探討鋁合金在船舶與海洋工程中的應(yīng)用

繆朱堯?戴鵬鵬?孫靖

摘要：鋁合金具有質(zhì)量輕、耐腐性強(qiáng)、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在船舶及海洋工程中，極大的推動了船舶及海洋工程的快速發(fā)展，有關(guān)鋁合金的在該領(lǐng)域中的應(yīng)用研究受到越來越多人的關(guān)注。本文對船用鋁合金的特性進(jìn)行分析，并對其船舶及海洋工程中的應(yīng)用進(jìn)行探討，以供參考。

關(guān)鍵詞：船舶海洋；鋁合金；應(yīng)用探討

船舶制造質(zhì)量及性能受多種因素影響，其中制造所用材料性能給船舶制造質(zhì)量造成的影響最為顯著，因此，選擇制造材料時既要考慮耐腐蝕性，又要考慮質(zhì)量問題，尤其降低船舶自身重量，可有效提高船舶速度，降低能耗，成為當(dāng)前船舶制造業(yè)研究的重點(diǎn)。鋁合金具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，符合造船業(yè)發(fā)展要求，近年來在船舶及海洋工業(yè)中應(yīng)用廣泛，并取得了良好效果。

1 船用鋁合金概述

船用鋁合金具有良好的耐腐蝕性、可焊接性和強(qiáng)度，才能適應(yīng)航海過程中的特殊環(huán)境。船用鋁合金普遍選用鋁-鎂系合金、鋁-鎂-硅系合金和鋁-鋅-鎂系合金，其中，鋁-鎂系合金在的應(yīng)用最為廣泛；而焊接后的鋁-鋅-鎂系和鋁-鎂-硅系合金強(qiáng)度明顯降低，并且鋁-鋅-鎂系合金焊接后的耐腐蝕性也差，導(dǎo)致這兩種鋁合金的應(yīng)用受到了限制。另外，鋁-鋅-鎂系和鋁-鎂-硅系合金也有其他的用途，如鋁-鋅-鎂系合金可用于焊后可熱處理的構(gòu)件，鋁-鎂-硅系合金主要被用作型材等。船舶的工作環(huán)境相比之下較為特殊，需要同時兼具強(qiáng)度、韌性、抗沖擊性質(zhì)以及耐腐蝕性等多種因素，而強(qiáng)度較高的鋁合金通常難以兼具這些性質(zhì)，因此船舶用鋁合金通常使用中等強(qiáng)度的鋁合金，這種鋁合金不僅兼具耐腐蝕性和一定的強(qiáng)度，同時還是可焊接鋁合金。另外，船舶用鋁合金按照用途來分，可以分為船體結(jié)構(gòu)用鋁合金和舾裝用鋁合金兩種，船體結(jié)構(gòu)上用的鋁合金主要是5083、5086和5456這三種合金，6000系的鋁合金主要應(yīng)用于船舶的上部結(jié)構(gòu)，因?yàn)槠淙菀妆缓Ｋg。7000系合金熱處理后的強(qiáng)度和工藝性能比5000系合金還要優(yōu)越，主要用于艦艇上層結(jié)構(gòu)，如壓擠結(jié)構(gòu)、裝甲板等，但是7000合金的缺點(diǎn)是抗應(yīng)力腐蝕性能差。

2 船用鋁合金的優(yōu)點(diǎn)

鋁合金具有比重和彈性模量小、耐腐蝕、可焊接、易加工、無磁性和低溫性能好等特點(diǎn)，用于船舶中具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）由于其比重小，因而可減輕船重，可減小發(fā)動機(jī)單機(jī)容量，可增加速度；可減少燃料耗費(fèi)，節(jié)約燃油；可以改善船的長寬比，增加穩(wěn)定性，使船易于操縱；還可以增加載重量，獲得額外利潤。（2）由于抗腐蝕性能好，能減少涂油等維修費(fèi)用，可延長使用年限（通常在20年以上）。（3）加工成形性能好，易于進(jìn)行切割、沖壓、冷彎、成形和切削等各種形式的加工，適合船體的流線化；可擠壓出大型寬幅薄壁型材，減少焊縫數(shù)和使船體結(jié)構(gòu)合理化和輕量化。（4）焊接性能好，能較容易地進(jìn)行焊接。（5）彈性模量小，吸收沖擊應(yīng)力的能力大，有較大的安全性。（6）鋁廢料容易回收，可以循環(huán)使用。（7）無低溫脆性，最適合做低溫設(shè)備。（8）由于非磁性，羅盤不受影響；全鋁船可以避免水雷攻擊，適合作掃雷艇。（9）沒有蟲害和干燥變形；不燃燒，遇火災(zāi)較安全。

3 鋁合金在船舶與海洋工程中的應(yīng)用

近幾年內(nèi)，我國越來越重視海洋科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及海洋的經(jīng)營與建設(shè)。另外，由于材料在裝備制造業(yè)的發(fā)展過程中發(fā)揮著十分重要的作用，因此，鋁合金開始廣泛地應(yīng)用在海洋工程中。

3.1 鋁合金在海上直升機(jī)平臺的應(yīng)用

海上石油鉆井平臺采用鋼作為主要結(jié)構(gòu)材料，因長期暴露于海洋環(huán)境中，鋼雖然有較高的強(qiáng)度，但也面臨著銹蝕、使用壽命短等一系列問題。在海上重要的油氣資源開發(fā)的基礎(chǔ)設(shè)施中，直升機(jī)停機(jī)坪是非常組成部分，它用于直升機(jī)的起降，是與陸地保持聯(lián)系的重要紐帶。由于其體積龐大，還應(yīng)有自重、結(jié)構(gòu)剛度等方面的要求，鋁制直升機(jī)甲板模塊自重輕、強(qiáng)度和剛度好而被廣泛應(yīng)用。鋁合金直升機(jī)平臺包括底架和固定于底架上的由鋁合金型材拼接而成的甲板塊，型材截面類似于“工”字，在上底板和下底板之間設(shè)置有帶筋板空腔。利用了力學(xué)原理和鋁合金型材的抗彎強(qiáng)度，滿足性能要求的同時，減輕了自重。另外，在海洋環(huán)境下，采用鋁合金直升機(jī)平臺易維護(hù)，耐蝕性較好；采用型材拼接方式，免于焊接，無焊接熱影響區(qū)，可延長使用壽命，避免失效。

3.2 鋁合金在LNG（液化天然氣）貨船上的應(yīng)用

隨著海上油氣資源的不斷開發(fā)，全世界范圍內(nèi)主要的天然氣供應(yīng)地區(qū)和需求地區(qū)距離遙遠(yuǎn)，又往往有大洋相隔，所以目前液化天然氣的輸送多以遠(yuǎn)洋船運(yùn)為主。在LNG船儲存罐的設(shè)計(jì)中，需要低溫性能好的金屬，而且還應(yīng)具有一定的強(qiáng)度和韌性。鋁合金材料的強(qiáng)度在低溫下反而比常溫下的高，并且鋁合金質(zhì)量輕，在海洋氣氛下耐腐蝕，是在低溫情況下使用的理想材料。在LNG船舶和LNG儲罐的制造中也大量選用了5083鋁合金，尤其是液化天然氣最大的進(jìn)口國日本，從20世紀(jì)50年代和60年代建造了一系列LNG儲罐和運(yùn)輸船，其中有主體壁結(jié)構(gòu)完全是5083鋁合金的LNG儲罐，大多數(shù)鋁合金因?yàn)槠涮赜械淖灾剌p和耐腐蝕性成為儲罐頂部結(jié)構(gòu)的重要材料。目前，全球只有很少的幾個公司可以生產(chǎn)LNG運(yùn)輸船儲罐用低溫鋁材，日本研制的5083鋁合金160mm特厚板，具有良好的低溫韌性和疲勞抗性。

3.3 鋁合金在民用船領(lǐng)域中的應(yīng)用

從19世紀(jì)80年代開始，鋁合金就開始應(yīng)用在了民用船領(lǐng)域當(dāng)中，其中，由瑞士的EcherWyss公司所研制的湖上全鋁汽艇能夠容納8人。然而，由于當(dāng)時所使用的鋁合金不具有較強(qiáng)的耐腐蝕性，因此，造船業(yè)在鋁合金的應(yīng)用方面并沒有獲取到較好的效果。一直到20世紀(jì)30年代之后，隨著冶金工業(yè)的快速發(fā)展，鋁合金在造船領(lǐng)域中的應(yīng)用價值才有所提高，基于此，耐腐蝕性較強(qiáng)的鋁鎂系合金和6061-T6合金應(yīng)運(yùn)而生。20世紀(jì)50～60年代，鋁合金開始廣泛應(yīng)用在造船業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中，在此過程當(dāng)中，最具有代表性的成就是鋁-TIG焊接技術(shù)的發(fā)展、5486-H32和5456-H32鋁合金板材的開發(fā)以及全鋁鉚接結(jié)構(gòu)水翼艇的制成。20世紀(jì)的70～80年代，由于受到了多方面因素的影響，鋁合金在造船領(lǐng)域中的應(yīng)用迎來了一個全新的時期。與此同時，不同型號的鋁合金游艇也相繼被制成。

3.4 鋁合金在軍事艇領(lǐng)域中的應(yīng)用

船舶制造的設(shè)計(jì)遵循結(jié)構(gòu)趨于輕型的理念，人們廣泛認(rèn)為輕型的船舶結(jié)構(gòu)在控制船速、操作精密性、制作成本方面有很大的優(yōu)勢，能夠最大程度地減少消耗，延長船舶的行駛里程。鋁合金能很好地滿足船舶的輕量化要求，因此在軍事艦艇領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，由此完成突擊或搜救等任務(wù)，維護(hù)航海安全。其中，美軍對鋁合金軍事艇的使用是最為廣泛的，目前軍事艇技術(shù)主要包括快速攻擊艇、輔助性軍事飛艇、巡邏艇等。

4 結(jié)語

鋁合金除應(yīng)用在船舶制造中，在海洋工程中的應(yīng)用較為廣泛，尤其國家將海洋的經(jīng)營、建設(shè)提升至國家戰(zhàn)略高度，鋁合金在海洋工程的應(yīng)用提升到新的高度，其中在船舶及海洋工程中國的應(yīng)用優(yōu)勢得以充分顯現(xiàn)，極大的推動了船舶及海洋工程的蓬勃發(fā)展，因此，加強(qiáng)鋁合金在船舶及海洋工程中的應(yīng)用研究，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：江蘇新?lián)P子造船有限公司）