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史上较难焊接材料之一:殷瓦钢

日期: 2017-03-16
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殷瓦合金(invar,也称为殷钢),是一种镍铁合金,其成分为镍36%,铁63.8%,碳0.2%,它的热膨胀系数极低,能在很宽的温度范围内保持固定长度。艾林瓦合金(elinvar),是一种镍铁铬合金,成分为镍33%~35%,铁53%~61%,铬4%~5%,钨1%~3%,锰0.5%~2%,硅0.5%~2%,碳0.5%~2%,它在相当宽的温度范围内热弹性系数实际上是零(即杨氏模量不变),热膨胀系数也很低。它是1896年法国物理学家C.E.Guialme发现的一种奇妙的合金,这种合金在磁性温度即居里点附近热膨胀系数显著减少,出现所谓反常热膨胀现象,从而可以在室温附近很宽的温度范围内,或很小的甚至接近零的膨胀系数,呈面心立方结构,其牌号为4J36,它的中文名字叫殷钢,英文名字叫因瓦合金( invar) ,意思是体积不变。

一般来说,绝大多数金属和合金都是在受热时体积膨胀,冷却时体积收缩,它们的热膨胀系数呈线性增大,但是元素周期表中的铁、镍、钴等过渡族元素组成的某些合金,由于它们的铁磁性,在一定的温度范围内,热膨胀不符合正常的膨胀规律,具有殷瓦效应的反常热膨胀,也就是说它的机理与化学成分及磁性有关。

殷瓦钢特性
殷瓦合金的主要特性为:膨胀系数小,强度、硬度不高,导热系数低,塑性、韧性高等;主要应用于显示器用荫罩,热双金属低膨胀层,电子元器件封接材料,精密仪器、仪表零部件,LNG运输船,特殊传输电缆,提高离子激光器稳定性等等。

殷瓦钢的特殊性质决定了它是船舶工业中制造大型LNG船舶必不可少的材料,用于防止船体结构在超低温环境下冷裂。而且殷瓦钢极为娇贵,0.7mm厚的殷瓦钢,空手摸一下,24小时就会锈穿,所以在焊接过程中必须极为小心!所以在殷瓦钢的焊接过程中,需要焊工中较高级别,即G级的高级焊工在佩戴专用羊皮吸汗手套在极其艰苦的环境下进行。

在LNG船上,焊接异常困难的殷瓦钢,不仅必不可少,而且用量不小。普通金属材料在-163℃低温下会发脆,失去原有的韧性。因此,船体与船舱之间还有一层绝缘箱内胆,全部由不膨胀、耐低温材料组成。用在LNG船液化舱的殷瓦钢,厚度仅0.7毫米,整个液化舱体由很多小块的殷瓦钢板拼接而成。一艘LNG船有4个装载天然气的液化舱,一个液化舱有五六个篮球场这么大,全船的殷瓦钢焊缝长度近130公里。

目前关于LNG船关键技术的研究
攻克特殊焊接技术

液货舱是LNG船的核心。147210立方米的LNG船全船的殷瓦钢(Invar钢,不膨胀钢,不锈钢材料)焊缝长度达到130公里,大部分殷瓦钢的厚度只有0.7mm,所有焊缝不能有丝毫的泄漏,一旦有一个点出现焊接质量问题,将导致相邻的一大片殷瓦板的更换和重新焊接,一个泄漏点返修工时至少要1000小时。

焊接工艺包括手工焊和自动焊两大部分,它所涉及到的板材为国内首次使用的殷瓦钢,涉及到的焊接材料为国内首次使用的专用焊材M93,涉及的自动焊焊机同样为国内首次使用。殷瓦钢的焊接技术成为LNG船建造必须攻克的技术关键。

建立第一条绝缘箱生产线

LNG船装载的货物是温度为-163℃的液化天然气,通过全船安装的二层绝缘箱使液化天然气和船体保持绝缘。在147210立方米的LNG船上,需要1100多种不同类型的绝缘箱55000只,箱子的精度必须控制在0.5mm公差范围内。绝缘箱是LNG船上的关键部件,只能通过建立一条可靠的高精度的生产线才能保证其质量。

突破殷瓦预制件加工难关

殷瓦预制件是LNG船的重要部件,是薄膜和船体相连接的连接件,它包括殷瓦管、殷瓦三面体和其他殷瓦小零件,以往建造散货船、油船、集装箱船时都没有这种部件。而在LNG船上,殷瓦管和殷瓦三面体约有400只,殷瓦小零件60000只,所有这些殷瓦预制件的生产不仅有量的要求,还有严格的精度控制要求,建造LNG船必须攻关解决这些关键零件的加工技术。

自制LNG船液货进出泵塔

泵塔LNG船上液货进出的重要通道,也是人员进入液货舱的通道,15万立方米级LNG船的泵塔高度达27米,三角桅形式。由于泵塔部件直接接触液化天然气,工作温度都将达到零下163℃,整个泵塔几乎都由不锈钢管子制作而成,它的制造工艺、焊接质量、焊接精度控制等是需要重点攻克的技术难关。

 

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