制造工艺及关键技术

18.2.3　液舱（罐）制造工艺及关键技术

图18.2－11　半冷半压式C型独立舱液罐罐体示意图

图18.2－12　半冷半压式LPG船C型独立舱液罐内部结构示意图

LPG船既有一般液货船的特点，又具有设有装运液货的液舱（罐）及液化气处理系统（液货围护系统）两个部分。LPG船制造工艺主要由液货船和液舱（罐）系统制造工艺组成，液罐制造则是液化气船制造的核心关键技术。

当液罐系统制造完成后，对液罐吊装工作中的几个关键问题，如液罐与鞍座的匹配控制，吊装前后不同受力特点引起的相应强度、刚度、总体配载等问题，吊装实施前的各项技术准备工作等必须制订万全的工艺方案，以确保吊装方案安全、可靠地实施。罐体重量及容积均较大，液罐与舱壁之间的间隙小，吊装作业在水上进行的环境因素影响大，吊装工作涉及的工艺、技术、管理面广，其成败对整船建造的影响举足轻重。

18.2.3.1　全冷式A型液舱制造工艺流程

本节以国内船厂制造的23 000m³全冷式LPG船全冷式船用液舱（A型独立液舱）为例进行叙述，其内部结构参见图18.2－6。

其具体制造工艺流程如下：

（1）材料的预处理。

（2）放样、下料及平面分段的组装。

（3）壳体底板平面分段间小组立、纵隔舱平面分段间小组立、横向隔舱平面分段间小组立、封头平面分段间小组立。

（4）左舷横向隔舱与壳体底板组装、纵隔舱与左舷横向隔舱及壳体底板组装、横向隔舱与纵隔舱及壳体底板组装、封头与纵隔舱及壳体底板组装。

（5）壳体侧板及顶板水平部分（平面分段）依次安装、壳体顶板斜边部分（平面分段）的安装。

（6）集液井与壳体组装、散件安装。

（7）液舱外表面敷设120mm厚的隔热层，采用现场发泡的聚苯乙烯（日本全冷式LPG船“海兰花”号液舱外隔热绝缘采用现场发泡的聚氨酯泡沫塑料，厚度为100mm）。

（8）在以上各道工序中尽量减少尺寸和测量误差，控制焊接变形，以保证建后舱体宽度、高度、围长满足公差要求，最终保证建后舱体的总体尺寸及容积符合公差要求。

（9）舱体结构从放样、下料、加工、焊接等各个主要工序均需由质检人员按图纸及工艺要求检验确认，其中一些关键项目还需经验船师、船东的认可。

18.2.3.2　B型液罐制造工艺

因B型液罐尚无LPG实船建造先例，现以某船厂2002年承建的金山石化公司70万吨乙烯工程的1 500m³ B型球罐为例进行叙述。

1）B型液罐与C型液罐结构的不同点

（1）壁厚不同。C型液罐壁厚一般只有20mm，而该B型液罐为44mm。

（2）几何形状不同，C型液罐为圆柱体、圆锥体等，而B型液罐大多为球体。

（3）C型液罐柱体部分为钢板焊后卷成圆筒状，两端再加上凸形封头，钢板的收缩余量等变形控制都有经验，而B型液罐由瓣形定型钢板镶拼而成，焊缝数量多，收缩变形控制难度大。

（4）该B型液罐壳体材料为国产07MnNiCrMoVDR，所用焊条为J607，裂缝倾向较大，国内曾有制造该类材料液罐失败的先例。

2）焊接工艺

与C型液罐相比，B型球罐的焊接工艺尚需重点关注以下几点：

（1）加热和后热处理。该球罐罐壳钢种碳当量为0.5左右，加上合金元素影响，因此，裂缝倾向较大，再考虑到板材厚度，因此，控制热量就显得十分重要。需控制加热温度和层间温度，而且要控制从室温加热到焊接温度的时间，以保证热透及防止升温过快产生应力而出现裂缝。加热过程中要测量多个点，以保证整体平衡升温，然后随加热板一起自然冷却，这样整条焊缝的温度平衡，冷却的曲线也十分平缓。

（2）焊接顺序。焊接顺序正确与否对减少应力，消除裂纹有特别重要意义。根据每位焊工每天工作量，再平均分配到各条焊缝，并采用分段逐步退焊，如图18.2－13（a）所示；每层焊缝的起点、收尾至少要错开50mm以上，如图18.2－13（b）所示。

图18.2－13　B型球罐焊接工艺示意图

球罐产品上、下半部（俗称南极、北极）焊缝较复杂，可采用4名焊工分中倒退对称焊，焊接顺序如图18.2－14所示，在焊接时，中途由专人巡回检查，时刻调整每人焊接速度，使每条焊缝的焊接速度基本保持一致。

图18.2－14　B型球罐上下半部焊接顺序图

（3）定位焊。长度80～100mm，焊脚不能小于10mm，间距250mm，引弧熄弧都坐落在搭焊的长度范围内，决不允许超出长度或把坡口拉毛，定位焊加热同球罐焊接加热工艺一样，要严格执行。

（4）碳刨。

—碳刨清根时要刨到完好金属为止，再用角向砂轮机打磨至完好金属，本体不允许有任何缺陷存在；

—刨槽应平面光滑，宽与深之比为1.2∶1左右；

—刨槽如有深浅，应将深的部位补焊至浅的部位一致，方可整圈焊接。

（5）焊接过程中的注意事项。

—由于球罐刚性较大，因此，第一层焊缝要尽量焊厚一些，至少要超过8mm，否则极易产生裂缝。规定在每根焊条熄弧时一定要采用回弧焊法和点焊法，这样就消除了裂缝和气孔产生的根源。

—每根焊条的引弧（接头）要注意在引弧前要仔细检查弧坑里面是否有细小的弧坑裂缝和凹坑，如果有的话，要仔细打磨清楚，确认无任何缺陷方可继续焊接。热接（前一根焊条收弧与后一根焊条引弧时间小于5s）趁弧坑高温时进行接头，弧坑可不予打磨，既提高了工效，质量也能得到保障。

—T型和Y型交叉点处是结构中应力较集中的地方，往往是产生裂缝的根源。因此，规定在距中心点100mm以内决不允许引弧和收弧，以免产生焊接缺陷和由于热量不均匀而产生内应力，杜绝了这一部位裂缝的产生。

18.2.3.3　半冷半压式C型液罐制造工艺和液货系统安装工艺

C型液罐的装配、焊接等主要工艺技术具有较高的要求和较大难度，制造大型液罐必须拥有具备相应资质的生产技术管理人员、先进的生产工艺、大型的加工设备及足够的生产场地、综合生产和技术能力，并得到船级社认可等。为保证液罐的总体制造质量，需要对其每个环节的制造质量进行有效的控制。制造液罐的所有材料，包括钢板、焊材、管系部件、鞍座部位支承层压木块、隔热绝缘材料、粘胶剂等，均实行专材、专用、专控。

1）半冷半压式C型液罐制造工艺

半冷半压式C型液罐制造工艺流程如图18.2－15所示：

图18.2－15　半冷半压式C型液罐制造工艺流程图

（1）放样、下料。根据设计要求，液罐钢板的厚度规格比较多，钢板的采购和供应采用长度和宽度双向定尺，钢板进厂后应进行编号，产品开工前根据结构图纸制定套料清册及下料草图。罐体结构需经过放样，根据加工制造需要，制作样板、样箱。为控制罐体的焊接变形，壳体及封头展开时加放一定的收缩余量，以保证建后罐体总长度符合公差要求。

（2）加工。封头瓣片的曲面加工，采用压模、冷加工成形。成形后，球瓣的径向曲率均用不变形样板或样箱检查，任何部位的接触间隙均应满足规范要求。瓣片加工成形后在胎架上划线，切割余量和焊接坡口。

壳体轧圆中，要保持壳体板与轧辊垂直，轧制后用样板及对角线测量确保轧制尺寸，壳体板轧制后要垂直存放及运输，以防变形。

（3）小组立。球形封头的球冠在碗形胎架上建造，下口及端口放加工余量。待焊接结束后按照图纸尺寸划线及切割坡口。封头瓣片在平面胎架上建造，与纵隔舱板连接的两块瓣片连接边放切割余量，每块瓣片上口放加工余量，待与球冠装配时，按准足尺寸进行划线后切割余量。球形封头在拆离胎架之前，应在开口处设置假隔舱或适当加强以防止在装配时产生变形。

壳体每节壳圈均由四块组成，在平面胎架上进行垂直组装。

气室部分由封头和二节筒节组成，每节筒节由一块板轧全圆后组焊。成形气室封头先与上筒节组装一体，然后在封头上定位安装人孔、泵管及其他接管。

集液井封头与其筒节组成一体后再与液罐筒体组装。

罐体内部加强环及止荡舱壁在平面胎架上组装成一体。

（4）中组立。在平整、坚固场地处的平面胎架上，以壳体分段为基础，壳圈与壳圈，封头与壳圈均采用垂直合拢，并吊装内部加强环及止荡舱壁等内外结构，形成三个总段。

（5）大组立。在胎架上卧式对接两个或三个总段，组装大接头前，在各总段内可先放入需预安装的管系附件、平台、扶梯、吊入大件以及定位安装气室、气室封头和集液井。

（6）制造公差检验。罐体结构从放样、下料、加工、焊接等各个主要工序均需由质检人员按图纸及工艺要求检验确认，其中一些关键项目还需经验船师、船东的认可。

（7）焊接。

①液罐焊接工艺要点。焊接是液罐建造过程中最为关键重要的一环，做好焊接工作是保证液化气罐质量的基础。由于液化气罐的材料多为低温材料，低温钢焊接的主要问题是如何保证焊接接头具有良好的低温冲击性能。低温钢母材的含碳量一般较低且材质的塑性和韧性好，但在熔合线和焊缝这两个部分容易出现问题，跟普通钢材相比，低温钢容器焊接易产生如下缺陷，故应掌握好如下要点：

●易晶粒粗大。为保证焊接接头在低温时，具有一定强度和较好的低温韧性，故必须严格控制焊接时的线能量。

●易产生热裂纹。消除弧坑裂纹的冶金措施是向焊缝金属中添加Mo、W以形成碳化物粒子分布在奥氏体颗粒中，使偏析受阻，从而达到降低裂纹倾向的目的。

●易产生夹渣和未熔合缺陷。在焊接过程中，焊道之间未能进行足够的打磨和清理，焊接电弧在坡口两侧没有得到合理的停留或摆动，是产生未熔合或熔合不良的主要原因；

●焊接应力和变形大。对此需制定合理的焊接工艺：采用小的焊接热输入量；减少拼接接头的焊道数量；采用适中的焊接速度和焊脚长度；合理选择支撑点。

②焊工及焊接工艺评定要求。参与该液罐制造的焊工必须按有关“钢焊工考试”规则要求进行培训，考试合格并经船级社认可后，持证上岗。焊接工艺评定根据船级社规范要求，按母材厚度、焊接坡口及焊接位置进行评定，然后根据评定结果编制焊接工艺规程，用以指导生产。

③焊接材料及焊接工艺要求。液罐制造所用的手工焊条拆包后，经300～350℃烘焙1h，再放入100～130℃的保温箱，随用随取，施工现场使用焊条放入合格的保温筒内。

焊接前需对焊缝坡口两侧各30mm宽度内，打磨清洁去除氧化皮、油污及其他污物。定位焊须采用与正式焊接相同的焊接工艺和材料。控制预热温度为70℃，层间温度70～150℃。严禁电弧闪击，应避免在焊接弧坑和母材表面处引弧，若有上述情况就应打磨去除。在产品施焊过程中采取一定的工艺措施以消除和减少弧坑裂纹的出现。

（8）焊缝检验。

●对接焊缝错边量检查。弦长500mm样板（内样板）检查错边量、封头拼缝、筒体纵缝、筒体环缝。

●对接焊缝棱角检查。弦长500mm样板（内样板）检查。

●焊缝无损检验。液罐所有焊缝均需通过外观检验，要求进行X射线拍片、超声波、表面渗透检查的焊缝必须在焊接结束24h后进行检验。X射线拍片、超声波及表面着色均按有关规范。

（9）层压木安装及容积测量。液罐钢质壳体制作完毕，所有与罐体壳板的焊接工作全部结束，壳体水压试验前，必须在固定和活动支承鞍座处胶粘好层压木块，承压木块安装后其表面平整度不大于2mm。层压木安装后进行容积测量。

（10）水压试验。试验前，液罐应通过固定和活动支承鞍座放置在专用的试验托架上，液罐除本身的两处支座外，必须拆除其他一切支撑物件；并置于重型平台加强区域，以保证场地对液罐有足够的承载能力，以免破坏罐体结构。

液罐的液压强度试验要求：试验介质为净水，其温度不低于液罐材料脆性转变温度加30℃，其试验压力为1.5倍的最大工作压力。试验程序：根据船级社规范要求，水压试验的最高压力保压时间根据壳体板厚决定，每25mm保压60min，并且不得低于120min。

（11）除锈、涂装。液压试验结束后，液罐内部按瑞典标准SISO 55900，打磨除锈达到ST2级要求，使钢板表面显示微弱金属光泽，经验船师、船东认可，然后用0.5MPa压力的干燥空气充满液罐，罐内温度在15℃时，相对湿度应＜30%，并在罐内各放入若干量的干燥剂后立即封闭液罐。罐外打磨除锈达到ST3级要求，经认可后，喷涂底漆，该油漆应适应于－104～＋45℃的温度要求，而且应适合胶粘聚苯乙烯绝缘层。

（12）罐外绝缘。为满足其低温要求，液罐外部需包覆聚苯乙烯绝缘材料。绝缘材料是分块压制成形有0.5mm镀锌铁皮作保护层的聚苯乙烯复合材料，采用低温黏接剂与罐体连接一体。

（13）液货系统设备安装和管路组装。液货系统设备这里仅指装卸系统，主要设备有货物压缩机（再液化装置的核心部分）和深井泵两项。

货物压缩机安装的主要工艺内容是基座制作定位、压缩机上座安装、电动机定位安装、气密通舱件安装和测量偏差。

深井泵安装先按制造厂安装图分段组装，再上船对中定位，必须协调好液罐上气室、罐底集液槽和导向环三者之间相对位置，将精度控制在允许偏差内。

管路组装前，先进行计算机管系三维建模型，以确定管系实际位置和具体走向，使相互之间的空间关系表达清楚，满足干涉检查、布置优化以及各专业施工设计的需求；再进行设备在甲板管架上定位；然后以管系三维模型为平台生成三维管路；最后制作管架并通过激光测量校准，进行管架船上定位吊装。对设计中工作强度较大的管路系统安装图，研究其三维模型的拓扑结构，实现从三维模型和工程图纸的自动转换或程序交互生成。

（14）系统调试。系统调试是指试航前对液货及相关系统的预调试。调试项目一般包括两大部分，管路系统压力试验和液货及相关系统调试。

管路系统压力试验包括液化气管路和控制管路的压力试验。试验介质除液压管路用油之外，其他均用氮气（N₂）。试验压力根据各系统的设计要求设定，试验时用肥皂水检查密性，压力试验用的闷头、封盖要专门设计制造。

液货及相关系统调试主要有：气体探测系统、惰性气体系统、仪表空气系统、快关阀液压系统、再液化和装卸系统、报警系统等。

2）全压式C型液罐制造工艺

全压式C型液罐通常以压力容器准则设计，采用厚度达50mm的高强度钢板，例如800MPa级的高强度钢板。厚板焊接是液罐制造过程中最为关键的一环，宜采用多道多层焊，避免大焊道焊接，焊道摆动宽度在立焊、仰焊时，最大不应大于3倍的焊丝直径。