鋁合金材料在船舶與海洋工程裝備中的應(yīng)用

陳海杰

摘要：現(xiàn)階段，我國(guó)現(xiàn)代船舶和海洋工程領(lǐng)域發(fā)展比較迅速，鋁合金在船舶技術(shù)中的應(yīng)用也不斷深入，鋁合金越來越受到人們的認(rèn)可與青睞。在此背景下，本文首先對(duì)船用鋁合金的基本含義及其抗腐蝕性能的概述進(jìn)行了細(xì)致地分析，接著系統(tǒng)闡述了鋁合金材料在船舶與海洋工程裝備中的具體應(yīng)用，希望可以為我國(guó)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量。

關(guān)鍵詞：鋁合金;船舶與海洋工程;具體應(yīng)用

一、我國(guó)船用鋁合金的概述

船用鋁合金材料擁有優(yōu)異的抗腐蝕能力和可焊性等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足航海的特定要求。目前船用鋁合金材料一般使用鋁鎂合金、鋁鎂硅合金材料和鋁鋅鎂合金材料。其中，最常見的是硅鋁合金和鋁鋅鎂合金材料。但由于在一般狀況下，經(jīng)過焊接后的鋁合金的耐腐蝕性能往往會(huì)變差。而且，由于鋁鋅鎂和鋁鎂硅合金之間還有其他作用。所以，鋁鋅鎂合金材料也可使用于在焊后進(jìn)行熱處理的工件上，而鋁鎂硅合金則大多用于型材。但因?yàn)樵诖吧系墓ぷ鳝h(huán)境相當(dāng)特殊，對(duì)韌性和耐腐蝕性的要求都非常高，因此硬度更高的鋁合金材料很難同時(shí)具有上述特性。所以，鋁合金材料一般用作造船，使用中等硬度的鋁合金材料，不但具備了耐腐蝕性和一定的加工強(qiáng)度，同時(shí)，也可以全部由鋁合金材質(zhì)經(jīng)過加熱或焊接而成。另外，在造船中所用的鋁合金材料也可以按照功能劃分，可分為造船結(jié)構(gòu)用鋁合金和索具用鋁合金。用于造船結(jié)構(gòu)的鋁合金，主要有如下三類合金：5083、5086、5456，鋁合金系合金主要用于船舶的結(jié)構(gòu)制造但由于它易于被海水侵蝕。而七千系合金熱處理后的硬度和機(jī)械加工性能均優(yōu)于五千系合金，故大多用作擠壓構(gòu)件、裝甲板以及艦船上部構(gòu)件的耐應(yīng)力腐蝕[1]。

二、鋁合金的抗腐蝕性能概述

海水與鋁合金之間會(huì)產(chǎn)生電流反應(yīng)。其中，海水是最典型的電解質(zhì)水溶液。而鋁合金在海水中產(chǎn)生的侵蝕現(xiàn)象，其實(shí)就是一個(gè)電化學(xué)的侵蝕過程。鋁合金良好的抗腐蝕強(qiáng)度能主要是因?yàn)樗砻娼饘俸涂諝猱a(chǎn)生的鈍化膜的特性，有很高的自愈力。可以強(qiáng)制避免內(nèi)部金屬腐蝕，但海水中的氯化物離子也會(huì)破壞鈍化鋁合金層，從而產(chǎn)生孔蝕、剝落侵蝕、間隙腐蝕、晶間腐蝕、應(yīng)力侵蝕等。經(jīng)有關(guān)的科學(xué)研究證明，海水中氯離子的腐蝕速率低于5000系鋁合金，而6000系鋁合金的耐腐蝕性能更好。

三、鋁合金材料在船舶與海洋工程裝備中的具體應(yīng)用

（一）在民用船領(lǐng)域中的應(yīng)用

鋁合金在造船業(yè)中的應(yīng)用可以追溯到十九世紀(jì)后期，首先在歐洲和美國(guó)大量生產(chǎn)。但是，由于當(dāng)時(shí)僅有少數(shù)鋁合金材料的高抗拉強(qiáng)度和耐腐蝕性還沒有占有一席之地，所以一直未能受到人們普遍的使用和關(guān)注。只是在冶金行業(yè)的迅速發(fā)展壯大以后，鋁合金材質(zhì)中耐蝕性最高的鋁鎂合金的存在，才受到了船舶工業(yè)的應(yīng)有注意。而在二十世紀(jì)中葉，由于鋁合金材料在民用船舶上的運(yùn)用也達(dá)到了相當(dāng)?shù)母叨龋虼讼鄳?yīng)的鋁合金科技也獲得了相應(yīng)的發(fā)展，如鋁合金板（5486-H32、5456-H32板）的合金系列應(yīng)用五XXX系五千零五十四合金材料、鋁TIG焊技的發(fā)展，以及在二十世紀(jì)中后期隨著鋁及其合金產(chǎn)品價(jià)格的降低，市場(chǎng)對(duì)焊接技術(shù)興趣和鋁及其合金的其他性能。

（二）在工作船領(lǐng)域中的應(yīng)用

和其他種類的船舶一樣，工作船舶也對(duì)鋁合金材質(zhì)提供了不同的條件，尤其是更長(zhǎng)的使用壽命以及更少的維修成本。而鋁合金工作船舶的使用壽命則通常在數(shù)十年之間。因?yàn)樗诤Ｑ笾械奶匦暂^差，所以不會(huì)遭受外力的傷害，也因此減少了工作船的維修成本。而至于已經(jīng)退役的工作船，這往往是由于制造和搬運(yùn)技術(shù)比較落后和復(fù)雜。為了滿足新形勢(shì)下工作船舶的需要，并不是因?yàn)殇X合金的質(zhì)量。

（三）在LNG貨船上的應(yīng)用

LNG貨輪主要用于液化天然氣的海上運(yùn)輸，但因?yàn)樘烊粴膺\(yùn)輸?shù)木嚯x需要完全為海上船只所包圍。因此在設(shè)計(jì)裝運(yùn)天然氣或LNG的貨輪時(shí)，尤其是在天然氣儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)時(shí)，最宜采用中低溫比較。與金屬材料相比，質(zhì)量好的金屬材料和相對(duì)較大的耐腐蝕性和柔韌性好。但鋁合金材料的質(zhì)量卻很差。在較低溫情況下，鋁合金材料硬度更高[2]。

（五）海上直升機(jī)平臺(tái)的應(yīng)用

建造海洋油氣鉆井平臺(tái)使用最普遍的建筑材料就是鋼鐵。因?yàn)殂@井平臺(tái)長(zhǎng)時(shí)間裸露于海平面上，鋼鐵盡管十分耐久，但也存在著銹蝕等相關(guān)問題。在海洋石油勘探設(shè)施中，直升機(jī)停機(jī)坪也是十分關(guān)鍵的組成部分，可進(jìn)行直升機(jī)起落等工作，是飛機(jī)與地面間聯(lián)絡(luò)的主要紐帶。但由于直升機(jī)體型比較笨重，對(duì)自身重量和結(jié)構(gòu)的剛度要求也比較高，而鋁制大型直升機(jī)甲板模塊則重量輕，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度特點(diǎn)比較良好。鋁合金制大型的直升機(jī)平臺(tái)，包括副車架和安裝在副車架上的由鋁合金型料組拼而成的甲板單元。型料的縱向斷面近似于“工”結(jié)構(gòu)，在上部中央有一個(gè)帶肋的腔間，下面還有一個(gè)高度較低的地板面板。利用了鋁合金型材料的熱力學(xué)原理和抗彎強(qiáng)度原理，在滿足力學(xué)性能需要的同時(shí)減輕了墻體自重。此外，鋁合金大型直升機(jī)平臺(tái)在海洋環(huán)境中也更易于維護(hù)，其抗腐蝕強(qiáng)度特性更加優(yōu)異：由于使用了質(zhì)樸拼合結(jié)構(gòu)，無焊接的高溫影響區(qū)，可延長(zhǎng)使用年限，并避免了損壞情況。

（六）在油氣開采鉆桿中的應(yīng)用

在對(duì)海底石油進(jìn)行開采過程中，通常會(huì)使用由鋁合金制作而成的鉆井設(shè)備。由于鉆井設(shè)備對(duì)海底石油資源的效率有非常重大的影響，而且由于海底石油開采條件十分惡劣，鉆井設(shè)備中鉆桿的維護(hù)較為困難。因此，采用鋁合金材料制作的鉆桿，可以延長(zhǎng)鉆井設(shè)備的使用年限，并具有較強(qiáng)的抗沖擊能力、重量輕、扭矩大等眾多優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際開采過程中能有效減少不必要的摩擦，也能夠在一定程度上在提高鉆井效率。總體來看，在海下石油資源開發(fā)中，可以充分體現(xiàn)鋁合金的功能和作用，其使用前景也不可估量。

（七）在船用港口中的應(yīng)用

港口是停泊船只的主要地點(diǎn)，因而港口的材料需要具有較高的耐腐蝕強(qiáng)度、承載能力和剛度，而鋁合金材料將上述條件充分結(jié)合。所以，在碼頭中的舟橋、過道和跳臺(tái)跳水均可以用各種類型的鋁合金材料焊接而成，但尤其要注意的是在生產(chǎn)過程中不得對(duì)浮船塢道以及其他構(gòu)件進(jìn)行化學(xué)噴漆。

結(jié)論：通過文章分析得知，由于對(duì)鋁合金材料的研發(fā)工作越來越多，因此鋁合金材料更多地被運(yùn)用在了造船和海洋工業(yè)領(lǐng)域中，這也就表現(xiàn)出了它作為建材的重要意義。而作為建造船舶的主要建筑材料，它也為提升穩(wěn)定性和航速以及減少能耗提供了突出貢獻(xiàn)。在海洋工程領(lǐng)域，鋁合金建筑材料因其卓越的抗腐蝕強(qiáng)度能和特性，被廣泛應(yīng)用于海洋基礎(chǔ)設(shè)施的建造。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝光能.鋁合金在船舶和海洋工程中的有效應(yīng)用[J].船舶物資與市場(chǎng).2019（01）：90-93.

[2]劉繼鋒，郭亮，王宇.鋁合金在船舶工程中的應(yīng)用實(shí)踐探微[J].中國(guó)金屬通報(bào).2019（04）：356-359.