江南造船自主研發(fā)全球最大乙烷運輸船B型液貨艙探秘

9月19日，全球最大艙容99000立方超大型乙烷運輸船（VLEC）3號、4號B型液貨艙在中國船舶集團旗下江南造船成功整吊到位，此次吊裝是該系列船的第二艘船的液艙吊裝。

江南造船自主研發(fā)的“BrilliancE”B型艙為“全球首制”，首字母“B”表示按照國際散裝液化氣規(guī)則（IGC）中定義的B型艙，是有別于A型艙、C型艙和薄膜艙的一種新型液化氣圍護系統(tǒng)。大寫字母“E”表示這種B型艙只要適用于裝載乙烯（Ethylene，-104°C）和乙烷（Ethane，-89°C）。這新型液化氣圍護系統(tǒng)都有哪些特點呢？

“來之不易”的B型艙

對江南造船來說，A型艙和C型艙的設計和建造技術已爐火純青。A型艙裝載液貨的溫度高于-55℃，其外圍的船體結構作為完整的次屏壁，主要用于液化石油氣（LPG）運輸；C型艙屬于壓力容器，因為其“皮厚”，無需次屏壁，但在船體內(nèi)的空間利用率低，其艙容的大型化受到自身結構重量的限制。菱形結構的B型艙通過設置部分次屏壁實現(xiàn)微量泄漏保護，采用嚴謹?shù)慕Y構分析計算和多重安全監(jiān)測系統(tǒng)確保其運營安全，船體結構無需采用耐低溫材料，液艙形狀和裝載率不受任何限制、船體內(nèi)部的空間利用率高等諸多優(yōu)勢。隨著美國頁巖氣，特別是國內(nèi)高分子化工行業(yè)的重要原料——乙烷的需求量激增，VLEC成為海上大宗運輸液化乙烷的最佳選擇，而且液貨圍護系統(tǒng)的核心技術完全自主可控。

國際散裝液化氣規(guī)則（IGC）中B型艙的設計理念是源自五十年代從航空和石油行業(yè)發(fā)展起來的斷裂力學分析的基本原理“泄漏先于失效（LeakageBeforeFailure）”，因此B型艙的設計既要滿足嚴謹?shù)臄嗔蚜W，又具有很大的寬泛性，再則B型艙的研制又和船廠的建造工藝水平密切相關，總之B型艙的研制并非易事，是“理論和實際”密切融合的實踐性的科學。此前唯一一個有實際應用實績的菱形B型艙技術專利為日本聯(lián)合造船（JMU）壟斷。江南依托國家工信部課題和公司重大科研專項，巧妙地融合了A型艙結構的技術優(yōu)勢、球罐型B型艙的次屏壁和絕緣結構以及成熟的C型艙5%鎳鋼的焊接技術和工藝，對菱形B型艙圍護系統(tǒng)的關鍵技術開展了長達近8年的研發(fā)技術攻關和工程試驗驗證工作，并應用此項技術同步開發(fā)了99000立方超大型乙烷運輸船。憑借此型船的優(yōu)異性能、可靠靈活的圍護系統(tǒng)，江南造船于2019年和2020年成功承接了四艘VLEC的訂單。

在研發(fā)設計過程中，突破“數(shù)值分析”和“試驗驗證”兩項關鍵技術至關重要。B型艙所采用的容限損傷設計方法和試驗驗證技術是目前氣體船船型研發(fā)中最為復雜的。研發(fā)團隊立足獨立自主的研發(fā)思路，針對B型艙的總體布局、結構、絕緣、次屏壁等核心技術開展專項攻關，自主研發(fā)設計完成了一整套具有完整知識產(chǎn)權的“BrilliancE”型圍護系統(tǒng)，申報了三十余項專利；為了實現(xiàn)B型艙工程化應用，研發(fā)團隊圍繞生產(chǎn)做設計，嚴格按照IGC規(guī)則和美國船級社（ABS）的相關規(guī)范進行了精準地仿真分析、科學化試驗和規(guī)范化驗證相結合，全面覆蓋了強度、熱應力、疲勞裂紋擴展、泄漏評估等，設計方案和評估報告得到了船東和船級社的認可，并獲得了主管當局美國海岸警衛(wèi)隊（USCG）認可。99000立方米VLEC副總工藝師周清華介紹。

B型艙是一種全新的設計、采用全新的新材料以及比A型艙嚴格得多的工藝工法和質(zhì)量標準，其實際建造難度大幅增加，整個施工過程充滿挑戰(zhàn)。如何實現(xiàn)高效率、高質(zhì)量建造，需要在工藝、工法、工裝和品控等方面革新突破。“在首制艙制造前，我們通過1：1模擬艙建造，相繼完善、固化了施工工藝和焊接規(guī)程，優(yōu)化了施工流程和工法等工作，為后續(xù)液貨艙的節(jié)拍化建造提供了有力保障。至今已建立了一套滿足規(guī)范要求，可用于實船建造檢驗的B型艙建造標準，獲得了船東和船級社的認可，該標準未來將向“國標”進軍。”B型艙總建造師蔣淮介紹。

“難伺候”的鋼材

因為液化氣裝載-104°C的低溫要求，B型艙選用了5%鎳鋼，這是一種“挑食”的鋼材，只有特種焊材符合它的“胃口”，而且為了提質(zhì)增效，B型艙創(chuàng)新地采用了混合氣體保護焊和埋弧焊等高效焊接方式，這對于江南的電焊工來說是首次嘗試，“怎么焊”也成為了項目團隊面前一座大山。

“實心不銹鋼焊絲的焊接手勢和以往的焊接藥性焊絲也不同，從‘拉’變成了‘推’，很多焊工都不適應，而且它對焊機和導嘴都很‘挑’，為此我們做了很多次試驗，焊工付出了很多“焊”水。”江南重工高級技師陳惠東介紹。

項目團隊更是為5%鎳鋼量身打造了專用焊接工藝標準和操作規(guī)程，并為焊工們準備了上崗前的兩道難關：“嚴苛”的培訓考證和“殘酷”的模擬實操。關卡難度之高讓半數(shù)選手都“回爐重練”。

“雖然過程很艱難，但我們還通過一次次摸索找到了最優(yōu)的焊接方法，也鍛煉出了一批5%鎳鋼焊接高手。”B型艙副總工藝師皓慶說道，誠如他所說，從拍片合格率從模擬件的僅有60%到實際產(chǎn)品的超過97%，正是這樣的精心準備和謹慎態(tài)度，為“挑食”的5%鎳鋼選出了最適合它的“飯菜”和“廚師”。

“焊”起來難，“變”起來更難。與常規(guī)鋼板和C型艙中厚度的5%鎳鋼板不同，B型艙圍護系統(tǒng)所用的5%鎳鋼薄板極其“嬌氣”，火工矯正，對這種耐低溫的鋼材可謂是“滅頂之災”，一不小心就會造成艙體破裂。不能火工，就意味著變形控制要做到極致，為了避免薄板出現(xiàn)較大的變形，建造團隊靈活采用了“土辦法”有效地控制了焊后變形，對攻克5%鎳鋼焊接難關發(fā)揮了很大的作用。

此外，焊接工藝和焊接順序也至關重要。B型艙無法像A型艙可以單面焊雙面成型，它需要通過雙面焊接。這樣一來，為了讓焊材和母材更為匹配，不同位置就需要不同的焊接方式。“就拼板來講，我們要采用雙面自動焊、單面自動焊單面仰焊、單面氣保焊單面手工焊、雙面氣保焊等多類焊接方式。”B型艙焊接副總工藝師趙立剛介紹，這種“因材施教”，讓焊接質(zhì)量以及焊接效率都得到了保證，也讓這種“嬌氣”的鋼材能夠“以不變應萬變”。

為了確保建造過程中焊接質(zhì)量全面可控，項目團隊采用了數(shù)據(jù)焊接管控模式，通過數(shù)字化技術，人機管控5%鎳鋼的焊接質(zhì)量，實現(xiàn)低應力制造、每一道焊縫實名可追溯、進一步降低焊工技能要求和缺陷風險，實現(xiàn)了不同種類的高效焊接方法的效率比傳統(tǒng)手工焊提升2倍以上。“在焊縫質(zhì)量自檢過程中，采取上下道工序的互檢制度，強化工藝培訓，嚴格現(xiàn)場實操質(zhì)量監(jiān)督，做好了每條焊縫分類分級檢查，關鍵焊接區(qū)域實現(xiàn)了焊接探傷合格率100%，做到了讓船東船檢省心放心。”B型艙總質(zhì)量師荀益本介紹。

“特殊”的絕緣系統(tǒng)

項目團隊針對B型艙的特性采用了復雜的板式絕緣而非施工相對簡單、A型艙的噴涂式絕緣，這也是液貨圍護系統(tǒng)的重要組成部分。“每個艙的絕緣有6500多塊不同形狀的絕緣板組成，且艙體頂部斜面角度大，高度高，安裝難度大、危險系數(shù)高。如何將絕緣板運送到正確的安裝位置，確保每一塊絕緣板的正確安裝，是本項目施工的關鍵。”B型艙總工藝師蘇曉鳴介紹。項目團隊會同絕緣廠商在前期進行了三維數(shù)字建模分解并用二維碼對每一塊板進行了單一身份識別，實現(xiàn)了全流程的智能管理和跟蹤，同時進行大量研究、分析和模擬等工作。同時在絕緣預留方面也做到了極致，建造團隊量身定制了特殊工裝，制訂了詳細的施工保障計劃，設立臨時中轉區(qū)等，大幅縮短安裝周期，同時也做到了B型艙零預留底部絕緣。液艙建造主管常劍介紹。

“高難度”的駁運&吊裝

絕緣安裝難度大、施工時間長、環(huán)境要求高，為此，B型艙從總組平臺轉場到室內(nèi)船臺，這對于駁運、吊裝團隊來說，堪稱“挑戰(zhàn)不可能”。室內(nèi)船臺在完成搭設腳手架之后，B型艙兩側剩下的通道甚至容不下一個成年人轉身；同時液艙的長度與江南大道至跨間門口的寬度相比相差小，大件駁運團隊總說他們這是“螺螄殼里做道場”。做完絕緣之后的B型艙更加要小心翼翼，考慮到B型艙重量幾乎接近大型龍門吊的極限安全吊重，單靠其本身的鞍座，不足以作為全部的頂升受力點，還需要預留絕緣修補點。經(jīng)過多次方案優(yōu)化，預留點從70多個降到30個，節(jié)省了一半以上的時間。

絕緣修補結束后，保進度的壓力就轉移到了吊裝技術團隊。此次吊裝恰逢中秋假期，任務安排的滿滿當當。此前的駁運也因為受到了臺風的影響，周期更加緊張。B型艙艙體兩側的坡度大增加了吊裝掛鉤時的難度。經(jīng)過前期精心策劃，并應用公司“一次到位（OTS）”的成熟技術，B型艙的吊裝就位、落座、匹配收鉤時間大幅度縮短，從以往的到5、6個小時壓縮至45分鐘完成。

目前，99000立方米VLEC首制船雖然已經(jīng)下水，后續(xù)還有艱巨的保交船任務。“BrilliancE”B型艙圍護系統(tǒng)設計建造的突破實現(xiàn)了中國船企在關鍵核心技術上的自主可控。也正是江南人這種“充滿自信的創(chuàng)新”精神驅動著百年江南這樣的傳統(tǒng)造船企業(yè)在數(shù)字化和低碳化轉型的路上勇往直前！

備注：數(shù)據(jù)僅供參考，不作為投資依據(jù)。