國產低溫鋼在VLGC上的工程應用

柏高楊， 秦建康

(1.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240；2.江南造船(集團)有限責任公司，上海 201913)

0 引 言

除大型液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)船外，液化氣船分為全壓式、半冷半壓式和全冷式等3種，其中：以全冷式設計和建造的技術難度最大。較典型的是全冷式超大型液化氣船(Very Large Gas Carrier，VLGC)，其技術長期被日韓等國少數幾家大船廠壟斷。無論是從世界市場需求還是從能源結構變化加以預測，VLGC均為一種較有發展前途的高附加值船舶[1]。江南造船(集團)有限責任公司從1997年開始研發VLGC，2012年獲得實船訂單，經過十多年的技術累積，打破國外船廠的技術壟斷，成為少數幾家可獨立自主完成VLGC研制的船廠之一，填補中國造船界在該領域的空白[2]。

該公司批量建造的VLGC液艙及次屏蔽結構所用低溫鋼(英國勞氏船級社(LR)牌號：LT-FH32)均為日本JFE公司生產的碳錳低溫鋼，采用熱機械控制工藝(Thermo Mechanical Control Process，TMCP)軋制，滿足-60 ℃低溫沖擊要求，單船低溫鋼結構質量約10 000 t。隨著船廠建造和新接該型船數量的不斷增加，在僅有日本JFE公司供應所需要鋼材的情況下，后續新接訂單在采購成本和供貨周期方面均難以掌控，給該公司帶來不利影響。

國內大型鋼廠陸續開發該級別的低溫碳錳鋼，并取得各船級社認可。該公司對國產低溫鋼試板進行復驗、工藝摸底試驗，評估其是否滿足實船應用要求，并總結焊接過程質量控制方法。這些工作為選用國產低溫鋼在VLGC上的工程應用提供質量 保證。

國產低溫鋼須滿足如下要求：

(1)母材性能：VLGC液艙的設計溫度為-52 ℃，因此國產低溫鋼須滿足-60 ℃低溫沖擊要求。通過-100～-60 ℃多組沖擊試驗，掌握其韌脆轉變溫度(Ductile-Brittle Transition Temperature，DBTT)，以判斷其滿足-52 ℃設計溫度的裕量。應對其化學成分(質量分數)展開詳細分析，重點關注Ni元素的質量分數，以初步預估其性能穩定性。

(2)冷加工、水火加工、焊接性能：VLGC液艙角隅轉圓板零件存在冷壓加工成型的情況，應在冷壓成型后檢測其母材性能是否仍滿足船級社規范及產品設計要求；現場生產存在曲型零件水火加工成型、現場結構變形火工矯正的情況，應在火工工藝試驗后檢測其母材性能是否仍滿足船級社規范及產品設計要求；現場生產存在手工電弧焊、CO2氣體保護焊、埋弧焊等焊接方式，應按現行的焊接工藝要求進行試驗，評判其焊接性[3]。

1 母材復驗

在國產低溫鋼板到廠后，進行母材復驗，對母材的化學成分(質量分數)和力學性能進行檢驗，結合LR規范要求評判。試板板厚分別為10 mm、14 mm、28 mm、34 mm。試板規格為300 mm×200 mm，200 mm為軋制方向，取樣部位應在鋼板未標注爐批號一端，所取試板均應刻上原爐批號、規格和軋制方向，按圖1取樣部位每張鋼板取2塊試板。

圖1 鋼板復驗取樣部位

1.1 母材化學成分(質量分數)

試板化學成分(質量分數)復驗結果如表1所示。低溫鋼試板化學成分(質量分數)符合LR規范要求。

表1 母材化學成分(質量分數)

1.2 母材力學性能

試板力學性能復驗結果如表2所示。低溫鋼試板的強度和延伸率等力學性能滿足規范要求，屈強比在0.85以下。

表2 母材力學性能

不同溫度下的母材夏比V型沖擊功如表3所示。低溫鋼試板的低溫沖擊韌性均滿足規范要求。通過對試板在不同溫度(-100～-60 ℃)下的低溫沖擊檢測，掌握其DBTT基本在-85～-80 ℃。鋼廠在該鋼種研發時進行的落錘試驗結果[4]與復驗試驗結果基本吻合。VLGC液艙的設計溫度為-52 ℃，國產低溫鋼可滿足規范要求，并保證液貨運營過程中的安全性。

表3 不同溫度下的母材夏比V型沖擊功

2 冷加工性能測試

考慮VLGC液艙及次屏蔽結構存在冷加工成型的情況，為檢驗國產低溫鋼冷加工性能(特別是低溫沖擊性能)是否滿足規范要求，按VLGC液艙角隅處轉圓板(加工曲率半徑為600 mm)要求，在冷壓成型后對3塊試板(見圖2)進行強度、延伸率和斷面收縮率等力學性能測試。冷加工試板橫向低溫(-60 ℃)沖擊性能如表4所示。

圖2 冷加工試板外觀

表4 冷加工試板力學性能

將冷加工力學性能測試結果與復驗結果進行比較可看出：國產低溫鋼在強度、延伸率、低溫沖擊等性能方面滿足規范要求，且與母材試驗結果一致，特別是低溫沖擊性能裕量較大，平均值為295 J，大幅超過標準要求，可滿足現場冷加工生產要求。

3 火工試驗

由于現場生產存在水火加工、矯形的情況，根據船廠施工實際情況，選用板厚為14 mm的試板加熱至900 ℃，空冷至550 ℃及以下水冷[5]。

3.1 火工試驗要求

火工試板在加工作業區用氧丙烷火焰加熱，采用線狀加熱(橫向擺動)方式沿試板軋制方向烘烤寬約50 mm的火工加熱帶，在水冷時應注意入水溫度控制。在現場試驗時按實際生產中的要求進行操作，并用遠紅外測溫儀進行溫度測量。

3.2 火工試板力學性能

火工試板強度、延伸率、低溫沖擊等力學性能檢測結果如表5所示。火工試板加熱至900 ℃、空冷至550 ℃及以下水冷，強度、延伸率、低溫沖擊等力學性能得到保證；按加熱至900 ℃、空冷至550 ℃水冷的要求循環3次操作，力學性能仍得到保證。

表5 火工試板力學性能

4 焊接工藝試驗

4.1 焊接工藝要求

為驗證國產低溫鋼試板是否滿足現場焊接生產需要，保證焊接接頭良好的焊接性能，采用船廠現行的焊接方法、焊接工藝要求、焊接材料進行焊接工藝試驗。焊接工藝試驗包含手工電弧焊、CO2半自動焊、埋弧焊，雙面焊、單面焊，半自動、全自動角焊，完全覆蓋現場生產。

4.2 焊接試板無損探傷

焊接試板焊縫表面成型良好，焊后按工藝要求進行滲透探傷(Penetrant Testing，PT)和射線探傷(Radiographic Testing，RT)，未發現氣孔、裂紋、未熔合等缺陷。探傷標準：PT采用JIS Z2343-2001標準；RT采用JIS Z3104-1995標準，2級合格。

4.3 焊接試板力學性能

對接焊試板力學性能如表6所示。對接焊試板接頭強度方面均滿足規范要求，且接頭均斷在母材部位，接頭強度比母材高；冷彎方面均滿足規范要求。

表6 對接焊試板力學性能

角接焊試板力學性能如表7所示。角焊縫折斷后斷口均無缺陷，說明母材與焊材的匹配良好，按工藝要求施焊可保證接頭的焊接質量。

表7 角接焊試板力學性能

4.4 焊接試板金相硬度

焊接試板接頭(含對接和角接)按標準要求進行宏觀金相及硬度檢測，宏觀金相如圖3所示。焊接試板接頭的焊縫及熱影響區均未發現裂紋及未熔合等缺陷。對接頭的焊縫、熱影響區及母材部位進行硬度檢測(維氏硬度HV10標準)，硬度最高值為287，小于規范要求的350，說明母材與焊材匹配良好，按工藝要求施焊可保證接頭的焊接質量，出現冷裂紋的概率較低。

圖3 焊接試板接頭宏觀金相照片示例

5 工程應用

通過對國產低溫鋼進行母材復驗、冷加工測試、火工試驗及焊接工藝試驗，掌握其材料特性及焊接工藝適用性情況。在國產低溫鋼的公司首制船工程應用中，根據船級社規范和國際散裝運輸液化氣體船舶構造和設備規則(IGC Code)，進一步優化焊接工藝參數，細化火工質量控制方法，推動實船應用質量穩定可控。該船液艙外板對接焊縫射線片數為31 915張，經RT檢測，一次合格片數為31 408張，一次合格率為98.41%，優于該船質量保證大綱要求指標，焊接質量穩定可控。該船液艙對接縫焊接試板設置684塊，經力學試驗，一次合格數為682塊，一次合格率為99.71%。

根據IGC Code，對A型和B型獨立液貨艙及半薄膜液貨艙的產品焊縫試驗應包括如下試驗：(1)每50 m的焊縫進行彎曲試驗；(2)在提出要求時，進行1組3個夏比V型缺口的沖擊試驗[6]。液艙對接縫焊接試驗結果表明，國產低溫鋼的公司首制船液艙建造質量穩定可靠，滿足規范要求。

6 結 語

國產低溫鋼的公司首制船在交船后營運狀態良好，船體及液艙性能優良，無任何材料和焊接問題。國產低溫鋼工程應用的成功，打破日本鋼廠壟斷VLGC低溫鋼材料的局面，使中國船廠在與日韓等國船廠競爭VLGC訂單時具有更多的質量、成本和建造周期優勢，進一步鞏固中國船廠在VLGC細分領域的領先地位。