LNG/LPG 船耐低温材料的焊接发展

赵孔标 朱小锋 李利娜

（1、江苏航运职业技术学院，江苏 南通226010 2、招商局重工（江苏）有限公司，江苏 南通226500 3、南通新创航海机械有限公司，江苏 南通216002）

随着我国对清洁能源需求量的快速上升，液化石油气和液化天然气在整个能源工业中的地位也越来越高。对于液化天然气来说，其主要构成成分为甲烷，该气体不仅无毒、无色、无味，而且也无腐蚀性，所以该能源是一种高效、清洁能源。液化石油气主要由丁烷、丙烷和少量的烯烃构成。在这两种能源的使用过程中，为了可以进一步提高能源的使用效率，确保两种能源可以长距离运输，均需要在加压或低温的条件下对将石油气和天然气进行液化，然后再进行运输和储存，天然气需要在零下161 摄氏度的温度条件下液化，液化后的天然气体积仅为同时亮起的1/600 左右；石油气的液化温度为零下104～零下45 摄氏度。为了确保液化石油气和液化天然气在运输过程中不会被气化，液舱内的温度必须要远低于液态货物的液化温度，在这种情况下也就提高了对烟草材料耐低温性能和焊接性能的要求。

1 殷瓦钢、304 不锈钢和5083 铝合金的物理性能

1.1 殷瓦钢

殷瓦钢属于一种Fe-Ni 合金，常温线膨胀系数＜1.6*10-6k-1，其大约为低碳钢的1/10 左右，即使在比较大的温度范围内，其所发生的变化依然比较小。因为殷瓦钢具有的低膨胀特性，即使在低温的条件下，依然不会发生冷脆的情况，所以该材料具有非常优异的耐低温性能，可以应用于电子工业和精密测量装置中[1]，该材料的具体化学成分和物理性能见表1 和表2。

表2 殷瓦钢物理性能表

有相关的研究学者针对殷瓦钢、304 不锈钢和5083 铝合金进行了低温拉伸实验，对三种材料的温度和应变速率进行了定量研究，分析三种不同材料力学性能的影响规律，可知，在不同温度条件下，殷瓦钢具有的抗拉强度、屈服强度、应变速率和断裂延伸率对殷瓦钢塑形影响的具体结果。

1.2 5083 铝合金

铝合金是一种高强度、低密度、耐腐性、无磁性、可焊接且无低温脆性的材料，而且铝合金在我国的工业领域中具有着非常广泛的应用，比如在船舶建造行业中，铝合金的应用已经具有近百年的历史[2]，现如今，由于结构轻量化要求的不断提升，铝合金作为船舶建造行业中主要应用的材料之一，其价值无可替代。

在船舶建造行业中应用最为广泛的就是5083 铝合金，该铝合金属于一种AL-Mg 合金，具体的化学成分见表3、物理性能见表4。

表3 5083 铝合金化学成分表

表4 5083 铝合金物理性能表

5083 铝合金是一种耐腐蚀性、塑形和焊接性能均比较好的一种材料，而且这种铝合金也属于一种非热处理强化铝合金，采用微合金化和加工硬化的方式可以有效提高5083 铝合金具有的综合性能。因为5083 铝合金不存在低温冷脆等问题，所以，即使在低温的条件下，5083 铝合金依然可以保持良好的力学性能，因此，5083 铝合金可以应用到小型液化天然气船的储罐、三体船等快速船以及船舶的上层建筑中[3]。

有相关的研究人员对5083 铝合金的应力应变曲线进行研究，在试验中，温度范围在110～393k 中，经试验结果表明，在不同分温度条件下，5083 铝合金的抗拉强度、屈服度、断裂延伸率以及应变速率对5083 铝合金塑形造成的影响也不同。

1.3 304 不锈钢

不锈钢是一种耐盐、酸、水、空气、溶液、碱以及其他具有腐蚀性、高度化学稳定性的合金钢材料总称，而在船舶的建造中，最常用的就是奥氏体不锈钢。

在薄型液化天然气船的建造中大量应用奥氏体不锈钢，即使在低温的条件下，不锈钢依然具有较高的耐腐蚀性、强度和延展性[4]。为了能够保证材料具有的腐蚀性，通常情况下会选择304、347、316L 和321 四种奥氏体不锈钢作为常用材料，本文重点介绍304 不锈钢材料具有的焊接性和物理性能，该材料的化学成分和物理性能见表5 和表6。

表5 304 不锈钢化学成分表

表6 304 不锈钢物理性能表

有相关的研究人员通过试验对304 不锈钢材料的应力应变曲线进行测量和研究，试验选择的温度范围在110～393K 之间，实验结果表明，在不同的温度条件下，304 不锈钢的屈服度、断裂延伸率、抗拉强度和应变速率对其塑性所产生的具体影响。

2 殷瓦钢、304 不锈钢和5083 铝合金的焊接性能

2.1 殷瓦钢

对于殷瓦钢来说，该材料在进行焊接时，最常见的温度就是热裂纹问题，现阶段，一般采用钨极氩弧焊的方法对殷瓦钢进行焊接，从而解决热裂纹这一问题，但是这种焊接方法在使用过程中，对操作者工作能力的要求也比较高，而且也很容易出现焊接变形的情况。在液化天然气船液舱屏蔽层一旦出现开裂的问题,很有可能会导致液化天然气泄漏，轻度会导致外部船体结构冷脆，重度则很有可能会引发火灾，严重的情况下，甚至是爆炸，因此在进行殷瓦钢焊接时，必须要保证100%无漏点，而这就需要彻底解决焊接热裂纹问题。在解决热裂纹问题时，可以从两个方面入手，一方面是降低焊接应力，另一方面则是改善焊接缝金属的塑性[5]。

2.2 5083 铝合金

对于5083 铝合金来说，该材料在进行焊接时，主要面临的问题包括三种，分别为焊接变形、接头软化和气孔。因为5083 铝合金的膨胀系数为23.4*10-5K-1，远低于低碳钢，所以，在对该材料进行焊接时，可能会面临比较严重的变形问题，尤其是对薄板进行焊接时，非常容易出现焊接裂纹这一问题。

因为5083 铝合金是一种AL-Mg 合金，其中Mg 元素会影响到合金的强度，虽然Mg 和AL 的熔点比较接近，但是Mg 的沸点在1107 摄氏度，而Al 的沸点为2327 摄氏度，所以，焊接时焊接缝中的Mg 元素非常容易被烧损，从而降低了焊接接头的强度，也容易导致接头被软化。

除此之外，气孔也是铝合金焊接过程中非常容易出现的问题之一，一般情况下，铝合金气孔主要包括工艺气孔和焊接氢气气孔，焊接氢气气孔是因为溶解在液态熔池冷却时的溶解度也会快速下降，导致氢气被大量稀出，加速焊接熔池的凝固速度，所以，氢气会被留在焊接缝中，最终形成气孔。同时，铝合金中含有的Mg 等元素会加大铝合金表面对氢气的吸附能力，而且也会加大液态铝中氢气的溶解度，从而增加氢气孔的发生率，焊接所形成的氢气孔大多数为球形，而且内壁非常光滑[6]。

2.3 304 不锈钢

虽然奥氏体不锈钢的焊接性能比较好，但是在焊接过程中，如果不做好预防工作，则会引发多种焊接性问题，最常见的是液化裂纹和凝固裂纹，产生这两种问题的主要原因受到填充材料和母材材料中的成分和杂质含量的影响，尤其是磷和硫的含量。与此同时，奥氏体不锈钢在焊接过程中可能也会出现固态裂纹问题，比如铜污染裂纹、失延裂纹和再热裂纹等。

虽然奥氏体不锈钢具有比较强的耐腐蚀性能，但是也很容易在热影响区的晶粒边界受到局部腐蚀的影响，因为在焊接缝中很有可能含有铁素体，从而引发温脆化，同时在对大型构状或厚板进行焊接后，热处理时也容易发生温脆化的情况。

综上所述，因为液化石油气和液化天然气均需要在低温的条件下运输，而且在运输过程中也很容易导致液体发生晃动，所以必须要提高耐低温材料的焊接性能，只有这样才能够满足液化天然气和液化石油气的运输研究。