No96型LNG船货舱围护系统殷瓦焊接检验研究

余勇华，管金珏，徐 骁，王庆丰

(1.江苏新扬子造船有限公司，江苏 靖江 214532；2.招商重工(江苏)有限公司，江苏 南通 226116；3.江苏科技大学，江苏 镇江 212000)

0 引言

目前，LNG船舶运输是实现LNG跨地区远洋运输的最有效方式，故世界范围内投入使用的LNG船的数量正逐年增加。LNG船最重要的船体结构就是LNG液货舱。多年以来，液货舱研制了多种型制，如：球罐型(Moss、Esso)、薄膜型(GTT、CS、TECHNIGAZ)、自持式棱柱型(SPB)等，其中薄膜液货舱型优势愈来愈突出。薄膜型液货舱船型根据施工方法与绝热种类分为GTT No96型、CS-1和Mark Ⅲ型，其中：Mark Ⅲ型的液货舱材料是由绝缘板及刚性绝缘材料组成，GTT No96型液货舱是由绝缘材料组成的绝缘箱。GTT No96型和Mark Ⅲ 2种形式的薄膜型LNG货物围护系统几乎占据了所有在建的LNG船的市场，但是GTT No96型在船体建造工艺和要求尤其是加工精度与焊接等方面要比Mark Ⅲ型要求更高。

No96型围护系统的主要优点是主、次屏壁所采用的殷瓦钢热膨胀系数极低，比较容易实施自动焊接的方式；缺点是殷瓦钢价格昂贵，焊接工艺要求严格、精度标准高并且其厚度较为薄。其中绝缘箱的制作与安装、超薄殷瓦钢的焊接与装配、装卸液货用泵塔的制作与安装又被誉为LNG船货舱围护系统的核心和难点。

本文对殷瓦特性及焊接相关操作进行分析，着重研究焊接检测部分的目检、渗透和宏观金相等的控制，详细记录各个工序，结合规范可为LNG船货舱围护系统殷瓦焊接检测工艺操作提供参考。

1 殷瓦的特性及焊接方法

1.1 殷瓦的特性

(1)殷瓦可在超低温的条件下保持良好的工作性能、较好的延展性和可焊接性，且再加工后不易被腐蚀。

(2)殷瓦热膨胀系数小，强度和硬度不高，导热系数低，塑性、韧性、延伸率、断面收缩率及冲击韧性都很高。

(3)殷瓦不能热处理强化，其特性与奥氏体不锈钢类似，但比奥氏体不锈钢更难加工。

(4)切削加工中所需切削力大、切削温度高，必须采用高性能刀具。

(5)殷瓦十分薄，极限厚度为0.5 mm，因此在焊接过程中需要精确控制焊接流程及熟练的焊接技巧，避免产生氧化或焊穿等现象。

1.2 殷瓦的焊接方法

No96薄膜型LNG货舱围护系统内，殷瓦的焊接主要为手工焊和自动焊2种形式。手工焊采用手工氩弧焊(TIG焊)，自动焊有自动TIG焊和缝焊2种形式。

2 殷瓦焊接的检验

No96型LNG船货舱围护系统的焊接整体性检验包括目检、渗透、宏观金相、强度试验、支撑试验、氦气试验、全船试验等，但针对殷瓦焊接接头的检测只有目检、渗透和宏观金相。

2.1 目检

焊缝首先要进行外观检测，其纵向成形波纹密度需均匀且保持良好的直线度。焊缝表面应尽可能光顺，从上方殷瓦板平顺过渡至下方殷瓦板，背面不能有焊穿等缺陷。

2.2 渗透检测

殷瓦试样经目检合格后，进行渗透检测，以检测表面是否有目检不易检测到的焊接缺陷。

2.3 宏观金相

目检和渗透检测都合格的焊接试样需要进行宏观金相观察，根据焊缝成形要求判断焊接接头是否合格。在实际生产中，为确保焊接质量，焊工通常需要焊接几个试样并进行宏观金相检测，合格后方可进行正式产品的焊接。

宏观金相试样制作完毕后必须进行电子显微镜拍照、微观电子测量、标记尺寸等，最终形成宏观金相照片。根据对接头各部分测量的数值与标准要求数值进行比较，全部测量数值在标准要求范围内方可认为焊接接头合格。

2.4 金相试样制作和观察

2.4.1 金相试样制备

(1)将需要进行宏观金相检测的焊接接头切割成10～15 mm宽、20～25 mm长的试样，确保整个接头焊缝端面位于试样中央，然后打磨两侧端头毛刺，将打磨好的样品放入树脂试样镶嵌机进行镶嵌，以增加试样的体积便于样品表面的抛光研磨。

镶嵌完毕的试样放在抛光机上进行研磨抛光，确保焊缝切面研磨光亮。同一个镶嵌试块内可镶嵌多个试样。

2.4.2 样品酸蚀液的制定

试样抛光研磨完毕后，需要对接头抛光端面进行酸蚀，观察接头端面熔合线。本文试验了2种酸蚀液，酸蚀液酸蚀端面速度越快，熔合线越明显。

酸蚀配方①：50 ml的蒸馏水、50 ml 94%～95%溶度的工业酒精、50 ml的溶度最小为37%的盐酸溶液、20克无水硫酸铜。

酸蚀配方②：50 ml的蒸馏水、50 ml 94%的高纯度工业酒精、50 ml浓度为60%的硝酸。

经过对酸蚀试样的观察，酸蚀配方①的效果明显优于酸蚀配方②，但酸蚀配方②的组成成分更容易取得。酸蚀液必须储藏在深色避光密闭玻璃瓶中。配方中的成分比例取得约数值，如需更好的效果，需要对各成分的比例进行微调。

2.4.3 试样酸蚀观察

(1)酸蚀试样前先用94%～95%蒸馏水溶液清洗，去除焊接样品表面的油脂，然后用干净的干棉花球擦拭去除表面水分，防止影响酸蚀液的效果。

(2)用棉花球蘸取酸蚀液，将酸蚀液均匀地涂抹在金相试样接头的断面上，大约过5 min后进行观察。如果一次没有达到需要的酸蚀效果，就需要多做几次。通常在20 ℃以下试验效果会比较好。

(3)用蒸馏水冲洗试样，干燥后将试样放在15～100倍的电子显微镜下观察焊缝的几何特征。测量时需要将电子显微镜连接到屏幕和打印机上，根据成形画面测量数据。

2.5 试样几何数据分析

对电子显微镜下的试样焊缝进行几何数据的测量后，将各部分的测量数值与标准给定的参数进行对比，以判断焊接接头的成形是否合格。

2.5.1 殷瓦搭接接头数据测量

搭接接头测量的数据主要有板厚

e

、

e

，上板处焊缝成形弧度半径

R

，焊缝在下板上的熔深

P

，熔宽

L

，其示意图见图1。

图1 搭接接头数据测量示意图

不同的搭接方式，根据上下板厚的不同，熔深

P

和熔宽

L

的标准要求不同，见表1。

表1 搭接接头测量标准 单位：mm

本文以1.5 mm No.11试样与0.7 mm No.13试样的殷瓦搭接为例进行数据测量。

试验焊缝接头测量数据统计见表2。

2.5.2 殷瓦顶焊接头数据测量

顶焊接头测量的数据主要有外侧板厚

e

、

e

，焊缝成形弧度半径

R

，见图2，测量标准见表3。

图2 顶焊接头数据测量示意图

表2 1.5 mm与0.7 mm搭接接头数据测量

表3 顶焊接头测量标准 单位:mm

试验焊缝接头测量数据统计见表4。

3 结论

(1)检测工艺的质量很大程度决定焊接质量的高低。为了使焊缝成形美观、焊接接头不发生焊接缺陷、焊接质量优良，就必须进行严格的检测。

(2)结合相关规范的要求，本文通过电子显微镜对焊接接头熔敷金属成型、深度及半径的检测办法，判断试样是否符合殷瓦焊接标准要求。

表4 1.5 mm与1.5 mm顶焊接头数据测量