LNG船货舱专用小螺柱焊机国产化选型及应用

翁红兵，金戈天，王 森

（沪东中华造船（集团）有限公司，上海 200129）

LNG船货舱专用小螺柱焊机国产化选型及应用

翁红兵，金戈天，王 森

（沪东中华造船（集团）有限公司，上海 200129）

为降低生产成本，实现液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）船相关设备国产化，对沪东中华造船（集团）有限公司原有的进口螺柱焊机进行分析研究。按照 GTT公司的标准规范选取国产品牌焊机，进行一系列的焊接试验及标准检验。通过试验及检验，最终选定可满足LNG船货舱围护系统实船生产的一型国产螺柱焊机。

LNG船；小螺柱焊机；选型

0 引 言

当前全球LNG船液货舱货物围护系统按设计理念主要分为GTT型、MOSS型和SPB型等3种[1]。目前，沪东中华造船（集团）有限公司（以下简称沪东中华）承建的LNG船均采用GTT NO 96型围护系统。

GTT NO 96型围护系统为法国GTT公司（以下简称GTT）研发的薄膜型围护系统。该型围护系统主要由双层船壳、主屏壁、主绝缘层、次屏壁和次绝缘层组成。主屏壁和次屏壁均采用 0.7mm厚的殷瓦钢（INVAR），隔热材料为充填珍珠岩的层压板绝缘箱。次绝缘层的绝缘箱与货舱内壁之间主要采用基座和螺柱2种方式固定。沪东中华承建的某LNG船单船的次绝缘层绝缘箱共计31786个，其中有2758个需由螺柱固定。将材质为耐低温不锈钢的小螺柱连接件焊接到船体液货舱的各个舱壁面上的焊接方式属于电弧焊，必须使用专门的小螺柱焊机。

国内LNG船上专用的螺柱焊机曾均从国外进口，当设备损坏后需送至国外原厂家进行维修，不仅周期长，而且维修费用高。为节约成本，沪东中华不断尝试进行LNG 船专用螺柱焊机的国产化选型和应用工作。

1 国产螺柱焊机的选型

焊接质量好、成本低和效率高是设备选型考虑的基本要素。国产螺柱焊机的最大额定焊接电流达3150A，可焊φ30mm的栓钉，性能居世界前列[2]。

电弧螺柱焊的设备由焊枪、时间控制器和电源等组成（见图1），专用焊机常把电源和时间控制器组成一体。电弧螺柱焊对电源有以下要求：

1 ) 需为直流电源，以获得稳定的电弧；

2 ) 有较高的空载电压，为70～100V；

3 ) 具有陡降的外特性；

4 ) 能在短时间内输出大电流并迅速达到设定值。

同时，配备时间控制箱，进行电流的通断、引弧和燃弧时间的有效控制，使负载持续率较低而输出电流较高。

在使用小螺柱焊机焊接φ8mm×100mm不锈钢的小螺柱时，一般选用板厚≥16mm的E级碳钢Q235作为母材。涉及的参数主要有焊接电流、焊接电压、焊接时间、提升高度、伸出长度和插入速度等。按照 GTT标准规范（External document N°1096），在专用LNG船的焊接工艺参数中，只需对焊接时间和焊接电流进行工艺评定。

获得优质的电弧螺柱焊接头的基本条件是输入足够的能量，而这个能量的大小取决于螺柱的横截面积。输入焊接区的总能量与焊接电流、电弧电压及燃弧时间有关，其中电弧电压的大小取决于电弧长度或螺柱焊枪调定的提升高度。当提升高度确定之后，电弧能量就由焊接电流和焊接时间来决定。

对照进口焊机，沪东中华选定了一型外观与其相似的国产螺柱焊机，两种焊机的原理相近，均采用先进的逆变换技术，但所设定的参考恒定值有所不同（见表1）。逆变焊机的控制频率可达到20000次/s以上，性能非常优越[3]。国产焊机体积相对紧凑，质量＜30kg，且比进口焊机轻便可靠、便推性强，仅需 1个人就可完成LNG船液货舱内各个位置的焊接操作。

表1 进口焊机与国产焊机的技术参数对比

沪东中华选用的国产化焊机是电弧螺柱半自动专用焊，其将时间控制器安置在电源内，与电源组成一体，采用一次性陶质套圈。焊枪上可调的参数有螺柱提升高度、螺柱外伸长度和螺柱与套圈夹头的同轴度等。螺柱提升通过电磁线圈实现；弹簧可将螺柱压入到溶池内完成焊接。然而，国外品牌设备预设提升高度和升出长度（均为2mm），焊接电流、焊接电压及焊接时间均可调。

对于该型国产螺柱焊机，为减缓螺柱压入速度，减少焊接飞溅，保证焊接的质量和外观，沪东中华要求设备厂商对该型焊机的焊枪加装阻尼机构，对电源的相关参数进行试验后再加以设定，避免熔池内的熔融金属饱满度缺失而使强度减弱。经过多次焊接试验，最终确定该型国产螺柱焊机在技术上要满足 LNG船液货舱围护系统的焊接参数，内定输出电流值为固定值 750A，焊接电压也是固定值。只需调整焊接时间、提升高度和伸出长度等参数，并将试验通过的焊接时间设定为230ms，可满足实船生产需求。

该型国产螺柱焊机的价格相比进口螺柱焊机下降幅度较大。从采购成本的角度考虑，选用该型国产螺柱焊机对提升沪东中华的成本竞争力效果明显。

2 GTT认证过程

在进行LNG船实船生产之前，任何应用于LNG船液货舱货物围护系统的设备都要得到法国GTT及相关船级社的认可，并依据GTT规范进行相关的试验和认证。对于螺柱焊机而言，设备鉴定及焊工考证2个方面的工作可同时进行，此处详述设备鉴定工作。首先需明确在LNG船上进行生产的过程中螺柱焊机的使用范围，按 GTT制定的标准进行试样试验；然后将试验结果与标准进行对照，并确认符合度；最后在得到GTT及相关船级社的认可之后，方能在实船建造过程中将其应用于相关部位。

GTT对螺柱焊接试验有以下要求：

1 ) 明确使用范围。螺柱焊机用来将不锈钢小螺柱焊接在横向环及纵向二面角区域的碳素结构钢船体上。

2 ) 预备性试验。首先是WPQT试验焊接参数的确定，根据螺柱焊接标准确定螺柱焊机WPQT试验的焊接参数，选择在厚度≥16mm的船体碳素结构钢试板上进行WPQT试验。此外，要对焊接试样进行平、立和仰等3个位置的焊接，每个位置使用1块试板并焊接10个小螺柱，相邻螺柱的间距为50mm，使用的焊接参数需得到GTT及相关船级社的认可。

3 ) 焊接试板的选择。根据GTT规范的要求，选取3块尺寸为250mm×100mm×16mm的试板及30个试验所需的小螺柱。

4 ) 外观检验。对所有焊接的小螺柱的焊缝进行外观检验，要求小螺柱焊接后的垂直度好、焊缝均匀且饱满，没有焊缝咬边及金属未熔合等现象。

5 ) 敲击试验。使用未焊的小螺柱对所有焊接的小螺柱进行敲击试验，要求声音清脆、悠扬，若声音中空、沉闷，或有杂音，则证明该螺柱的焊接质量不过关，需移除并重新焊接。

6 ) 拉力试验。对每个位置选取5个焊接好的小螺柱（共计15个）进行拉力试验，试验使用专用的拉力试验仪器，每个小螺柱需承受4.41kN的拉力并持续20s，确保小螺柱的焊缝没有遭到破坏。若试验过程中有小螺柱被拉断，则证明该螺柱的焊接质量不过关。

7 ) 弯曲试验。对每个位置另外选取5个焊接好的小螺柱（共计15个）进行弯曲试验，试验仅需使用一根长管，将其套在试验的螺柱上，用力将其压弯，弯曲后的小螺柱的焊缝应保持完好，没有遭到破坏。若出现裂纹等缺陷，则证明该螺柱的焊接质量不过关。

8 ) 硬度试验。对每个位置选取5个进行过拉力试验的小螺柱（共计15个）进行硬度试验，试验需在专业的实验室使用专业的仪器进行，要求焊接热影响区的最大维氏硬度值≤350Vickers，并出具硬度试验报告。

9 ) 每日测试。按实际生产时过程控制的每日测试内容进行，每块试样焊接4个螺柱，进行外观检验、声音检验、拉力试验（2个）及弯曲试验（2个）。

按上述步骤对沪东中华选定的国产螺柱焊机进行焊接试验，结果表明所有指标均能满足 GTT规范的要求（见表2）。

在 GTT驻厂专家进行现场认证之后，该国产螺柱焊机获得了其最终认可。该型国产化小螺柱焊机及焊接人员相应得到了 GTT及相关船级社的认可，并获得了设备鉴定及焊工考核认证证书。因此，该型国产化设备完全适用于LNG船液货舱的实船生产。

表2 国产螺柱焊机WPQT预备性试验最终结果

3 与进口焊机的优缺点对比

进口焊机是针对LNG船专用工况设计的专用机，只能应用于LNG船的建造，无法在其他工况下使用；此外，该进口焊机出现故障后无法得到及时修理，且修理周期长、修理成本高，船厂生产易受该因素的影响。然而，其焊接质量稳定、缺陷率低。

选用的国产焊机的采购成本和维修成本均较低，售后服务及时且容易修复，但需经过大量的实船试验进行改进，最终使国产焊机的整体性能逐步追赶甚至超过进口焊机。此外，国产焊机的焊枪设计并不过于死板，可通过其他局部调节适用于更多其他规格的螺柱焊接，通用性较好[4]。

在最初的焊接过程中，国产焊机的成功率偏低，主要表现在：焊缝成型不好、飞溅大；立面、上斜面和下斜面经常出现焊缝不完整、焊缝不能将螺柱整体包围起来的现象。经过长期的数据收集及分析发现，这主要是由以下2方面的原因造成的：

1 ) 焊枪的构造，国产焊枪没有阻尼系统，在焊接过程中，焊枪提拉时枪头提拉动作过快，铁水还未形成熔池就已散开，无法形成良好的焊缝；

2 ) 焊枪的导电枪芯用的是铁质材质，导致焊接过程中形成磁场，进而使铁水发生不规则的流动而无法形成良好的焊缝。

4 优化改进

为改进不足，进一步提高该型螺柱焊机的性能指标，沪东中华在与设备厂商进行多次探讨和研究之后，对该型螺柱焊机作以下优化设计：

1 ) 将阻尼装置安装在焊枪上，使得焊接过程中焊枪枪头在提拉时可缓缓复位，这样可使铁水有充分的时间填满熔池，形成均匀而饱满的焊缝；

2 ) 将焊枪的导电铁芯更换为铜合金材质（使用铜合金材质不会在焊接过程中产生磁场），这样可保证焊接熔池中的铁水可围绕焊接中心点形成均匀的焊缝，包括难度最大的上斜面位置的焊接。

同时，螺柱焊接的质量与焊工操作有着重要的关系。螺柱焊接的装配位置极为讲究，尤其是螺柱与母材的垂直度，但由于在实船焊接过程中有平、立、仰、上斜和下斜等5种焊接位置，在实船焊接时掌握好垂直的角度需依靠大量的经验[5]。LNG船配备有培训工场，可模拟实船各个位置的焊接，只有完成培训并考核通过以后的焊工才能在实船上进行焊接。设备鉴定、考核取证、焊工复证及每日测试过程控制等均在培训工场完成。

设备改进以后，按照GTT的规定进行一段时间的每日试验，试验合格率由58%提高到96%，较进口设备的产品合格率85%提高11%。生产效率的提高使得该型国产螺柱焊机的焊接负载持续率高达35%，大大缩短了焊机使用的时间间隔，从而增加了单位工作时间的焊接数量，提高了生产效率。

5 结 语

LNG船液货舱围护系统小螺柱焊机国产化工作的顺利推进不仅节省了设备的采购成本及维修成本，而且大大降低了设备故障等给实船生产造成的负面影响，缩短了采购及制造周期，同时对LNG船其他设备的国产化工作起到了积极的促进作用。

[1] 谷运飞，陈熙，王亮，等.薄膜型 LNG 货物围护系统模拟舱的建造关键技术[J].船舶与海洋工程，2015, 32 (6): 62-63.

[2] 张瑞昌，黄贤聪.螺柱焊机及其焊接工艺的研究（下）[J].机械工人（热加工），2014 (11): 40-42.

[3] 黄石生，陆沛涛，李阳，等.逆变焊机的应用与发展现状、趋向、问题及对策[J].电焊机，2000 (8): 11-12.

[4] 张逸，李洪文.国内外螺柱焊接的发展趋势[J].焊接，1999 (11): 8-11.

[5] 李福昌，詹全军.浅谈LNG船绝缘箱制造及安装的标准需求[J].船舶标准化与质量，2007 (11): 22-24.

Selection and Application of Chinese Branded Small Stud Welding Machine for the Cargo Tank Construction of LNG Carrier

WENG Hong-bing，JIN Ge-tian，WANG Sen

（Hudong-Zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China）

In order to reduce the construction cost and to realize the localized supply of equipment for the construction of Liquefied Natural Gas (LNG) carrier, Hudong-Zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd.analyzes and investigates the function of the imported stud welding machines to select a welding machine made in China according to the GTT standards.After a series of welding tests and verifications, a Chinese branded stud welding machine is chosen, which meets the actual shipbuilding requirements of the cargo containment system of LNG carrier.

LNG carrier; stud welding machine; brand selection

U674.13+3.3；TG434

B

2095-4069 (2017) 04-0073-05

10.14056/j.cnki.naoe.2017.04.015

2017-06-16

翁红兵，男，高级工程师，1973年生。1997年毕业于哈尔滨工程大学船舶工程专业，现从事造船生产管理工作。