造船用吊環(huán)高強(qiáng)度鋼余料制作研究

李川江，汪家政，馮朝聞

（金海重工股份有限公司，浙江舟山 316200）

0 引言

通用吊環(huán)是各造船廠進(jìn)行船舶建造不可缺少的用于吊裝起重的構(gòu)件，隨著科技的進(jìn)步和社會的發(fā)展，世界各大型船廠均有自己的吊環(huán)標(biāo)準(zhǔn)。我國船舶行業(yè)對此有自行的《船用眼板》（CB/T 60-1999）標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)化工行業(yè)也有相近的《化工設(shè)備吊耳及工程技術(shù)要求》（HG/T 21574-2008）標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)各大中型船廠均在此指導(dǎo)下編制適合自身的吊環(huán)標(biāo)準(zhǔn)。各吊環(huán)標(biāo)準(zhǔn)中，對吊耳材料要求《船用眼板》為A級鋼[1]，《化工設(shè)備吊耳及工程技術(shù)要求》[2]為Q235-A，因船板用A級鋼與Q235-A較有所不同，前者要求更高，故可默認(rèn)為船用A級鋼滿足船舶行業(yè)吊環(huán)材質(zhì)要求。極少數(shù)國內(nèi)外大型船廠如日本船用橢圓型眼板（JIS F3410-1999）中規(guī)定吊環(huán)使用最低材質(zhì)為ISO 630中的FE360等級鋼材，相當(dāng)于我國的Q235-A級鋼，我國的中遠(yuǎn)船務(wù)對吊環(huán)的制作材料規(guī)定為A級鋼以上，但均未有相關(guān)可行性論證。大部分國內(nèi)外大型船廠自行吊環(huán)標(biāo)準(zhǔn)中未明確吊環(huán)制作可使用高強(qiáng)度鋼，具體原因可概括如下：一是高強(qiáng)度鋼的成本相對普通鋼較高；二是基于高強(qiáng)度鋼重復(fù)利用時(shí)合金元素流失發(fā)生脆性斷裂考慮。對于船舶建造用吊環(huán)材料而言，國內(nèi)暫無此方面的研究，本文針對此內(nèi)容進(jìn)行研究分析，以確定高強(qiáng)度鋼材是否適用于我司的吊環(huán)制作。

1 可行性分析及問題點(diǎn)

因船體結(jié)構(gòu)主要由鋼板焊接構(gòu)成，船舶建造時(shí)需要使用各種質(zhì)量、強(qiáng)度等級的鋼材，金海重工股份有限公司船舶建造主要涉及的材質(zhì)為A、B、D、E、AH32、DH32、EH32、AH36、DH36、EH36等約10類。單船鋼材的利用率不可能達(dá)到100%，國內(nèi)船廠船用鋼材利用率大部分分布在 85%~90%之間，鮮有能達(dá)到90 %以上者。就公司VLCC單船而言，船體結(jié)構(gòu)鋼材約41000t，按90%鋼材利用率計(jì)算，尚有4100t不可再利用的邊角鋼材余料。因吊環(huán)各零部件結(jié)構(gòu)較小，在一定程度上可利用這些余料。同時(shí)相比于新購買材料制作吊環(huán)而言，如能二次利用邊角余料，將大大節(jié)省公司的材料成本。

因吊環(huán)為船廠分段、總段吊裝的強(qiáng)受力構(gòu)件，其制作材料需要從使用外界條件（特別是溫度）、受力要求以及多次使用的特性等方面去考慮。公司位于舟山地區(qū)，公司吊裝作業(yè)環(huán)境一般處于-5℃以上，濕度、氣候等與其他沿海船廠無太大差別。吊環(huán)受力包含局部集中受力和一定量的動載荷，公司吊環(huán)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定吊環(huán)最多使用次數(shù)為5次（單邊不超過3次），因此其吊裝受力次數(shù)為有限次，不存在疲勞問題。因考慮吊環(huán)的多次使用，吊環(huán)根部需多次反復(fù)焊割。

使用高強(qiáng)度鋼制作吊環(huán)的方式僅為材料替代，吊環(huán)規(guī)格、板厚等均按原標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，吊環(huán)焊接等均用高強(qiáng)度焊絲GFL-71(E71T-1)進(jìn)行。根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料顯示，公司所在區(qū)域極端最低氣溫為-5℃左右。因此本文需解決以下問題點(diǎn)：

1）吊環(huán)的焊接方式是否會因其材料等級變化產(chǎn)生安全質(zhì)量隱患；

2）高強(qiáng)度鋼按普通鋼反復(fù)焊割后在焊縫處的力學(xué)性能是否滿足要求；

3）高強(qiáng)度鋼反復(fù)焊割后在-5℃時(shí)焊縫發(fā)生低溫脆性斷裂[3]的可能性。

2 解決方案分析

為驗(yàn)證吊環(huán)制作使用高強(qiáng)度鋼的可行性，對上述問題點(diǎn)進(jìn)行剖析。

2.1 吊環(huán)焊接方式安全隱患

公司所涉及吊環(huán)標(biāo)準(zhǔn)件最厚母板厚度為40mm，焊接時(shí)按照普通鋼材焊接，即焊接時(shí)一般不預(yù)熱。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對于一定厚度的高強(qiáng)度鋼在焊接時(shí)，為保證焊接質(zhì)量，根據(jù)焊接工藝需預(yù)熱。若吊環(huán)采用剛強(qiáng)度鋼材制作，但安裝焊接時(shí)采用不預(yù)熱的普通鋼焊接方式將存在一定安全隱患。對此內(nèi)容，有兩方面的考慮：

1）公司可使用與吊環(huán)制作的鋼材材質(zhì)。公司船用鋼材的材質(zhì)為A、B、D、E、AH32、DH32、EH32、AH36、DH36、EH36約10類，所以吊環(huán)制作材料也分布在此列。根據(jù)對這些材料的分析以及公司相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，高強(qiáng)度鋼在厚度達(dá)到38mm以上時(shí)需要進(jìn)行預(yù)熱，而公司最厚吊環(huán)母板為40mm，偏差不大。

2）40mm厚吊環(huán)母板一般用于50t及其以上的吊環(huán)，而公司吊環(huán)標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定，對于30t及其以上的吊環(huán)，特別是大噸位吊環(huán)，安裝后需要無損探傷檢驗(yàn)合格。因此，若吊環(huán)反復(fù)焊割后的焊縫本身力學(xué)性能能滿足要求，將能完全排除此安全隱患。

2.2 高強(qiáng)度鋼按普通鋼反復(fù)焊割后的力學(xué)性能

此內(nèi)容只能通過焊接工藝評定進(jìn)行焊縫及母材的力學(xué)性能試驗(yàn)來檢驗(yàn)其是否滿足要求。因此根據(jù)材質(zhì)的分類及吊環(huán)反復(fù)焊割（單面割開兩次焊接三次）的特性，設(shè)置專門的試驗(yàn)組進(jìn)行力學(xué)性能測試對比。

為使試驗(yàn)?zāi)苓_(dá)到對比性，試驗(yàn)設(shè)置如下：

1）選用船用A、AH36、DH36、EH36材質(zhì)的25mm厚鋼材作為試驗(yàn)基材，試驗(yàn)以船用A級鋼為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，其他材質(zhì)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與之對比形成結(jié)論；

2）按照焊接工藝評定要求進(jìn)行試驗(yàn)試塊的準(zhǔn)備，并按照公司焊接吊環(huán)的要求進(jìn)行焊接；

3）試驗(yàn)試樣選取階段為一次焊接后，二次焊接后（同位置割開后再焊），三次焊接后（同位置焊接割開兩次后再焊）共三階段；

4）試樣在公司品質(zhì)保證部檢測合格后選取；

5）試樣檢測內(nèi)容為拉伸試驗(yàn)[4]、沖擊試驗(yàn)（驗(yàn)證脆性）[5]和彎曲試驗(yàn)（側(cè)彎和反彎）[6]。

根據(jù)此試驗(yàn)對比結(jié)果判斷材料的力學(xué)性能是否滿足要求。

2.3 高強(qiáng)度鋼反復(fù)焊割后在-5℃時(shí)焊縫發(fā)生低溫脆性斷裂的可能性

按2.2中的試驗(yàn)準(zhǔn)備試樣，在-5℃進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，同時(shí)以A材質(zhì)的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，分別取焊縫中心、融合線及距融合線2mm處的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以此來判斷相對于船用A級鋼，高強(qiáng)度鋼焊縫發(fā)生低溫脆性斷裂的可能性。

所有的試樣提交浙江省船舶基礎(chǔ)材料質(zhì)量檢驗(yàn)中心（舟山市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測研究院）試驗(yàn)并形成檢測報(bào)告，根據(jù)報(bào)告的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行確定。

3 結(jié)果及分析

根據(jù)浙江省船舶基礎(chǔ)材料質(zhì)量檢驗(yàn)中心（舟山市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測研究院）的試驗(yàn)結(jié)果，對試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)匯總對比如下。

1）拉伸試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)對比及分析（表1~表3）

由表1可知，此狀態(tài)各材質(zhì)抗拉強(qiáng)度、伸長率等力學(xué)性能參數(shù)均滿足材料要求，且優(yōu)于同狀態(tài)A級鋼的力學(xué)性能參數(shù)。

表1 第一次焊接后拉伸試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)

由表2可知，此狀態(tài)各材質(zhì)抗拉強(qiáng)度、伸長率等力學(xué)性能參數(shù)均滿足材料要求，且優(yōu)于同狀態(tài)A級鋼的力學(xué)性能參數(shù)，亦優(yōu)于第一次焊接的結(jié)果。

表2 第一次割開后，第二次焊接后拉伸試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)

由表3可知，此狀態(tài)各材質(zhì)抗拉強(qiáng)度、伸長率等力學(xué)性能參數(shù)均滿足材料要求，且優(yōu)于同狀態(tài)A級鋼的力學(xué)性能參數(shù)，亦優(yōu)于第一次焊接的結(jié)果。

表3 第二次割開然后第三次焊接后拉伸試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)

2）彎曲試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)對比及分析

彎曲試驗(yàn)除A級鋼第一次焊接一試樣側(cè)彎產(chǎn)生1.81mm裂紋（在合格范圍內(nèi)）、EH36第一次焊接一試樣側(cè)彎產(chǎn)生0.89mm裂紋（在合格范圍內(nèi)）外，其余各狀態(tài)各等級鋼材均無裂紋，檢測合格。

3）沖擊試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)對比及分析

因A材質(zhì)無沖擊功標(biāo)準(zhǔn)，表4中B（標(biāo)）為0度時(shí)B材質(zhì)鋼的沖擊要求，在此僅作對比用。由表4可知，該狀態(tài)各材質(zhì)沖擊韌性均優(yōu)于同狀態(tài)A級鋼材質(zhì)的最低值，且所有材質(zhì)均高于對比組的0度時(shí)B材質(zhì)鋼的沖擊數(shù)據(jù)，可理解為該狀態(tài)各材質(zhì)的脆性斷裂可能性不會大于船用A級鋼。

表4 第一次焊接后沖擊試驗(yàn)（-5℃）結(jié)果數(shù)據(jù)

由表5可知，除焊縫AH36，DH36及EH36的焊縫中心可能受焊接材料影響外，該狀態(tài)各材質(zhì)沖擊韌性均優(yōu)于同狀態(tài)A級鋼材質(zhì)的最低值，但所有材質(zhì)均高于對比組的0度時(shí)B材質(zhì)鋼的沖擊數(shù)據(jù)及首次試驗(yàn)狀態(tài)A級鋼材質(zhì)的最低值，可理解為該狀態(tài)各材質(zhì)的脆性斷裂可能性不會大于船用A級鋼。

表5 第一次割開后，第二次焊接后沖擊試驗(yàn)（-5℃）結(jié)果數(shù)據(jù)

由表6可知，除焊縫AH36、DH36、EH36的焊縫中心及AH36的熔合線可能受焊接材料影響外，該狀態(tài)各材質(zhì)沖擊韌性均優(yōu)于同狀態(tài)A級鋼材質(zhì)的最低值，但所有材質(zhì)均高于對比組的0度時(shí)B材質(zhì)鋼的沖擊數(shù)據(jù)及首次試驗(yàn)狀態(tài)A級鋼材質(zhì)的最低值，可理解為該狀態(tài)各材質(zhì)的脆性斷裂可能性不會大于船用A級鋼。

表6 第二次割開然后第三次焊接后沖擊試驗(yàn)（-5℃）結(jié)果數(shù)據(jù)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，無論從材料力學(xué)性能，還是高強(qiáng)度鋼合金元素流失后發(fā)生脆性斷裂的可能性考慮，本文所列舉的高強(qiáng)度鋼材均滿足相關(guān)要求，理論上可用于吊環(huán)制作及使用。

4 總結(jié)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)對比分析及現(xiàn)場應(yīng)用，在公司所處位置氣溫條件下，利用現(xiàn)有船舶建造高強(qiáng)度鋼邊角余料制作吊環(huán)，其拉伸、彎曲以及沖擊韌性力學(xué)性能滿足吊環(huán)的設(shè)計(jì)要求，且其發(fā)生脆性斷裂的可能性不大于A級鋼。故公司現(xiàn)有船舶建造高強(qiáng)度鋼邊角余料可用于制作吊環(huán)，并可按普通吊環(huán)安裝、檢驗(yàn)及使用。公司于2012年初開始逐步應(yīng)用，至今已一年有余，期間并未出現(xiàn)因使用高強(qiáng)度鋼吊環(huán)而產(chǎn)生裂紋、脆性斷裂等的吊環(huán)質(zhì)量問題，同時(shí)為公司節(jié)省了大量的本用于吊環(huán)制作的材料，后續(xù)將繼續(xù)跟蹤其應(yīng)用情況。

[1]中國船舶工業(yè)總公司. CB/T 60-1999, 船用眼板[S].1999.

[2]中國成達(dá)工程公司. HG/T 21574-2008, 化工設(shè)備吊耳及工程技術(shù)要求[S]. 2008.

[3]魏延宏, 王春林. 焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂分析及預(yù)防措施[J]. 甘肅科技, 2006, 22(4): 43-44.

[4]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. GB/T 2651-2008, 焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法[S]. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2008.

[5]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. GB/T 2650-2008, 焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法[S]. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2008.

[6]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. GB/T 2653-2008, 焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法[S]. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2008.