铝合金在船舶工程中的应用实践探微

2019-07-29刘继锋

中国金属通报 2019年4期

刘继锋，郭亮，王宇

（太重（天津）滨海重型机械有限公司，天津 300000）

我国造船业不断发展，开始注重船舶的轻量化，而船舶工程对于材料具有严格的要求，而铝合金具有高韧性和抗腐蚀性等优势，可以建造符合重量要求的船型。在船舶工程当中利用铝合金，可以减轻船舶的重量，进一步提升船速，节约燃料，增强船舶运行的稳定性，同时可以更加简易的操作船舶，还可以增强船舶的抗冲击能力。因此铝合金在船舶工程当中具有巨大的发展空间。

1 概述铝合金在船舶工程中的应用和特性

1.1 船舶铝合金的应用

船舶工程当中利用的铝合金主要是Al-Mg-Si系和Al-Mg系，根据具体应用位置划分为上层舾装铝合金和船体结构用铝合金，其中舾装包括桅杆和舷窗以及烟囱等，船体结构包括各班和肋板以及船底外板等。船舶上层结构的舷窗利用6063铝合金，桅杆和舷梯主要利用6063和6061铝合金型材。对于6061-T6铝合金进行疲劳试验，以下就是应力-寿命曲线（S-N曲线），可以明确6061-T6铝合金对于裂纹非常敏感，其疲劳特性依赖于加载应力幅值[1-5]。

图1 6061-T6铝合金S-N曲线

此外为了在船舶工程当中更好的利用铝合金材料，不仅可以利用优质铝合金材料，还要加强考虑铝合金焊接质量，因为船舶的工作环境比较特殊，因此具有较高的焊接质量。首先需要试验不同铝合金材料，确定最佳焊接参数，其次派遣专业技术人员按照规范完成焊接工作，尤其要谨慎完成焊接头位置的工作，提高焊接质量，保障焊接参数可以符合工程附件要求。最后要注重检查焊接质量，如果发现了焊接问题，就要立即采取措施解决，消灭工程隐患，充分发挥出船舶的性能。

1.2 船舶铝合金的特性

因为船舶使用环境比较特殊，因此对于铝合金应用提出较高的要求，例如要求铝合金的抗冲击和抗疲劳以及力学强度等都要符合要求。铝合金具有较高的强度，因此很难统一铝合金的耐腐蚀性和可焊接性，因此通常都是选择中等强度的铝合金，可以实现铝合金的焊接。为了满足船舶工程要求，需要不断提高铝合金的耐腐蚀性。针对Al-Mg合金，如果Mg含量在3%以内，就会导致铝合金剥落，此外因为其腐蚀敏感性比较差，如果Mg含量在3%以上，在晶面就会产生网状组织，在腐蚀过程中发挥出阳极的作用，首先就会被腐蚀，极大程度的提高铝合金的腐蚀敏感性。要想使铝合金的抗腐蚀性不断提高，会利用表面处理和防腐涂层以及阴极保护等技术。船舶工程当中的铝合金保护电位在-1.3～0.7v范围内，可以发挥良好的抗腐蚀性，同时也可以避免发生氢脆和应力腐蚀开裂等问题，此外利用底漆的附着性隔绝海水，使船体的耐腐蚀性不断提高。

我国造船业不断发展，人们要求利用优质的船体构件，热处理Al-Mg系合金，无法强化铝合金的性能，可以利用微合金化和加工硬化等方式，进一步提高铝合金综合性能。添加适量的Sc元素在Al-Mg系合金当中，会生成Al3Sc相，提升铝合金再结晶温度。与此同时也可以提高合金的耐腐性和抗旱热接烈性以及屈服强度。总之在船舶工程当中利用铝合金是技术发展的趋势，要想提升铝合金性能，需要适应船舶的复杂环境，相关工作人员需要不懈努力，研制出更加优良的铝合金产品。

2 铝合金在船舶工程中的应用实践

（1）民用船领域铝合金的应用。早在19世纪80年代瑞士公司就可以开始利用铝合金民用船舶，但是因为当时的铝合金耐腐蚀性比较差，同时强度比较低，因此铝合金在船舶工程中的应用并没有取得很大的成就。发展到20世纪30年代铝合金在船舶工程中的应用被重新重视，当时普遍利用Al-Mg系合金和6061-T6合金，这些铝合金具有良好的抗腐蚀性。后来在50年代铝合金在船舶工程当中不断高速发展，来到70年代之后，铝价开始下调，同时船舶结构要求轻量化和合理化等要求，促进船舶工程对于铝合金的应用。在80年代之后开始制作各种铝合金游艇。

（2）工作船领域利用铝合金。铝合金工作船可以延长使用寿命，同时维护要求比较低，行驶速度也要更快些，其中铝合金小型船使用寿命通常都可以达到几十年，同时还不会产生较大的腐蚀性。如果制造技术比较落后，或者因为非铝结构老化，导致铝合金船只被退役。利用5000和6000系铝镁合金的耐蚀性能不断提升。

（3）LNG货船应用铝合金。我国逐渐全面开发了油气资源，天然气供应地和需求地的距离不断增长，二者之间可能还会间隔着大洋，因此液化天然气输送通常都是利用LNG货船输送。设计LNG船储存罐的时候，需要利用具备良好低温性能的金属，还要具备一定的强度和韧性。在低温情况下，铝合金强度更高一些，再加上铝合金质量比较轻，是海洋环境和低温环境下的理想材料。LNG货船需要至少5个球形储罐，需要利用较宽的铝镁合金板制作，通过高电流气态金属焊接工艺焊接。

（4）海洋直升机利用铝合金。海上石油钻井平台通常都是利用钢材料，因此长期在海洋环境当中暴露，钢材料虽然强度比较高，但是也会发生锈蚀问题，缩短使用寿命。直升机停机坪是海上油气资源开发的重要基础设施，负责起降直升机，同时也关系到和路堤的日常联系。因为体积比较大，对于自重和结构刚度等方面都具有一定的要求，铝制直升机甲板模块自重比较轻，强度和刚度等因素也比较好，因此被广泛的利用。

铝合金直升机平台包括底架和甲板块，上底板和下底板之间具有空腔，利用铝合金型材的抗弯性能，不仅可以满足性能要求，还可以使自重由此减轻。此外在海洋环境中的铝合金直升机平台，维护工作实施过程更加方便，同时教育良好的耐蚀性。利用型材拼接方式，因为无需利用焊接，不会产生焊接的热影响区，可以使使用寿命由此延长，避免工程失效。

3 铝合金在船舶工程中应用的具体细节

（1）装配精度。装配铝合金船体的时候，装配精度比一般钢船标准高一些，装配拼版的过程中，留出一定0.55mm范围内的错开度。骨架装配当中，保证骨架间距和位置偏差以及对接间隙等处于特定范围之内。舱壁装配当中，要控制好位置偏差精度和外板间隙精度。

（2）装配顺序。装配过程中要注重好顺序，最好是在中间开始，再向两端进行装配。在建造过程中分段建造铝合金船体，首先要确定船舯和中心龙骨，再装配两侧的肋骨段，这种装配方式的基础是船舯，实行过程比较困难，但是不会产生较大的误差，施工精度比较高。

（3）控制焊接参数。为了避免焊接过程出现变形问题，焊接工作人员需在焊接之前，需要合理的设计焊接参数。设计好焊接电流和电弧电压等参数之后，施工人员需要根据设计方法施工，顺利焊接铝合金船体。安装好外板之后，要继续利用点焊的方式，合理计算点焊的监督和长度。如果外板厚度比较大，就可以稍微增大点焊的间距，如果厚度比较小，需要适当的减小点焊距离。