化学品船的建造变形分析与控制

林 坤, 邵志杰, 黄 燕, 李志远, 王先孔

(沪东中华造船(集团)有限公司， 上海 200129)

化学品船的建造变形分析与控制

林 坤, 邵志杰, 黄 燕, 李志远, 王先孔

(沪东中华造船(集团)有限公司， 上海 200129)

双相不锈钢是一类集优良的耐腐蚀、高强度等诸多优点于一身的材料，越来越成为化学品船的内壳材料首选，本文主要对变形趋势进行分析，并结合典型产品介绍其典型应对控制措施。

双相不锈钢 变形控制

1 引言

双相不锈钢是一类集耐腐蚀、高强度优点于一体的钢种。其物理性能介于奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢之间，但更接近铁素体不锈钢和碳钢。其耐腐蚀能力明显大于300系列奥氏体不锈钢，而强度较奥氏体而言也表现更为优异，特别适合工程使用。图1为2205双相不锈钢材料与普通不锈钢材料对比。

图1 2205双相不锈钢材料与普通不锈钢材料对比

我公司新承接的化学品船，货舱内胆设计全部采用2205双相不锈钢材料，涉及双层底内底板、纵、横隔舱壁、舷侧内壳板、货舱反顶甲板等位置，单船材料使用量达到2 500 t。双相不锈钢的建造质量将直接影响整个产品的建造，其中，变形的预测与控制措施十分重要。表1为2205双相不锈钢元素分布表。

表1 2205双相不锈钢元素分布表

2 变形预测重要性分析

一般认为，双相不锈钢的铁素体与奥氏体比例为30%～70%时，可以获得良好的性能。如图2所示，在温度升高时，部分铁素体(α)与奥氏体(γ)会发生转变，相体平衡之间也会发生相应变化，同时会产生有害金属间相，从而影响整个双相不锈钢的性能。因此，双相不锈钢产品一般不建议采用火工矫正的方式，而采用冷加工矫正方式。

双相不锈钢材料的主要力学性能如表2所示，其屈服强度达到标准奥氏体不锈钢的2倍多，在产品上可以减小壁厚。然而由于强度大，塑性变形需要更大的外力，因此，一旦产生变形，需要更大的外力来矫正。

图2 Fe-Cr-Ni三元截面相图

表2 2205不锈钢的力学性能

同时，由于材料硬度大，与碳钢、奥氏体不锈钢相比，余量的切割、打磨则会变得十分困难。粗略统计，处理同样长度的余量板缝，双相不锈钢材料花费人工与碳钢相比在4倍以上。

综合以上三点，分析双相不锈钢材料的变形趋势，从而采取措施进行前期干预和预防十分重要。

3 变形理论分析与计算

3.1 焊接变形预测基本方法

国内外学者对焊接变形的研究至今已有半个多世纪的历史，关于焊接变形预测方法也取得了不少研究成果。这些方法归纳起来可分为三类：经验(试验)法，解析法和数值模拟法。

经验(试验)法是通过实验建立经验公式和数据曲线，用经验公式和数据曲线来估计焊缝的收缩量及角变形量。这些经验数据是在一定条件下的试验或生产实际中得到的，一般被限制在特定的变形模式上，具有一定的局限性。

解析法(弹性理论方法)是基于经典弹性理论的研究，忽略热弹-塑性的研究方法。该方法是建立在平截面假定和其它一些假定基础之上，推出焊接加热条件与变形间的关系。该法只能适用于一些简单的焊接构件，如简单梁板的焊接收缩变形和角变形。

焊接数值模拟法自上世纪70年代提出以来，得到迅猛发展。其中，热弹塑性有限元法和固有应变有限元法是常用的数值模拟方法。其理论上通过对复杂或不可观察的焊接现象进行模拟以及对极端情况下尚不知的规则的预测，以助于认清焊接现象的本质，弄清焊接过程的规律，从而优化结构设计和工艺设计。

3.2 本产品分析方法的选择

焊接数值模拟法，作为目前前沿的焊接变形预测方法，大量的实验数据显示，在输入合理的实验参数和边界条件，并结合典型材料、典型接头和不同的焊接工艺方法下的焊接变形数据库，可以获得与实测结果相比较为精确的计算数据。然而，该方法存在计算量庞大，边界条件精确选取难度大，材料高温性能参数数据不足等各种问题。

在新产品的策划过程中，单纯应用焊接数值模拟法进行预测变形从周期上、成本上都不能满足生产的需要。因此，在本船变形分析中，最终采用了经验数据与固有应变法中典型接头变形数据相结合的分析方法。

3.3 变形数据分析

从表3及表4中我们可以发现，与碳钢相比，2205双相不锈钢热膨胀系数基本一致，但导热率较碳钢小很多，焊接过程中的热量不易传导散发，焊接输入热量比较容易产生局部变形，在收缩方面，理论上应与碳钢基本一致。

表3 热膨胀系数

(来源：生产商数据)

表4 导热率

(来源：生产商数据)

(1) 拼板收缩。

根据产品板厚及结构特点，设计了横向四拼板的试验方案(见图3)，拼板间隙与产品一致，控制在1 mm以内，对焊接前后的纵向(L1，L2)、横向(W1，W2)以及对角(D1，D2)尺寸进行统计，如表5所示。

图3 拼板试验模型图

试件阶段L1L2W1W2D1D21收缩量0067772收缩量0287773收缩量2367874收缩量1167765收缩量006756平均收缩值0.61.26.476.86.6

试验结果显示，内底板不锈钢拼板焊接沿长度方向基本无收缩，宽度方向收缩量在6～7 mm左右，考虑到装配间隙，单根焊缝宽度方向收缩约为1.8 mm，与碳钢基本一致，这也印证了前述收缩方面双相不锈钢应与碳钢基本一致的理论分析。

(2) 拼板平整度变形。

化学品船由于洗舱要求，为防止洗舱积液，对平整度要求很高，根据IACS.NO.47规范以及现场船东要求，本船单位面积的平整度要控制在5 mm之内。为此，我们设计中含有多个十字接头、丁字接头，同时对板厚存在变化的复杂拼板的平整度变化情况进行试验。

如图4所示，试验拼板由9张板组成，焊接方式为埋弧自动焊。该实验包括十字接头2处，T型接头4处。试验板材包括10 mm厚度板7张，14 mm厚度板2张。

图4 拼板试验图

试验先进行2、3、4、5、6、7板材的拼板，完成2处十字接头焊缝。拼接好的板再和1、8、9板材进行拼接。考虑到焊接起弧端的变形较小，我们对焊接顺序进行了策划，如图5所示。

图5 焊接顺序图

试验在每块拼板(含翻身前后)焊接结束待焊缝处温度降低到室温之后，对产生的平整度变化全过程进行了记录，数据采集点及最终数据如图6、表6所示。

表6 平整度测量数据

续表6 平整度测量数据

图6 平整度测量采集点

同时，我们对焊缝T型接头处进行了拍片探伤，共拍片19张，有3张不合格。分析原因如下：① 焊接过程中出现了定位焊的开裂，应力较大产生了裂纹。② 由于精度原因进行了打底焊接，打磨处理时没有完全清除内部的夹渣。

通过试验，总结得出以下结论：① 双相不锈钢拼板平整度变形较碳钢要大。② 冷却时间基本在2 h左右，压铁可以在焊接结束2 h吊离。③ 熄弧端的焊接变形比起弧端的变形要大，变形的大小和焊缝的长度成正比。④ 采用适当的焊接顺序能够在一定程度上较少焊接变形。⑤ 通过探伤拍片发现，拼板的T型和十字型接头数量越多，焊接缺陷的发生率越高。

根据以上结论及数据，我们对具体产品上的拼板工艺、焊接顺序进行了策划。力求通过合理的工艺步骤源头上减少平整度变形。

(3) 构架收缩。

构架的收缩比较复杂，与板厚，板架形式、装配顺序、建造方法等都有一定的关系，考虑到在收缩趋势上双相不锈钢材料理论上与碳钢基本一致，在分析策划时主要参考传统的碳钢收缩趋势，即按照每档收缩0.2～0.3 mm计算。

3.4 典型分段余量分析与数据加放

以纵隔舱为例，该分段由两道纵隔舱壁，三只平台以及内部构件组成。分段形式如图7所示。

图7 纵隔舱分段示意图

(1) 拼板顺序。

根据拼板平整度变形试验得出的结论，熄弧端的焊接变形比起弧端的变形要大，变形的大小和焊缝的长度成正比，为了保证小拼板完成后与大拼板的装配性，制定了纵舱壁板拼板顺序图，如图8所示。

(2) 余量/系统补偿量加放。

① 船长方向。

拼板收缩：三根拼板缝，总体收缩1.8×3=5.4 mm。

构架收缩：纵舱壁每600 mm一道垂直扶墙材或肋板，分段长19.8 m，每档按0.3 mm收缩计算，总体收缩值为0.3×20=6 mm。

来料公差：按照钢厂来料±2 mm公差范围，考虑极小板情况，累计误差为2×4=8 mm。

图8 纵舱壁板拼板顺序图

船长方向出现极端偏小误差为19.4 mm。分段一端正作，一端加放20 mm系统补偿值。

② 船深方向。

拼板收缩：五根拼板缝，总体收缩1.8×5=9 mm。

构架收缩：平台、球扁钢产生收缩量，每档按0.3 mm收缩计算，总体收缩值为3.9 mm。

来料累计公差：10 mm。

总组熔透坡口间隙：纵舱壁与内底板、甲板之间为熔透焊，需加放熔透焊间隙各5 mm。

船长方向出现极端偏小误差为22.9 mm，除去10 mm的熔透焊间隙，综合考虑总组方式，分段上端正作，下端加放10 mm系统补偿值。

③ 内部构架。

肋板无熔透要求，在上下端面分别加放+5 mm系统补偿值，用来控制坡口间隙。

平台两端正作，不加放补偿值。

4 其它建造控制措施

4.1 分段划分

全船双相不锈钢按照结构特点划分为双层底、舷侧、甲板、纵横隔舱等分段，长度、宽度等分段主尺度基本一致，使得相似分段的变形趋势相对一致，易于后续对接、搭载。

4.2 建造法

双相不锈钢分段大量采用片段化建造，片段安排在专门场地专用胎架上建造，建造方式考虑尽可能减少翻身，作PS划分的分段要求同胎制造，进一步确保变形可控。

4.3 余量加放

在前述变形趋势分析基础上，同步考虑来料的公差产生的累积误差，原则上保证出现极端负公差累积误差不影响分段完工主尺度。

4.4 制定准用的加强工装

对槽形壁分段、甲板分段以及片段等未形成框架式结构的物件，差别化地制定运输、翻身、吊装过程中的加强措施和加强专用工装，减小过程中产生塑型变形。

4.5 严格工艺纪律

针对不同分段类型制定了作业指导书并张贴在作业现场，对制作工艺流程，焊接电流、电压操作注意事项等规定明确，确保工艺有效执行。

5 结束语

焊接过程不均匀地加热和冷却使得焊缝及其附近金属产生非均匀的膨胀和收缩，从而产生焊接残余应力和各类焊接变形，复杂船体结构的焊接变形本身就是多种多样基本变形的组合，精确预测焊接变形是一个很困难的问题。

在面对双相不锈钢这一接触较少的新材料时，通过理论分析，梳理出其变形趋势与我们相对熟悉的碳钢材料变形趋势之间的关系，并通过一定的试验佐证，分析出主要节点的变形趋势，制定出适合的制作工艺指导生产。同时结合管理措施，确保工艺执行，对确保双相不锈钢化学品船的顺利建造具有非常重要的实际应用价值。

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Deformation Analysis & Control Method in Chemical Tanker Construction

LIN Kun, SHAO Zhi-jie, HUANG Yan， LI Zhi-yuan, WANG Xian-kong

(Hudong Zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China)

Duplex stainless steel becomes more and more popular for the chemical tankers′ inner shell for it enjoys supreme corrosion resistance and structure strength.Deformation trend of duplex stainless steel is analyzed here.And deformation control method is introduced basing on typical products.

Duplex stainless steel Deformation control

林 坤(1983-)，男，工程师。

U671

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