探讨铝合金在船舶与海洋工程中的应用

缪朱尧?戴鹏鹏?孙靖

摘要：铝合金具有质量轻、耐腐性强、强度高等优点，被广泛应用在船舶及海洋工程中，极大的推动了船舶及海洋工程的快速发展，有关铝合金的在该领域中的应用研究受到越来越多人的关注。本文对船用铝合金的特性进行分析，并对其船舶及海洋工程中的应用进行探讨，以供参考。

关键词：船舶海洋；铝合金；应用探讨

船舶制造质量及性能受多种因素影响，其中制造所用材料性能给船舶制造质量造成的影响最为显著，因此，选择制造材料时既要考虑耐腐蚀性，又要考虑质量问题，尤其降低船舶自身重量，可有效提高船舶速度，降低能耗，成为当前船舶制造业研究的重点。铝合金具有质量轻、强度高、耐腐性强等优点，符合造船业发展要求，近年来在船舶及海洋工业中应用广泛，并取得了良好效果。

1 船用铝合金概述

船用铝合金具有良好的耐腐蚀性、可焊接性和强度，才能适应航海过程中的特殊环境。船用铝合金普遍选用铝-镁系合金、铝-镁-硅系合金和铝-锌-镁系合金，其中，铝-镁系合金在的应用最为广泛；而焊接后的铝-锌-镁系和铝-镁-硅系合金强度明显降低，并且铝-锌-镁系合金焊接后的耐腐蚀性也差，导致这两种铝合金的应用受到了限制。另外，铝-锌-镁系和铝-镁-硅系合金也有其他的用途，如铝-锌-镁系合金可用于焊后可热处理的构件，铝-镁-硅系合金主要被用作型材等。船舶的工作环境相比之下较为特殊，需要同时兼具强度、韧性、抗冲击性质以及耐腐蚀性等多种因素，而强度较高的铝合金通常难以兼具这些性质，因此船舶用铝合金通常使用中等强度的铝合金，这种铝合金不仅兼具耐腐蚀性和一定的强度，同时还是可焊接铝合金。另外，船舶用铝合金按照用途来分，可以分为船体结构用铝合金和舾裝用铝合金两种，船体结构上用的铝合金主要是5083、5086和5456这三种合金，6000系的铝合金主要应用于船舶的上部结构，因为其容易被海水腐蚀。7000系合金热处理后的强度和工艺性能比5000系合金还要优越，主要用于舰艇上层结构，如压挤结构、装甲板等，但是7000合金的缺点是抗应力腐蚀性能差。

2 船用铝合金的优点

铝合金具有比重和弹性模量小、耐腐蚀、可焊接、易加工、无磁性和低温性能好等特点，用于船舶中具有如下优点：（1）由于其比重小，因而可减轻船重，可减小发动机单机容量，可增加速度；可减少燃料耗费，节约燃油；可以改善船的长宽比，增加稳定性，使船易于操纵；还可以增加载重量，获得额外利润。（2）由于抗腐蚀性能好，能减少涂油等维修费用，可延长使用年限（通常在20年以上）。（3）加工成形性能好，易于进行切割、冲压、冷弯、成形和切削等各种形式的加工，适合船体的流线化；可挤压出大型宽幅薄壁型材，减少焊缝数和使船体结构合理化和轻量化。（4）焊接性能好，能较容易地进行焊接。（5）弹性模量小，吸收冲击应力的能力大，有较大的安全性。（6）铝废料容易回收，可以循环使用。（7）无低温脆性，最适合做低温设备。（8）由于非磁性，罗盘不受影响；全铝船可以避免水雷攻击，适合作扫雷艇。（9）没有虫害和干燥变形；不燃烧，遇火灾较安全。

3 铝合金在船舶与海洋工程中的应用

近几年内，我国越来越重视海洋科学技术的发展以及海洋的经营与建设。另外，由于材料在装备制造业的发展过程中发挥着十分重要的作用，因此，铝合金开始广泛地应用在海洋工程中。

3.1 铝合金在海上直升机平台的应用

海上石油钻井平台采用钢作为主要结构材料，因长期暴露于海洋环境中，钢虽然有较高的强度，但也面临着锈蚀、使用寿命短等一系列问题。在海上重要的油气资源开发的基础设施中，直升机停机坪是非常组成部分，它用于直升机的起降，是与陆地保持联系的重要纽带。由于其体积庞大，还应有自重、结构刚度等方面的要求，铝制直升机甲板模块自重轻、强度和刚度好而被广泛应用。铝合金直升机平台包括底架和固定于底架上的由铝合金型材拼接而成的甲板块，型材截面类似于“工”字，在上底板和下底板之间设置有带筋板空腔。利用了力学原理和铝合金型材的抗弯强度，满足性能要求的同时，减轻了自重。另外，在海洋环境下，采用铝合金直升机平台易维护，耐蚀性较好；采用型材拼接方式，免于焊接，无焊接热影响区，可延长使用寿命，避免失效。

3.2 铝合金在LNG（液化天然气）货船上的应用

随着海上油气资源的不断开发，全世界范围内主要的天然气供应地区和需求地区距离遥远，又往往有大洋相隔，所以目前液化天然气的输送多以远洋船运为主。在LNG船储存罐的设计中，需要低温性能好的金属，而且还应具有一定的强度和韧性。铝合金材料的强度在低温下反而比常温下的高，并且铝合金质量轻，在海洋气氛下耐腐蚀，是在低温情况下使用的理想材料。在LNG船舶和LNG储罐的制造中也大量选用了5083铝合金，尤其是液化天然气最大的进口国日本，从20世纪50年代和60年代建造了一系列LNG储罐和运输船，其中有主体壁结构完全是5083铝合金的LNG储罐，大多数铝合金因为其特有的自重轻和耐腐蚀性成为储罐顶部结构的重要材料。目前，全球只有很少的几个公司可以生产LNG运输船储罐用低温铝材，日本研制的5083铝合金160mm特厚板，具有良好的低温韧性和疲劳抗性。

3.3 铝合金在民用船领域中的应用

从19世纪80年代开始，铝合金就开始应用在了民用船领域当中，其中，由瑞士的EcherWyss公司所研制的湖上全铝汽艇能够容纳8人。然而，由于当时所使用的铝合金不具有较强的耐腐蚀性，因此，造船业在铝合金的应用方面并没有获取到较好的效果。一直到20世纪30年代之后，随着冶金工业的快速发展，铝合金在造船领域中的应用价值才有所提高，基于此，耐腐蚀性较强的铝镁系合金和6061-T6合金应运而生。20世纪50～60年代，铝合金开始广泛应用在造船业领域当中，在此过程当中，最具有代表性的成就是铝-TIG焊接技术的发展、5486-H32和5456-H32铝合金板材的开发以及全铝铆接结构水翼艇的制成。20世纪的70～80年代，由于受到了多方面因素的影响，铝合金在造船领域中的应用迎来了一个全新的时期。与此同时，不同型号的铝合金游艇也相继被制成。

3.4 铝合金在军事艇领域中的应用

船舶制造的设计遵循结构趋于轻型的理念，人们广泛认为轻型的船舶结构在控制船速、操作精密性、制作成本方面有很大的优势，能够最大程度地减少消耗，延长船舶的行驶里程。铝合金能很好地满足船舶的轻量化要求，因此在军事舰艇领域得到了广泛的应用，由此完成突击或搜救等任务，维护航海安全。其中，美军对铝合金军事艇的使用是最为广泛的，目前军事艇技术主要包括快速攻击艇、辅助性军事飞艇、巡逻艇等。

4 结语

铝合金除应用在船舶制造中，在海洋工程中的应用较为广泛，尤其国家将海洋的经营、建设提升至国家战略高度，铝合金在海洋工程的应用提升到新的高度，其中在船舶及海洋工程中国的应用优势得以充分显现，极大的推动了船舶及海洋工程的蓬勃发展，因此，加强铝合金在船舶及海洋工程中的应用研究，具有重要的现实意义。

参考文献：

[1] 王芳.铝合金船舶制造的未来[J].中国报道，2016（12）.

[2] 何健伟，王祝堂.船舶舰艇用铝及铝合金[J].轻合金加工技术，2015（09）2.

（作者单位：江苏新扬子造船有限公司）