林文虎，華學明*，吳毅雄，唐永生，張匯平

[1. 上海交通大學上海市激光制造與材料改性重點實驗室，上海 200240； 2. 滬東中華造船(集團)有限公司，上海 200129]

大型液化天然氣船圍護系統(tǒng)及其低溫金屬材料焊接技術(shù)

林文虎1，華學明1*，吳毅雄1，唐永生2，張匯平2

[1. 上海交通大學上海市激光制造與材料改性重點實驗室，上海 200240； 2. 滬東中華造船(集團)有限公司，上海 200129]

液化天然氣(LNG)船圍護系統(tǒng)的材料選擇影響液貨艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計、安全性設(shè)計和成本設(shè)計，其中金屬材料是與設(shè)計和制造過程關(guān)聯(lián)程度最大的因素。討論了圍護系統(tǒng)的承力構(gòu)件和保溫層的組成結(jié)構(gòu)，考慮在-196 ℃具有可行性的低溫金屬材料有Invar合金、304L不銹鋼、Ni9鋼和A5083鋁合金。材料的導熱性能影響隔熱層設(shè)計和焊接冶金，強度影響板材厚度的設(shè)計，厚度則影響材料的成本、加工、搬運、安裝和焊接。總結(jié)了4種金屬材料的材料性能參數(shù)和焊接性。

液化天然氣船； 低溫金屬材料； 材料性能； 焊接性

0 引 言

近年來，國際油價上漲，國內(nèi)煤炭資源緊張，導致我國天然氣需求量日益增加。我國是天然氣進口大國。我國天然氣主要通過陸上管道和船舶運輸，其中船舶運輸以液化天然氣(LNG)為主。LNG體積僅為同質(zhì)量天然氣的1/600，適合長途運輸。LNG船按照液貨圍護系統(tǒng)(稱為液貨艙或貯藏艙)分類，LNG液貨圍護系統(tǒng)主要分為薄膜型和獨立型[1-3]。薄膜型液貨圍護系統(tǒng)是非自身支持的液貨圍護系統(tǒng)，薄膜金屬鋪設(shè)在固定于船體結(jié)構(gòu)上的絕熱木箱上。薄膜金屬材料與保溫木箱以特殊結(jié)構(gòu)形式組裝，有著承受載荷和保溫的作用。這類金屬材料價格貴、厚度薄、焊接技術(shù)難度大，如304L不銹鋼和Invar合金。獨立型液貨圍護系統(tǒng)是能夠自身承擔載荷的液貨圍護系統(tǒng)。獨立型液貨圍護系統(tǒng)又可以分為A、B、C三種類型。MOSS型和SPB型屬于B型；C型圍護系統(tǒng)符合壓力容器標準，在中小型LNG船的設(shè)計中經(jīng)常采用[4]。獨立型液貨圍護系統(tǒng)由金屬材料組成，能夠承受載荷，載荷不需要船體結(jié)構(gòu)分擔。在這類圍護結(jié)構(gòu)中設(shè)計的材料厚度大，厚板材料焊接質(zhì)量要求高、難度大、工作量大，如Ni9鋼、A5083鋁合金和304L不銹鋼。

在低溫壓力容器制造和服役過程中，LNG船在海上運行時液貨艙溫度長期保持在-163 ℃，在接收站裝卸LNG時溫度會由-163 ℃升高到25 ℃，而且船舶行進時船體晃動，對液貨圍護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞晃蕩載荷。因此，在選擇金屬材料時，要考慮材料以下重要性能：(1)線熱膨脹系數(shù)，隨溫度的變化要盡可能小，降低溫差應(yīng)力；(2)熱導率，熱導率小能提高液貨圍護系統(tǒng)的保溫性能，減少LNG的蒸發(fā)；(3)低溫韌性，低溫韌脆轉(zhuǎn)變溫度要低，低溫抗拉強度要高，低溫塑性要好，保證金屬材料使用的安全性；(4)沖擊和疲勞特性，優(yōu)良的沖擊和疲勞性能可以降低長時間服役的風險；(5)材料成型性，優(yōu)良的成型能力可以降低材料加工的成本；(6)焊接性，焊接作為低溫壓力容器制造過程的重要組成部分，優(yōu)良的焊接性和高質(zhì)量的焊接接頭是保證壓力容器的重要安全因素。

本文主要討論了薄膜型和獨立型兩種類型LNG船液貨圍護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析了各種金屬材料的焊接技術(shù)特點。

1 LNG船液貨圍護系統(tǒng)

1.1 薄膜型液貨圍護系統(tǒng)

目前薄膜型液貨圍護系統(tǒng)有No.96、 Mark III和CS 1三種形式。前兩者廣泛應(yīng)用，構(gòu)造如圖1所示[2]。No.96型主屏壁和次屏壁選用的薄膜金屬都是0.7 mm的Invar合金，絕熱材料是填充帶有珍珠巖或玻璃纖維增強聚氨酯泡沫(PUF)的膠合板木箱；而Mark III型主屏壁選用的薄膜金屬是1.2 mm的波紋形304L不銹鋼，次屏壁是兩層玻璃棉夾薄鋁片的三明治結(jié)構(gòu)，絕熱材料是添加玻璃纖維的增強型聚氨酯泡沫。在薄膜型液貨圍護系統(tǒng)中，低溫金屬材料的作用是絕熱密封，結(jié)構(gòu)的強度依賴于絕熱結(jié)構(gòu)和船體。

圖1 薄膜型圍護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖[2]Fig.1 Schematic of membrane type containment system[2]

1.2 獨立型液貨圍護系統(tǒng)

目前大型LNG船采用的獨立型液貨圍護系統(tǒng)有Conch型、MOSS型、SPB型等，結(jié)構(gòu)如圖2所示[2]。Conch型金屬材料選擇A5083鋁合金，絕熱材料選擇巴爾沙輕質(zhì)木材或硬質(zhì)聚氨酯泡沫，內(nèi)襯于儲罐內(nèi)表面。MOSS型主屏壁金屬材料是Ni9鋼或A5083鋁合金，絕熱材料選用聚氨酯泡沫和酚醛泡沫雙重絕熱板塊系統(tǒng)。SPB型主屏壁材料選擇Ni9鋼或A5083鋁合金，絕熱材料選用加強乙烯泡沫或塊狀硬質(zhì)聚氨酯泡沫，安裝在儲罐外表面，部分次屏壁為特殊設(shè)計的承底盤。Conch型是SPB型的初始設(shè)計，已逐漸不再采用。獨立型液貨圍護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，低溫金屬材料的主要作用是承受載荷。

圖2 獨立型圍護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖[2] Fig.2 Schematic of supporting type containment system[2]

2 LNG船金屬材料及其焊接性

Invar合金和304L不銹鋼是薄膜型LNG船液貨圍護系統(tǒng)中最常用的金屬材料，材料厚度在1 mm左右；而在獨立型圍護系統(tǒng)的LNG船中，Ni9鋼、A5083鋁合金和304L不銹鋼材料厚度屬于中厚度范圍。Park等[5]比較了300系不銹鋼、Invar合金和A5083鋁合金在不同的低溫溫度和應(yīng)變速率下的力學行為，得到了應(yīng)變強化和應(yīng)變敏感性隨溫度和應(yīng)變速率變化的關(guān)系。Yoo等[6]對304L不銹鋼、A5083鋁合金和Ni9鋼的屈服強度、抗拉強度、彈性模量、裂紋擴展和疲勞強度進行了研究，得到了許多寶貴的數(shù)據(jù)。張成俊[7]早期就對304L不銹鋼、Ni9鋼、A5083鋁合金和Invar合金的低溫沖擊、強度、塑性和疲勞應(yīng)力-壽命(S-N)曲線做了總結(jié)，具有參考價值。結(jié)合材料手冊、美國材料與試驗協(xié)會(ASTM)標準及文獻資料，總結(jié)了這4種金屬材料的物理性質(zhì)和力學性能，如表1所示。

表1 四種低溫金屬材料參數(shù)

注：本表格大部分數(shù)據(jù)來自Matweb數(shù)據(jù)庫網(wǎng)站。NNT表示二次正火加回火；QT表示淬火加回火；QLT表示淬火兩相區(qū)淬火加回火；O態(tài)和H態(tài)分別表示退火態(tài)和加工硬化態(tài)；RT和CT分別表示室溫和低溫。

2.1 Invar合金焊接技術(shù)現(xiàn)狀

Invar合金[11]是一種含36% Ni(質(zhì)量分數(shù))的低膨脹Fe-Ni合金，由于其低膨脹特性，多用于精密儀器、電子工業(yè)和航空工業(yè)，也應(yīng)用在極低溫的輸送管道和LNG圍護系統(tǒng)的儲罐內(nèi)壁。其主要化學成分為Fe、36%Ni，除部分鐵磁性元素Co和Cu外，其他任何元素和夾雜都會使線膨脹系數(shù)增大，因而在保證Invar合金的成形性和焊接性的條件下，應(yīng)盡量降低Si、Mn、C的含量。

Invar合金為單相奧氏體組織，冶金上容易產(chǎn)生凝固裂紋。在Invar合金焊絲中加入Ti、Mn等合金元素，增加C的含量，適當添加Nb元素，可以降低Invar合金的裂紋問題，這是由于由Ti、Mn、Nb產(chǎn)生的析出相可以對晶界遷移形成釘扎作用。Invar合金還應(yīng)盡量避免焊接過程中熱膨脹的影響。

Invar合金常用的焊接材料為M93，常選擇填絲鎢極惰性氣體保護焊(TIG焊)的焊接方法。從提高焊接效率的角度看，也會考慮攪拌摩擦焊和激光焊接。攪拌摩擦焊沒有熔化過程，不會產(chǎn)生凝固裂紋；而激光焊接的熱影響區(qū)寬度小，焊接速度高。

在薄膜型LNG船中使用的Invar合金材料厚度薄，無論何種焊接方法，對熱輸入量的控制都極為嚴格，尤其要在隔熱木箱上進行焊接。Invar合金以搭接接頭為主，對表面的清潔度要求很高。由于Invar合金常溫下接觸水和油都極易生銹，對材料的保護和焊接現(xiàn)場的管理都有極其苛刻的要求。

2.2 304L不銹鋼焊接技術(shù)現(xiàn)狀

304L不銹鋼[12]是常溫下具有奧氏體組織的不銹鋼，在低溫時能保持足夠的塑性和韌性。奧氏體型不銹鋼無磁性、塑性高、強度低，需要通過冷加工強化，耐腐蝕性能優(yōu)良，廣泛應(yīng)用于船舶、容器管道、精密零件等行業(yè)。304L不銹鋼與碳鋼相比，具有高電阻、大的熱膨脹系數(shù)和低的熱導率。因此，焊接后容易出現(xiàn)粗晶、大熱應(yīng)力等不利結(jié)果。由于合金元素含量高，導致熔體黏度大，易出現(xiàn)氣孔和焊縫咬邊；另外凝固區(qū)間寬，結(jié)晶時間長，雜質(zhì)偏析嚴重，容易出現(xiàn)熱裂紋。

304L不銹鋼常用的焊接材料為308不銹鋼，常采用TIG焊和熔化極惰性氣體保護焊(MIG焊)的焊接方法，而攪拌摩擦焊和激光焊的方法也在廣泛研究中。在薄膜型LNG船中，304L不銹鋼熱膨脹系數(shù)大，焊接變形大，常把304L不銹鋼加工成波紋形，這種特殊的結(jié)構(gòu)形式有利于降低焊接變形的影響。304L不銹鋼焊接接頭中，奧氏體有利于保證低溫韌性。

2.3 Ni9鋼的焊接技術(shù)現(xiàn)狀

Ni9鋼[13]是一種低碳中合金鋼，通過特殊的熱處理方式，如淬火加回火(QT)、淬火兩相區(qū)溫度淬火加回火(QLT)等，可以獲得優(yōu)良的低溫性能。熱處理后的Ni9鋼在常溫下的組織為回火馬氏體和殘余奧氏體。兩相區(qū)溫度淬火，一方面細化組織，另一方面獲得含量更高的層膜狀分布的殘余奧氏體，使Ni9鋼成為在深冷溫度下還能正常使用的鐵素體型低溫鋼。

在MOSS型或C型液貨圍護系統(tǒng)LNG船中，Ni9鋼的厚度在20 mm以上，需要填充多層多道。多層多道焊的主要問題是容易產(chǎn)生氣孔，留下較大的焊接殘余應(yīng)力。不填絲或者填同質(zhì)焊絲，凝固組織由回火馬氏體變成樹枝晶狀的馬氏體組織，使Ni9鋼低溫韌性惡化；而填充鎳基合金焊絲，焊縫組織為樹枝晶狀的奧氏體組織，韌性還較好。焊接材料與母材線熱膨脹系數(shù)接近，可以減少熔合區(qū)焊接應(yīng)力，避免出現(xiàn)凝固裂紋。Ni9鋼屬于鐵素體型鋼，具有磁性，在熱處理、軋制、切削和搬運過程中，容易產(chǎn)生剩磁，影響電弧的穩(wěn)定性。多層多道焊條件下，Ni9鋼熱影響區(qū)經(jīng)歷了不同峰值溫度的多次焊接熱循環(huán)的作用，由于焊接過程時間短，Ni9鋼冷卻速度快，粗晶區(qū)為馬氏體組織，殘余應(yīng)力也較大，熱影響區(qū)的低溫韌性會惡化。

Ni9鋼常選擇手工焊條電弧焊、藥芯焊絲氣體保護焊和埋弧焊的焊接方法，焊接材料選擇高鎳合金，如NiCrMo型ENiCrMo-6、ENiCrMo-4及NiCrFe型ENiCrFe-9等。

Ni9鋼已用于C型艙LNG船和陸基LNG貯罐(最大16.7萬立方米)，我國已積累了一定的焊接技術(shù)經(jīng)驗。Ni9鋼焊接工藝需要注意以下問題：

(1) 焊前不預熱且控制層間溫度。由于預熱后層間溫度低，會降低焊后冷卻速度，這是有助于晶粒長大的，所以Ni9鋼一般不預熱，控制層間溫度不超過100 ℃。

(2) 選擇合適的線能量。因為線能量會影響接頭組織和性能，線能量控制在45 kJ/cm以下，通常為7～35 J/cm。

(3) 交流極性的電源可以減弱電弧磁偏吹的影響。

(4) 控制弧坑裂紋。減小弧坑，可避免弧坑裂紋產(chǎn)生，清根打磨成U形坡口，避免出現(xiàn)窄深的V形坡口。

(5) 控制冷裂紋。盡管使用中高鎳焊材焊接Ni9鋼的抗冷裂紋能力好，但在高氫的情況下，有一定的冷裂紋敏感性。特別是在焊接第一層焊縫時，根部附近的拘束應(yīng)力較大，容易產(chǎn)生裂紋。

2.4 A5083鋁合金的焊接技術(shù)現(xiàn)狀

A5083鋁合金[14]是一種具有較高強度、耐腐蝕性能好的不可熱處理強化鋁鎂系鋁合金，供貨狀態(tài)有退火態(tài)(O態(tài))和加工硬化態(tài)(H態(tài))，由α-Al固溶體和β-Al3Mg2相組成，加工硬化態(tài)的晶粒組織更加細小。A5083鋁合金的強化元素是Mg，添加元素Cr和Mn是為了改善抗應(yīng)力腐蝕開裂和抗拉的能力，添加Ti、B等細化晶粒的元素可降低熱裂紋敏感性。

鋁合金焊接過程中的共性問題是容易產(chǎn)生氣孔、熱裂紋和未熔合等缺陷以及母材軟化。A5083鋁合金對焊接氣孔極為敏感，隨著板厚的增加氣孔敏感性增加，當板材厚度大于25 mm時，控制焊接系統(tǒng)是一個棘手的問題，其原因是為了控制熱裂縫和接頭性能下降，必須采用小的焊接線能量，因板厚增加，鋁合金大的導熱系數(shù)使得小線能量條件下焊縫冷卻速度顯著增加，氣孔敏感性大大增加，同時多層多道焊增加了產(chǎn)生氣孔和未熔合的風險。隨著線能量的增加，焊縫金屬中Mg元素燒損加劇，樹枝狀晶組織聚集，焊縫金屬強度降低。A5083焊接后其強度為母材的70%～80%，因而需要嚴格控制鋁合金焊接熱輸入量。對于厚板A5083鋁合金，單位板厚的線能量需控制在20 (kJ/cm)/cm以下。

A5083鋁合金常選擇5183、5356、5556鋁合金焊絲作為焊材。焊接方法有MIG焊、TIG焊激光焊、電子束焊和攪拌摩擦焊。對于厚板而言，?？紤]小填充量的窄間隙焊接方法、大熔深的激光焊接方法或大熔敷的多絲電弧焊焊接方法。

在獨立型LNG船液貨圍護系統(tǒng)中，A5083鋁合金厚度在20 mm以上，甚至上百毫米。厚板鋁合金的焊接對環(huán)境要求苛刻，濕度大于60%時不易焊接[美國航空航天局(NASA)標準]；為了防止氣孔，對焊材、母材去油污和氧化膜的要求遠嚴于Ni9鋼和304L不銹鋼。A5083導熱系數(shù)大、線膨脹系數(shù)大、強度低、焊接變形大，焊接時需要采用不同于鋼制船舶的焊接臺架和夾具。我國造船廠建造在A5083鋁合金的結(jié)構(gòu)時，還有材料切割、成型和焊接設(shè)備等的投入，這是建造A5083鋁合金LNG圍護系統(tǒng)需要考慮的。

3 結(jié)束語

LNG船液貨圍護系統(tǒng)材料的選擇要根據(jù)船型設(shè)計、材料特性和制造成本等方面綜合考慮。我國已經(jīng)擁有薄膜型LNG船的制造技術(shù)，但對獨立型液貨圍護系統(tǒng)的LNG船制造經(jīng)驗較少。目前我國少數(shù)企業(yè)有用Ni9鋼制造中小型LNG船液貨圍護系統(tǒng)和大型LNG儲罐的經(jīng)驗，短期內(nèi)有利于發(fā)展以Ni9鋼為主的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的LNG船，滿足LNG的能源需求。為了給LNG液貨圍護系統(tǒng)設(shè)計提供更多的選擇，需要開發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)的新型低溫金屬材料，開發(fā)高效、高質(zhì)量的焊接新方法和焊接新材料。

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ReviewsoftheCargoContainmentSystemsofLargeScaleLNGCarriersandtheWeldingofRelatedLowTemperatureMetals

LIN Wen-hu1, HUA Xue-ming1, WU Yi-xiong1, TANG Yong-sheng2, ZHANG Hui-ping2

(1.ShanghaiKeyLaboratoryofMaterialsLaserProcessingandModification,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240,China2.Hudong-ZhonghuaShipbuilding(Group)Co.,Ltd.,Shanghai200129,China)

Materials selection of liquefied natural gas (LNG) cargo containment systems has influence on the design of structure, safety and cost. As cryogenic temperature metals make up the most in LNG carriers, they are closely related to the design and manufacture. Considering the bearing part and insulation part of containment system, four different metals including invar alloy, 304L stainless steel, Ni9 steel and A5083 aluminum alloy can be taken into account. Thermal conductivity influences the insulation layer’s design and welding metallurgy, while low mechanical strength improves the thickness of plate that influences the processing, moving, installation and cost. Material parameters and welding techniques of them are summarized.

liquefied natural gas carrier; low temperature metal; mechanical properties; weldability

U674.13+3.3； TG401

A

2095-7297(2014)02-0160-06

2014-05-29

工業(yè)和信息化部高技術(shù)船舶科研計劃“新型液化天然氣船液貨圍護系統(tǒng)預先研究項目”

林文虎(1991-)，男，博士研究生，主要從事焊接冶金和失效分析。

*通信作者。