探討鋁合金在船舶與海洋工程中的應用

繆朱堯?戴鵬鵬?孫靖

摘要：鋁合金具有質量輕、耐腐性強、強度高等優點，被廣泛應用在船舶及海洋工程中，極大的推動了船舶及海洋工程的快速發展，有關鋁合金的在該領域中的應用研究受到越來越多人的關注。本文對船用鋁合金的特性進行分析，并對其船舶及海洋工程中的應用進行探討，以供參考。

關鍵詞：船舶海洋；鋁合金；應用探討

船舶制造質量及性能受多種因素影響，其中制造所用材料性能給船舶制造質量造成的影響最為顯著，因此，選擇制造材料時既要考慮耐腐蝕性，又要考慮質量問題，尤其降低船舶自身重量，可有效提高船舶速度，降低能耗，成為當前船舶制造業研究的重點。鋁合金具有質量輕、強度高、耐腐性強等優點，符合造船業發展要求，近年來在船舶及海洋工業中應用廣泛，并取得了良好效果。

1 船用鋁合金概述

船用鋁合金具有良好的耐腐蝕性、可焊接性和強度，才能適應航海過程中的特殊環境。船用鋁合金普遍選用鋁-鎂系合金、鋁-鎂-硅系合金和鋁-鋅-鎂系合金，其中，鋁-鎂系合金在的應用最為廣泛；而焊接后的鋁-鋅-鎂系和鋁-鎂-硅系合金強度明顯降低，并且鋁-鋅-鎂系合金焊接后的耐腐蝕性也差，導致這兩種鋁合金的應用受到了限制。另外，鋁-鋅-鎂系和鋁-鎂-硅系合金也有其他的用途，如鋁-鋅-鎂系合金可用于焊后可熱處理的構件，鋁-鎂-硅系合金主要被用作型材等。船舶的工作環境相比之下較為特殊，需要同時兼具強度、韌性、抗沖擊性質以及耐腐蝕性等多種因素，而強度較高的鋁合金通常難以兼具這些性質，因此船舶用鋁合金通常使用中等強度的鋁合金，這種鋁合金不僅兼具耐腐蝕性和一定的強度，同時還是可焊接鋁合金。另外，船舶用鋁合金按照用途來分，可以分為船體結構用鋁合金和舾裝用鋁合金兩種，船體結構上用的鋁合金主要是5083、5086和5456這三種合金，6000系的鋁合金主要應用于船舶的上部結構，因為其容易被海水腐蝕。7000系合金熱處理后的強度和工藝性能比5000系合金還要優越，主要用于艦艇上層結構，如壓擠結構、裝甲板等，但是7000合金的缺點是抗應力腐蝕性能差。

2 船用鋁合金的優點

鋁合金具有比重和彈性模量小、耐腐蝕、可焊接、易加工、無磁性和低溫性能好等特點，用于船舶中具有如下優點：（1）由于其比重小，因而可減輕船重，可減小發動機單機容量，可增加速度；可減少燃料耗費，節約燃油；可以改善船的長寬比，增加穩定性，使船易于操縱；還可以增加載重量，獲得額外利潤。（2）由于抗腐蝕性能好，能減少涂油等維修費用，可延長使用年限（通常在20年以上）。（3）加工成形性能好，易于進行切割、沖壓、冷彎、成形和切削等各種形式的加工，適合船體的流線化；可擠壓出大型寬幅薄壁型材，減少焊縫數和使船體結構合理化和輕量化。（4）焊接性能好，能較容易地進行焊接。（5）彈性模量小，吸收沖擊應力的能力大，有較大的安全性。（6）鋁廢料容易回收，可以循環使用。（7）無低溫脆性，最適合做低溫設備。（8）由于非磁性，羅盤不受影響；全鋁船可以避免水雷攻擊，適合作掃雷艇。（9）沒有蟲害和干燥變形；不燃燒，遇火災較安全。

3 鋁合金在船舶與海洋工程中的應用

近幾年內，我國越來越重視海洋科學技術的發展以及海洋的經營與建設。另外，由于材料在裝備制造業的發展過程中發揮著十分重要的作用，因此，鋁合金開始廣泛地應用在海洋工程中。

3.1 鋁合金在海上直升機平臺的應用

海上石油鉆井平臺采用鋼作為主要結構材料，因長期暴露于海洋環境中，鋼雖然有較高的強度，但也面臨著銹蝕、使用壽命短等一系列問題。在海上重要的油氣資源開發的基礎設施中，直升機停機坪是非常組成部分，它用于直升機的起降，是與陸地保持聯系的重要紐帶。由于其體積龐大，還應有自重、結構剛度等方面的要求，鋁制直升機甲板模塊自重輕、強度和剛度好而被廣泛應用。鋁合金直升機平臺包括底架和固定于底架上的由鋁合金型材拼接而成的甲板塊，型材截面類似于“工”字，在上底板和下底板之間設置有帶筋板空腔。利用了力學原理和鋁合金型材的抗彎強度，滿足性能要求的同時，減輕了自重。另外，在海洋環境下，采用鋁合金直升機平臺易維護，耐蝕性較好；采用型材拼接方式，免于焊接，無焊接熱影響區，可延長使用壽命，避免失效。

3.2 鋁合金在LNG（液化天然氣）貨船上的應用

隨著海上油氣資源的不斷開發，全世界范圍內主要的天然氣供應地區和需求地區距離遙遠，又往往有大洋相隔，所以目前液化天然氣的輸送多以遠洋船運為主。在LNG船儲存罐的設計中，需要低溫性能好的金屬，而且還應具有一定的強度和韌性。鋁合金材料的強度在低溫下反而比常溫下的高，并且鋁合金質量輕，在海洋氣氛下耐腐蝕，是在低溫情況下使用的理想材料。在LNG船舶和LNG儲罐的制造中也大量選用了5083鋁合金，尤其是液化天然氣最大的進口國日本，從20世紀50年代和60年代建造了一系列LNG儲罐和運輸船，其中有主體壁結構完全是5083鋁合金的LNG儲罐，大多數鋁合金因為其特有的自重輕和耐腐蝕性成為儲罐頂部結構的重要材料。目前，全球只有很少的幾個公司可以生產LNG運輸船儲罐用低溫鋁材，日本研制的5083鋁合金160mm特厚板，具有良好的低溫韌性和疲勞抗性。

3.3 鋁合金在民用船領域中的應用

從19世紀80年代開始，鋁合金就開始應用在了民用船領域當中，其中，由瑞士的EcherWyss公司所研制的湖上全鋁汽艇能夠容納8人。然而，由于當時所使用的鋁合金不具有較強的耐腐蝕性，因此，造船業在鋁合金的應用方面并沒有獲取到較好的效果。一直到20世紀30年代之后，隨著冶金工業的快速發展，鋁合金在造船領域中的應用價值才有所提高，基于此，耐腐蝕性較強的鋁鎂系合金和6061-T6合金應運而生。20世紀50～60年代，鋁合金開始廣泛應用在造船業領域當中，在此過程當中，最具有代表性的成就是鋁-TIG焊接技術的發展、5486-H32和5456-H32鋁合金板材的開發以及全鋁鉚接結構水翼艇的制成。20世紀的70～80年代，由于受到了多方面因素的影響，鋁合金在造船領域中的應用迎來了一個全新的時期。與此同時，不同型號的鋁合金游艇也相繼被制成。

3.4 鋁合金在軍事艇領域中的應用

船舶制造的設計遵循結構趨于輕型的理念，人們廣泛認為輕型的船舶結構在控制船速、操作精密性、制作成本方面有很大的優勢，能夠最大程度地減少消耗，延長船舶的行駛里程。鋁合金能很好地滿足船舶的輕量化要求，因此在軍事艦艇領域得到了廣泛的應用，由此完成突擊或搜救等任務，維護航海安全。其中，美軍對鋁合金軍事艇的使用是最為廣泛的，目前軍事艇技術主要包括快速攻擊艇、輔助性軍事飛艇、巡邏艇等。

4 結語

鋁合金除應用在船舶制造中，在海洋工程中的應用較為廣泛，尤其國家將海洋的經營、建設提升至國家戰略高度，鋁合金在海洋工程的應用提升到新的高度，其中在船舶及海洋工程中國的應用優勢得以充分顯現，極大的推動了船舶及海洋工程的蓬勃發展，因此，加強鋁合金在船舶及海洋工程中的應用研究，具有重要的現實意義。

參考文獻：

[1] 王芳.鋁合金船舶制造的未來[J].中國報道，2016（12）.

[2] 何健偉，王祝堂.船舶艦艇用鋁及鋁合金[J].輕合金加工技術，2015（09）2.

（作者單位：江蘇新揚子造船有限公司）