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【深度专访】高锰钢规模化船用有难关！

江南造船

2022-01-07

导读：价廉物美：能替代目前的低温金属且成本更低难题待解：焊接难度大且锰蒸气对人体造成伤害

未来市场热点

近年来，由于液化天然气（LNG）船与LNG动力船等船舶的市场需求稳步增长，成本更为低廉的新型LNG储罐制造材料高锰钢正在成为市场热点。

高锰钢具有优秀的低温性能，强度也比较高，在零下196摄氏度条件下具有良好的冲击韧性，可以替代目前广泛使用的低温金属，例如9镍钢、5镍钢、不锈钢和铝合金等。与此同时，由于地球上锰的含量较多，因此高锰钢的成本相较于其他低温金属低得多，大规模应用优势明显。目前，已有多家船厂正在进行相关的工程化应用研究，韩国大宇造船海洋已成功研发高锰钢材料LNG储罐，并投入测试和使用。

性能好

待解难题还有多少？

可大规模应用

然而，高锰钢的规模化应用还需要解决很多问题，如焊接难度大、锰蒸气对环境的污染等，其中尤其值得关注的是锰蒸气对人健康的危害。在高锰钢切割和焊接作业过程中如何减少对操作工人健康的危害，是在船舶领域实现高锰钢规模化应用需要解决的重点问题。

成本优势明显业界争相研发推广

高锰钢，你了解多少？

高锰钢，全称高锰奥氏体低温钢，是指锰含量为22.5%~25.5%，屈服强度不小于400兆帕，在环境温度和工作温度中保持奥氏体相的钢。奥氏体相是钢铁一层片状的显微结构，常见的奥氏体相金属就是不锈钢。高锰钢并不是一个新的钢种，早在1882年，英国的Robert Hadfield就发明了高锰钢，高锰钢具有良好的加工硬化能力和冲击韧性，而且耐磨损，能够在高冲击负荷下安全可靠运行，已应用于冶金、采矿、铁路、军工等行业，比较典型的有高锰钢制铁轨和坦克的履带等。

近年来，业界开始研究将高锰钢应用于LNG船建造。一直以来，根据《国际散装运输液化气体船舶构造与设备规则》（IGC Code）和《国际使用气体或其他低闪点燃料船舶安全规则》（IGF Code）的要求，LNG储罐只能用4种材质：镍合金钢、不锈钢、9镍钢和铝合金。高锰钢的出现扩展了LNG储罐的材质选择范围，而且由于高锰钢的成本相较这4种金属有了大幅降低，业界对高锰钢大规模用于船舶建造寄予厚望。

韩国企业较早对高锰钢的船用进行了研究。2010年，韩国的浦项制铁与大宇造船海洋开始进行高锰钢的联合研发，2013年成功研发出低温高锰钢厚板产品，随后开始推广高锰钢作为LNG储罐材质，取代目前市场上广泛应用的镍钢。浦项制铁研发的高锰钢于2014年通过韩国国家技术标准院认证，于2017年通过美国材料与试验协会（ASTM）标准认证。2017年现代尾浦建造的LNG动力散货船采用了高锰钢制作LNG燃料罐（Type C型）。

LNG动力散货船“Ilshin Green Iris”号的LNG燃料罐采用高锰钢制作

2018年，韩国推动国际海事组织（IMO）出台《经修订的用于低温环境的高锰奥氏体钢应用临时指南》，明确高锰钢是能够用作承载LNG的低温钢，同意高锰钢应用于LNG运输船和LNG动力船的液货舱和燃料舱。2019年，高锰钢被韩国产业通商资源部批准用作陆上LNG储罐，并通过了低温材料性能测试，通过实际的项目运行证明了其性能和稳定性。

2020年，赫伯罗特在大宇造船海洋订造了多达12艘的超大型23000TEU LNG双燃料集装箱船，这是首批使用高锰钢燃料舱（Type B型）的集装箱船。

我国的高锰钢研究起步晚于韩国，2014年，中国船舶集团有限公司旗下江南造船（集团）有限责任公司开始研制以镍钢为主屏壁的B型燃料舱，并同步进行高锰钢焊接和锰蒸气对人体健康危害的研究。2016年，鞍钢、舞钢、首钢等钢企及钢铁研究总院、中国船舶集团七二五研究所、北京科技大学、武汉科技大学等开展了高锰钢的研发和应用工作。2018年，七二五所联合中国船级社（CCS）、鞍钢、舞钢等单位，在工业和信息化部立项开展LNG储罐高锰奥氏体低温钢应用性能研究。

2020年，中国特钢企业协会团体正式发布《低温压力容器用高锰奥氏体钢板》团体标准。2021年12月，CCS正式发布《高锰奥氏体低温钢应用指南》。

污染不容忽视应用瓶颈有待打破

高锰钢应用于LNG运输船与LNG动力船拥有明显的成本优势，但与此同时，相比于目前通用的LNG承载材料，高锰钢的表面应力较大，切割有难度。采用目前的焊接方式，高锰钢焊接后焊缝的强度会低于母材，容易出现结构缺陷。此外，高锰钢焊接对环境产生污染及对人体健康造成危害的一面更不容忽视。

关于锰蒸汽的危害！

高锰钢中含有25%的锰，其切割和焊接中会产生大量的锰蒸气，而锰蒸气对人体的健康危害巨大。

锰蒸气在空气中能很快氧化成灰色的一氧化锰及棕红色的四氧化三锰等锰的氧化物烟尘。如果防护不良，锰蒸气就会通过呼吸道进入人体，造成锰中毒，引起中毒者严重的器质性病变。

锰中毒发病较慢，一般在3～5年后，有的人20年后才发病。锰中毒会引发人体类似于帕金森氏综合征的各种症状，例如四肢肌张力增高，伴有静止性震颤、言语障碍、步态异常、后退困难等，也会有显著的精神情绪变化，如感情淡漠、反应迟钝、不能自主哭笑、冲动行为等。

由于锰蒸气的危害巨大，而且中毒者以慢性中毒为主，一经发现往往其大脑已经产生了不可逆的损坏，因此各国职业健康防护法规对锰在工作场所的含量有较为严格的规定。

美国政府工业卫生师协会要求8小时工作时间环境中锰蒸气的含量小于0.02毫克/立方米，而正常的车间内电焊烟尘的最高阈值为6毫克/立方米。中国规定锰及其无机化合物在工作场所含量小于0.15毫克/立方米。因此，如何控制工作环境中的锰含量，如何减少高锰钢切割和焊接作业过程中锰蒸气对操作工人的危害，是推广应用高锰钢工作中的重中之重，在高锰钢切割和焊接作业过程中的健康保护也是不可省略的初期投资。

职业健康安全环保（HSE）是船厂的头等大事，在正式应用高锰钢之前，船厂相关的工程技术人员应充分了解高锰钢的切割、加工和焊接等作业可能带来的职业健康隐患。

可采用的相关防护措施

针对高锰钢焊接过程中出现的污染，船厂应采取一系列的防护措施。

一是进行环境监测，可通过个体暴露粉尘仪等进行监测，采用颗粒物计数的方式进行直读式采样。

便携式个体暴露粉尘测量仪

二是进行局部通风，在较为空旷的环境下，可采用“高负压焊烟除尘器和一体式吸烟焊枪”的组合方式进行高锰钢焊接作业，高负压除尘器与除尘焊枪的结合可捕获 90%~95%的焊接烟雾，过滤效率达 99.8%；一体式吸烟焊枪可减少90%~95%的焊接烟尘。

局部焊接防护设备

三是采用区域通风设备，较大区域的通风和除尘需要采用专用的通风除尘换气系统，其中，焊烟除尘换气系统采用PTFE覆膜滤筒，可确保对亚微米粒子高达99.99%的过滤效率。

区域通风除尘换气系统

四是采用个人防护装置，如电动送风面罩配备自动变光焊接面罩等。

个人防护面罩

五是采用其他辅助设备，由于船厂的各种作业受空间的约束较大，例如分段阶段、总段合拢阶段和码头阶段等，需要在狭窄空间或离岸较远的区域进行焊接或切割作业，因此需要配备长距离的通风管路，并确保对通风管路的空气通过性和质量进行实时监测。

这些防护措施可以在很大程度上避免高锰钢焊接对工人健康的危害，当然，实际效果还需要进一步测试。目前，江南造船正在准备进行高锰钢的焊接防护测试。

韩国机械研究院今年7月曾宣布，该院釜山机械技术研究中心团队与大宇造船海洋合作，成功开发出船用LNG储罐用低温高锰钢激光—电弧复合焊接技术，该技术可缩短10%的LNG储罐制作时间。激光焊确实能减少液罐的制作时间，但不能从根本上减少高锰钢焊接对工人健康的危害。一是因为高锰钢内有将近25%的锰含量，激光焊接产生的热量同样会产生大量的锰氧化物；二是激光焊接相较其他焊接形式成本更高，而且适用区域较少，液罐的复杂区域（曲面连接处、内部结构等）施工仍需要采用手工焊等传统的焊接形式。因此，高锰钢即使采用新兴的激光-电弧复合焊接技术，依然需要采取全面有效的健康防护措施。