浅谈造船中的不锈钢应用

作者：晏宏淳老轨

一.不锈钢的定义，种类和特性.

1.定义：

不锈钢是不锈耐酸钢的简称，耐水，耐空气，耐蒸汽等弱腐蚀介质或具有不锈性的钢种称为不锈钢，而其中耐化学腐蚀介质，如耐酸，碱，盐等化学侵蚀的钢种称为耐酸钢。不锈钢是铁和其他几种元素的合金，比普通铁和碳构成的钢更具有耐腐蚀性。

2.分类：

不锈钢的种类很多，性能也不同，大致可分为如下几类：

1). 按照钢的化学成分分类，可分为铬不锈钢，铬镍不锈钢，铬锰氮不锈钢和超低碳不锈钢等.

2).按照钢的组织结构分类，可分为奥氏体不锈钢，铁素体不锈钢和马氏体不锈钢等.在这三类基本金相组织基础上，为了特定的需求与目的，有衍生出了双相钢，沉淀硬化型不锈钢和含铁量低于50%的高合金钢.

3).按照钢的性能特点和用途分类，分为耐硝酸不锈钢，耐硫酸不锈钢，耐点蚀不锈钢，耐应力腐蚀不锈钢和高强度不锈钢等.

4).按照钢的功能特点分类，一般分为低温不锈钢，易切削不锈钢，无磁不锈钢，超塑性不锈钢等.

3.常见不锈钢的特性及用途：

1）.奥氏体型不锈钢，低碳，含铬，镍等合金元素较多，常用的奥氏体型不锈钢有12Cr18Ni 9和06CrI9Ni10N等. 奥氏体型不锈钢可分为铬镍不锈钢和铬锰不锈钢两个主要系列，铬镍奥氏体型不锈钢在多种腐蚀介质中综合性能良好，焊接性能好，在化学加工，食品机械领域广泛应用，但其本身强度和硬度不高，不能用于重载荷和耐磨的场合，而加入了氮的固化作用后，铬锰奥氏体型不锈钢能用于较重载荷和耐腐蚀性要求不高的场合.奥氏体型不锈钢的耐蚀性高于马氏体型不锈钢，它还具有高塑性，适合冷加工，焊接性能优良，不具有磁性，所以广泛应用于在强腐蚀性介质中工作的化工设备和抗磁仪表中.    

2）.马氏体型不锈钢锻造，冲压后需退火，以降低硬度，改善加工性能，提高塑性，马氏体型不锈钢最后还都要经过淬火，回火后才能使用.马氏体型不锈钢耐蚀性，塑性，焊接性能都不如奥氏体型不锈钢，但它的力学性能较好，所以被广泛应用于汽轮机叶片，医疗器械，量具，弹簧和轴承等.

3）.铁素体型不锈钢，含碳量较低（C<0.12），含铬量较高（Cr=12%-30%），属于铬不锈钢，铁素体型不锈钢无法用淬火的方法强化，它的耐磨性，塑性和焊接性均优于马氏体型不锈钢，它具有良好的高温抗氧化性（700℃以下），特别是耐腐蚀性较好，但其强度低，力学性能不如马氏体型不锈钢，塑性不及奥氏体型不锈钢，因此主要用于对力学性能要求不高，对耐蚀性要求很高的零件及构件，如硝的吸收塔，酸槽管路，不锈钢厨具，餐具等.

4）.奥氏体-铁素体(双相）型不锈钢，基体兼有两相组织，有磁性，可通过冷加工使其强化，典型的代表是329双相不锈钢，与奥氏体型不锈钢相比，双相钢强度高，耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀及点腐蚀能力均有明显的提升.

5）.沉淀硬化型不锈钢，基体为奥氏体或马氏体组织，并能通过沉淀硬化处理使其硬化的不锈钢，常见如630（17-4PH）.主要应用于要求材料具有高强度或高硬度的场合.

二.不锈钢在造船中的应用.

1.在造船业中考虑使用不锈钢有很多充分的理由。不锈钢的特点是耐用，可广泛重复使用，具有实用、经济和环境效益.不锈钢相对于其他材料的最大优点是耐腐蚀：适当使用不锈钢不需要防腐保护，并且需要最少的维护，从而降低维护成本并减少对环境的影响。由于其保护性钝化氧化层，腐蚀显着减缓或完全防止.这使得不锈钢极其耐用、易于维护且可回收。同时，不锈钢能够满足广泛的工程挑战，并提供非常有利的操作性能和良好的成本效益比，特别是对于海洋和造船业等要求苛刻的行业。如果考虑到不锈钢相对于碳钢的其他优点，那么该材料的使用正变得越来越经济和环保.与镀锌钢或喷漆钢不同，不锈钢具有自修复表面层，因此在其整个使用寿命期间无需保护。由于其可回收性、可重复使用性、使用寿命长、维护成本低且产品安全，与替代材料相比，不锈钢制造和使用中的排放量极低。当需要安全、生态和经济的安装系统时，没有比不锈钢更好的选择.不锈钢长材产品具有有效的物理性能，包括铁素体牌号的低热膨胀性和研磨时的低发射率。棒材有各种形状和等级。不锈钢的延展性和焊接性也使其易于组装和安装.    

2.特别在化学品船领域，近年来不锈钢的应用越来越广泛，比如由沪东中华承建的第一艘49000吨级化学品船“宝.奥利安”，其核心组件和储存罐部分就大量应用了双相不锈钢材料.在中国船舶集团有限公司的11500DWT化学品船项目中，大量的双相不锈钢2205板被采用. 韩通赢吉重力为海南中化建造的7艘38000DWT系列双相不锈钢化学品船中，S31803被广泛应用. A500+S31803在首钢化学品船上的应用等.

三.不锈钢的焊接技术

用于建造化学品船的不锈钢都具有良好的焊接性，与传统低碳钢焊接相比，不锈钢焊接的焊缝一定是不锈钢，应采用严格的工艺和措施来防止不合格的金属填充物，不当操作引起的成品抗腐蚀性的降低. 除了不锈钢焊缝对抗腐蚀性的要求外，不锈钢的一些物理和冶金特性也需要被特别注意. 不锈钢具有低的热传导率，高的热膨胀率，后者在奥氏体不锈钢中体现的尤为显著，这些都会增加焊接难度，在焊接时产生较大的膨胀和收缩应力，从而引起材料的变形，所以合理的设计焊接顺序就至关重要.    

1.焊前准备

1）.首先要保证装配质量，接头尺寸精确，接头开的坡口最好采用机加工，如果使用等离子切割机，切割表面必须打磨去除切割时产生的氧化皮，焊接前要采取措施保证坡口根部光滑，尺寸一致，这对获得良好的打底焊相当重要. 焊接不锈钢时一直保持清洁至关重要，在焊接操作前，任何受焊接影响的区域都应干净，没有污染，坡口处不能有油，油脂，涂料，水份，脏物等. 在舱室外面焊接时，舱室内部所有受热区域必须干净，没有污染. 应采取措施，防止飞溅和其他伤害，要注意对不锈钢板的保护.

2）.填充金属的正确选择非常重要，化学品船焊接用焊条药皮类型有：金红石，金红石-酸性，金红石-碱性，碱性焊条等.除了双相钢的填充金属外，其他填充金属的化学成份应与母材的成份一致，特别注意的是SKR-4和SNR-4比标准牌号316L(N)和317L(N)含有更高的钼，为了保证焊缝最佳的抗腐蚀性，对于SKR-4用含钼量2.7%的填充金属，对于SNR-4用含钼量3.5%的填充金属. 针对2205的冶金特性，填充金属的化学成份不同于母材，镍的含量高于母材，较高的镍含量和正确的焊接条件可以保证焊缝满足要求. 在选择手工焊条时，要选择小直径焊条，用中等电流焊接不锈钢，对于异种金属，应使用合金含量高的焊接材料，如309L,P5(309Mo),p7等. 另外不锈钢手工焊条的存放也要特别注意.

3）.理论准备，焊接时的电弧热输入计算，如果热输入量过大，奥氏体不锈钢可能会产生热裂纹，对于复相钢为了降低焊接后的冷却速度，为确保焊缝区域及热影响区域正确的奥氏体-铁素体比值，对最小热输入也有一定要求. 具体热输入的标准要根据施工，板厚，接头尺寸加以修正.

4）.定位焊，不锈钢的定位焊间距应比普通碳钢小，原因是不锈钢，尤其是奥氏体不锈钢比普通碳钢具有较高的热膨胀率.在正式焊接前，定位焊的焊缝最好打磨掉，如果不能打磨，定位焊缝的高度也应大大降低，如果保留定位焊缝，焊接工艺要保证定位焊缝完全焊缝.    

2.焊接技术简介

1）.必须在坡口内或引弧板上引弧，禁止在坡口外引弧，引弧痕迹易发生腐蚀，所以应完全打磨掉，不应从定位焊处起焊，开始起焊时熔深浅，应在先前焊道末端前面一段开始引弧，采用瞬时控制焊接电源，可以补偿引弧时较浅的熔深，可以在焊接刚开始时采用大电流，保证开始时的熔深良好，数秒后焊接电流恢复正常值，不平整的焊缝应打磨光顺，收弧弧坑及气孔应当打磨掉.

2）.通常不锈钢焊接时不允许摆动，因为在电压，电流一定时，摆动影响了焊接速度，增加了热输入，不锈钢焊件的性能在高的热输入下会变坏. 然而有时为了成形良好，需要采取很小的摆动手势，一般不超过手工电弧焊焊条的4倍.

3）.熄弧时，焊条在焊接熔池上做几次划小圆动作，然后提升焊条末端，熄灭电弧，这样可以减小裂纹风险，如果熄弧处理不好，弧坑就可能称为腐蚀和裂纹的起始点.

4）.焊道间所有杂物必须清除，焊缝中的气孔是由于气体滞留在凝固金属中形成的，在不锈钢焊接中，氢气孔，通常原因是不锈钢焊条的受潮，所以焊条的存放尤为重要，可以在焊接前检查焊条的湿度.

5）.GMAW 的应用比已广泛应用的FCAW具有更高的低温冲击韧性，带脉冲的GMAW新技术，生产效率和质量也大大提高. 针对厚度范围为10-35mm的重要部件通常采用SAM方法焊接.

3.焊后清洁，打磨，检查.

1）.在焊接后应彻底清洁焊缝和周围，可采用不锈钢钢丝刷对变色区域进行清洁. 打磨可以除去气孔和其他焊接缺陷，所以合理的打磨工具和工艺同样重要.金刚砂轮片是用来修正表面缺陷和打磨焊缝的常用工具，在打磨大面积污染时，皮带式砂轮机打磨的效率和表面质量更好.注意为了避免砂轮片打磨时，局部温度升高使不锈钢氧化变色，降低耐腐蚀性，所以要选用自动磨锐型砂轮片.一般砂轮片都是氧化铝型和碳化硅型，硬度通常选择较软的型号.为了除去较小的缺陷，也可以采用小型的高速钻磨工具.    

2）.打磨时注意事项，为了防止贴的渗入和锈蚀，只能使用无铁砂轮片，不要用同一砂轮片打磨碳钢和不锈钢，会造成污染.打磨时避免局部温度过高.避免过度打磨，打磨时尽量避免火星飞溅到不锈钢板，可用石灰水或纸板能遮挡.打磨后要清洁，必要时酸洗.通常清理程序的最终阶段是酸洗和冲洗，并保证最佳的耐腐蚀性能. 要选择正确的酸洗液，避免酸洗过度.

3）.完工后的最后一道程序是交验，一般是在清洗，完成钝化后，由船厂和船东一起进行.要制定合理的检查计划，仔细科学的检查，发现问题做好标记，修复处理后，重新清洁，酸洗，交验.

四.不锈钢在造船上应用前景

随着不锈钢技术的不算完善，越来越多的不锈钢产品应用到船舶建造中，从化学品船，LNG船，极地科考船，游轮，滚装船上的应用，到脱硫装置，围护系统等，除了化学品船、豪华邮轮以及深远海养殖装置外，随着双相不锈钢工艺的持续发展以及性价比的提高，我们将会看到越来越多的船舶配套产品也将逐步使用不锈钢来替代，比如船用螺旋桨就可以采用不锈钢材料.

我们相信，随着全球绿色化发展的需要，随着更多以氢、氨、甲醇(2546, -13.00, -0.51%)等动力为主的新船型的建造，必将会更多的选用不锈钢或不锈钢合金材料来提升船舶本身的耐腐蚀能力，以及减轻重量增大承载能力。因此，不锈钢材料在船舶建造领域的发展将会大有可为。

2024.05.08