求所有焊缝100%超声波检测（UT）。

另外，如在壳体外焊接一些支撑结构，其与壳体的周焊缝应进行100%表面裂纹检查，以防止表面裂纹的存在导致壳体的损坏。

与此同时，独立液舱制造亦需兼顾压力容器的标准，其焊缝的无损检测验收标准见表1。

表1 焊缝的无损检测验收标准

3 制造与工艺

3.1 加工工艺

建造过程中，板材处理需要注意以下几点：

（1）所有液舱用板在套料前均需进行100%UT检测。

（2）液舱壳体和端板应采用机械冷加工或热加工成形，不应采用锤击成形。不论加热与否，成形工艺不应损坏壳体材料的材质。

（3）成形后应考虑适当消除应力的热处理，此项热处理可结合焊后热处理一起进行。

如筒体内径与壁厚比大于或等于20，可不必进行热处理。

3.2 拼接工艺

（1）柱形受压壳体对接焊缝的两板面之间，于任何一点上的错边应不大于板厚的10%，且对纵缝应不超过3mm，对环缝应不超过4mm。

（2）球形受压壳体和柱形受压壳体封头接头处对接焊缝的两板面之间，于任何一点上的错边应不大于板厚的10%，且应不超过3mm。

（3）如壳体纵向系由不同厚度的板制成时，则应使其各自板厚的中心线形成一个连续的圆。对于环缝，如整个周向板厚的厚度差是相等的，则较厚板的边缘应以机加工削斜，斜边的宽度不小于厚度差的4倍，使2板边沿在环缝处具有相等的厚度。如半球形封头与筒体对接焊时，则筒体部分应削斜过渡至端板，并使筒体的削斜部分和焊缝成为半球形封头的一个环段。如半球形封头留有直边与筒体对接焊时，则直边部分的厚度应不小于无缝筒体或焊接筒体所要求的厚度。扁球形或椭球形封头和筒体壳板连接时，封头和筒体沿整个圆周的厚度差均相同时，则较厚的板应削斜，削斜的长度不小于厚度差的4倍，使封头和筒体在圆周接缝处厚度相等。厚度经削斜后再削斜的末端和焊缝坡口之间可留有平直部分，但也可以将焊缝坡口作为削斜长度的一部分。在周向焊缝处的板厚，在任何情况下，应不小于相同直径和材料的筒体所要求的厚度。当焊缝宽度足以使焊缝表面形成上述规定的斜面过渡时，母材表面允许不进行削斜处理。

4 偏差控制

除以上注意事项外，还应严格控制下列制造和工艺质量的偏差，这些偏差都与IGC规则要求的屈曲分析有关。

（1）受压筒体在制造完工、最终热处理前及后应检查其筒体不圆度和外形尺寸等局部偏差。筒体不圆度是指在同一截面上所测得的最大和最小的内径相差值。

（2）在测量筒体不圆度时，允许将筒体平放或竖放。平放测量时，应将筒体绕其纵轴转动，每90°测量直径1次，每一直径2次测得的值应加以平均，然后求得该筒体的不圆度数值。

（3）筒体外形轮廓偏差（局部不圆度）是以具有理论轮廓的设计型线量规测得的筒体实际轮廓与理论轮廓的偏差。测量时，用量规在内侧或外侧测量与筒体实际轮廓的差值。测量所用的设计型线量规的弦长等于筒体名义内径的1／4。受压容器外形轮廓偏差和筒体不圆度均应符合表2的规定。

表2 筒体不圆度偏差

（4）受压筒体焊接后实际的外部周长和计算的理论周长的偏差值应不大于表3的规定。

表3 筒体外周长偏差

5 密性与压力试验

（1）当液舱制造完成后，应对其进行水压试验，试验时在液舱顶测得的压力应不小于1.5倍设计蒸气压力，但在压力试验期间的任何情况下，对任意点计算所得的主膜应力不超过材料屈服应力的90%。为了确保满足上述条件，若计算表明主膜应力超过屈服强度的75%，则在原型试验时，应采用应变仪或其他合适的设备加以监测，但对简单的圆柱型或球型的受压容器可予除外。

（2）试验时所采用的水温至少应比所有材料的韧性转变温度高出30℃。

（3）每25mm厚度，压力应保持为2h，但在任何情况下不得少于2h。

（4）如为货物压力容器所需，并经主管机关认可，可在上述条件下进行水压－气动试验。

（5）采用较高许用压力液货舱的试验，主管机关将根据其工作温度可予以特别考虑。但（1）的压力要求应完全满足。

（6）在装配和完工后，应对每一液货舱及有关的附件进行适当的密性试验。

考虑到施工的便利性，通常液货舱的压力试验不会在罐体吊装后进行，而是在建造场地独立于船体进行，在进行试验时，应采用鞍座类似结构进行支持，以模拟液货舱实际工况中所受载荷情况。试验后需要使用压缩空气对液舱进行干燥。

6 密性试验

所有液货舱都必须进行密性试验，对此种试验可以与之前提到的压力试验一起进行，或单独进行。液货舱密性试验的相关要求与船体舱室密性试验一样。

7 应力消除

对于用碳钢和碳锰钢制造的C型独立液货舱，如设计温度低于－10℃，则应在焊接后进行消除应力的焊后热处理。但对用碳钢和碳锰钢制成的大型受压容器进行热处理有困难时，在下列条件下，可以采用充压方法进行机械应力消除，以替代热处理。

（1）对于受压容器的复杂焊接部件，如带有喷管的贮槽或气室同其相邻的壳板，应在将其焊到受压容器的更大部件上之前进行热处理。

（2）对于机械应力消除方法，最后应在规则要求的静水压力试验期间采用施加一个高于本规则所要求的试验压力的方式进行，加压的介质应是水。

（3）水温可采用上述压力试验要求的温度。

（4）当液货舱由常规鞍座或支承结构支持时，应对其进行应力消除。当不能在船上对其进行应力消除时，液货舱的支持方式应能达到与常规鞍座或支承结构支持时同样的应力和应力分布。

（5）每25mm厚度，应保持最大应力消除的压力为2h，但在任何情况下均不能少于2h。

（6）试验程度应证明：在应力消除过程结束后，当压力再次升高到设计压力时，在压力和应变之间应达到一种线性关系。

（7）在进行了机械应力消除后，应采用着色渗透活磁粉检测对几何形状不连续处（如喷管和其他开口）的高应力区域进行裂纹的检查。应特别注意厚度超过30mm的板材。

（8）对屈服应力与极限抗拉强度之比大于0.8的钢材，通常不进行机械应力消除。如果采用一种提高钢材延展性的方法，以提高钢材屈服应力，则考虑具体情况后可接受略高的比值。

（9）如果冷成形度超出要求作热处理的限度，则不能用对液货舱冷成形部件的机械应力消除代替热处理。

（10）液货舱壳板封头的厚度不超过40mm。如对部件进行热应力消除，则可接受较高的厚度。

（11）当液货舱和气室的封头为准球形时，应特别注意防止局部屈曲。

（12）应预先将机械应力消除程序提交船级社认可。

根据《规范》要求，用碳钢和碳锰钢以外材料的C型独立液货舱焊后也应进行热处理。

除以上要求外，如所运载货品的温度在－10℃以下，则应设置适当的绝热层，以确保船体结构温度不会降到低于《规则》对有关钢级规定的最低许用设计温度。《规则》要求保温材料应能适应相邻结构可能施加的载荷，并且根据所处位置或环境条件的不同，保温材料应具有适当的防火和阻燃性，同时应受到足够保护，以防止水蒸气的渗透和机械损伤。《规范》则明确要求位于惰化处所的保温材料可以不要求防火性，但位于开敞环境或非惰化处所的保温材料应有适当的耐火性能和阻燃性，并且在所有保温材料外表面均应覆盖具有适当低火焰传播特性的材料。