내염수 해양 선박 설계를 위한 5086 해양 알루미늄 I 빔

5086 해양 알루미늄 I 빔: 내염수성 선박 설계의 구조적 척추

해양 공학에 적용되는 모든 알루미늄 프로파일 중에서 5086 해양 알루미늄 I 빔은 특별한 범주에 속합니다. 이는 또 다른 "단면 모양"이 아니라 많은 해수 선박의 실제 척추 및 흉곽입니다. 플레이트가 표면을 정의하는 곳에서 I빔은 의도를 정의합니다. 이는 설계자가 하중, 파도 및 수십 년간의 부식 노출에 걸쳐 선체가 어떻게 작동하기를 원하는지 표현합니다.

5086 I 빔을 ​​외부에서 보면 단순해 보입니다. I자형 단면, 알려진 합금, 표준 템퍼입니다. 그러나 구조 및 부식 공동 설계 관점에서 살펴보면 이러한 빔은 다음과 같은 질문에 대한 매우 정확한 답이 됩니다.

"용접성이나 수리성을 희생하지 않고 어떻게 알루미늄의 경량 장점을 바닷물에서의 평생 피로 저항으로 바꿀 수 있습니까?"

왜 해양 I 빔에 5086 합금을 사용하나요?

바닷물 조건에 직면한 해양 설계자들은 높은 강성, 피로 저항성, 낮은 무게, 손쉬운 제작, 장기 부식 저항성 등 경쟁적인 요구 사항을 충족해야 합니다. 열처리가 불가능한 Al-Mg 합금인 5086 알루미늄은 가혹한 해양 환경에서 내구성을 크게 고려하여 의도적으로 절충한 제품입니다.

구조적 I 빔에서 5086의 장점은 선박 설계의 세 가지 중요한 요구 사항과 일치합니다.

화학에 내장된 내식성

5086의 핵심에는 1차 합금 원소인 마그네슘이 있습니다. 이는 다음을 제공합니다:

• 해수에서 염화물로 인한 부식에 대한 탁월한 저항성
• 많은 고강도 알루미늄 합금에 비해 응력 부식 균열에 대한 강한 내성
• 적절하게 마감 처리되고 보호된 경우 피팅 및 틈새 부식에 대한 매우 우수한 저항성

응결, 빌지 대기 및 물 튀김 구역에 노출된 길고 얇은 I 빔 플랜지와 웹의 경우, 이러한 합금 내 보호 기능은 계획되지 않은 검사, 수리 횟수 및 예측 가능한 구조적 수명을 의미합니다.

용접성을 희생하지 않는 강도

5086은 열처리가 아닌 냉간 가공(변형 경화)을 통해 강도를 얻습니다. 이는 I 빔에 두 가지 직접적인 영향을 미칩니다.

• 용접은 열처리 가능한 합금의 일반적인 강도 파괴 미세 구조 변형을 유발하지 않습니다.
• 열 영향부(HAZ) 연화가 존재하지만 여전히 제어 및 예측이 가능합니다. 설계자는 합리적인 안전 계수와 접합 형상을 통해 이를 설명할 수 있습니다.

선박에서는 거의 모든 주요 I 빔이 종방향, 횡방향 및 갑판 구조에 용접됩니다. 합금은 국부적인 가열을 허용하고, 완전 용입 용접을 허용해야 하며, 반복 하중 및 해수 공격에도 구조적 무결성을 유지해야 합니다. 5086은 이러한 모든 조건을 기꺼이 충족하는 몇 안 되는 합금 중 하나입니다.

강성과 무게: 선체의 동적 거동 형성

알루미늄 밀도는 강철 밀도의 약 1/3입니다. I 빔의 경우 이는 다음을 의미합니다.

• 비슷한 무게로 더 큰 단면 계수
• 전체 변위가 낮고 탑재량 성능이 향상되었습니다.
• 거친 바다에서 선체 구조에 대한 낮은 관성 하중

강성을 얻기 위해 판 두께를 늘리는 대신 설계자는 전략적으로 5086 I 빔을 ​​사용하여 쉘 판을 더 얇게 유지하면서 견고한 "골격"을 만들 수 있습니다. 이러한 "스킨"과 "프레임"의 분리는 알루미늄 선박의 성능 우위를 확보하는 부분입니다.

전통적인 관점에서 볼 때 선체와 데크 플레이트는 쇼의 스타입니다. 그러나 피로 분석 및 운영 유지 관리에서 빌린 보다 현실적인 관점은 빔과 보강재가 선박이 수십 년 동안 사용하면서 설계 편향 및 진동 한계 내에서 유지되는지 여부를 결정한다는 것을 시사합니다.

그런 관점에서 보면:

• 5086 I 빔의 웹은 파동 유도 비틀림에 반응하는 전단 다이어프램입니다.
• 플랜지는 전체 선체 거더 모멘트와 로컬 데크 굽힘을 전달하는 굽힘 플랜지입니다.
• 미세 구멍 및 입계 공격에 대한 합금의 저항성은 실제 해수 조건에서 굽힘 및 전단 용량이 그대로 유지되는 기간과 직접적인 관련이 있습니다.

I 빔 선택 및 레이아웃의 오류는 첫해에는 거의 나타나지 않습니다. 이러한 현상은 10년차, 15년차, 20년차에 용접 발가락의 피로 균열, 응결 지점의 국부적 부식 얇아짐, 미묘하지만 점점 커지는 진동 동작 변화 등으로 나타납니다.

5086 I 빔을 ​​선택하는 것은 바닷물과 반복 하중 하에서 더 느린 열화 곡선을 효과적으로 선택하는 것입니다.

5086 해양 알루미늄의 화학 성분

5086의 화학적 균형은 내식성, 용접성 및 템퍼 전반에 걸쳐 안정적인 기계적 특성을 강조하도록 조정되었습니다. 일반적인 구성 범위는 다음과 같습니다.

낮은 구리 및 제어된 철/실리콘 수준은 해수에서 특히 중요합니다. 왜냐하면 얇은 I 빔 단면과 용접 영역의 응력 집중에서 공식을 가속화할 수 있는 국소 갈바닉 마이크로 셀을 줄이기 때문입니다.

I빔의 기계적 성질과 공통성질

5086은 변형 경화 합금입니다. 이는 냉간 가공의 양과 패턴에 따라 기계적 특성이 설정되고 종종 온화한 열처리를 통해 안정화된다는 의미입니다. 해양 I 빔의 경우 가장 관련성이 높은 성질은 다음과 같습니다.

• 5086‑O(어닐링): 연성은 최대, 강도는 낮음; 기본 빔에는 거의 사용되지 않지만 광범위한 성형이 필요한 부품에서는 역할을 할 수 있습니다.
• 5086‑H111: 가벼운 변형 경화; 적당한 강도와 높은 성형성이 요구되는 곳에 적합
• 5086‑H112: 그대로 제작되었으며 속성이 제어되지만 엄격하게 정의되지는 않았습니다. 복잡한 형상을 가진 돌출된 I 빔에 공통적임
• 5086‑H116: 변형 경화 및 부분 어닐링; 특히 박리 및 응력 부식에 대한 저항력이 향상된 "해양 선체" 특성
• 5086‑H32 / H34: 안정화된 적당한 변형 경화; 더 높은 항복 강도가 필요한 곳에 사용되지만 용접성과 인성이 저하되지는 않습니다.

5086 해양 I 빔의 일반적인 기계적 특성(값은 대략적이며 제품 형태, 두께 및 정확한 성질에 따라 다름):

선박 설계 계산에서 이러한 값은 맹목적으로 사용되지 않습니다. 디자이너는 다음을 담당합니다.

• 용접 및 HAZ의 기계적 특성 감소
• 파도에 의한 반복 하중 하에서의 피로 강도
• 저온 해양 서비스의 충격 인성

I 빔의 성질 선택은 정적 설계 하중과 장기 피로 및 부식 요구 사항 간의 균형을 반영합니다.

치수, 단면 속성 및 실제 매개변수

해양 실습에서 5086 I 빔은 공칭 높이와 너비뿐만 아니라 단면 특성이 실제 선체 하중과 상호 작용하는 방식에 따라 선택되고 맞춤화됩니다.

I 빔 프로파일의 기하학적 매개변수는 다음과 같습니다.

• 전체 깊이(H)
• 플랜지 폭(B)
• 웹 두께(tw)
• 플랜지 두께(tf)
• 웹과 플랜지 사이의 루트 반경
• 단면적(A)
• 장축과 단축에 대한 면적(I)의 두 번째 모멘트
• 장축에 대한 단면 계수(W)
• 회전 반경(i)

알루미늄 선박 설계의 일반적인 전략은 다음과 같습니다.

• 상대적으로 넓은 플랜지를 사용하여 데크 또는 선체 거더 적용 시 굽힘에 대한 단면 계수를 최대화합니다.
• 무게를 제어하면서 전단을 처리할 수 있도록 웹 두께를 최적화하십시오.
• 넉넉한 루트 반경을 사용하여 특히 용접 조인트 및 컷아웃 주변에서 응력 집중을 줄이고 피로 수명을 향상시킵니다.

5086 압출 I 빔은 해양 분류 규칙의 일반적인 플레이트 두께 및 보강재 간격과 조화를 이루는 미터법 또는 영국식 크기 범위로 생산되는 경우가 많습니다. 대형 조선소에서 선호하는 구조 철학에 맞춰 맞춤형 형상도 압출됩니다.

구현 표준 및 분류 요구 사항

5086 해양 알루미늄 I 빔을 ​​사용한 설계는 결코 단독으로 수행되지 않습니다. 합금, 성질, 형상 및 제조 방법은 국제 및 분류 표준의 틀에 묶여 있습니다.

5086의 일반적인 재료 및 제품 표준은 다음과 같습니다.

• ASTM B221: 알루미늄 및 알루미늄 합금 압출 바, 막대, 와이어, 프로파일 및 튜브
• ASTM B928/B928M: 해양 서비스 및 유사한 환경을 위한 고마그네슘 알루미늄 합금 시트 및 플레이트(선체 등급 동작에 대한 참조, H116)
• EN 573: 단조 알루미늄 및 알루미늄 합금의 화학적 조성
• EN 755: 압출 로드/바, 튜브 및 프로파일 – 기계적 특성 및 공차

해양 분류 협회는 추가 지침과 승인 기준을 제공합니다. 예는 다음과 같습니다:

• DNV-RU-SHIP 및 DNV-RU-HSLC: 알루미늄 구조, 용접성 및 검사에 대한 재료 요구사항
• 알루미늄 선박 및 고속선의 건조 및 분류에 대한 ABS 규칙
• 선박 건조에 알루미늄 합금 적용에 관한 로이드 선급협회 규정

이러한 규칙은 다음을 선택하도록 안내합니다.

• 서비스 지역 및 선박 유형에 따른 최소 항복 강도 및 연신율
• 1차 구조 부재와 2차 구조 부재에 허용되는 성질 및 두께
• 5086 I 빔을 ​​플레이트 및 기타 압출재에 결합하기 위한 용접 소모품 및 절차
• 용접 I 빔 연결부에 대한 비파괴 검사 방법 및 허용 수준

그 결과 5086 해양 I 빔은 단순한 "5086-H112 압출"이 아닙니다. 이는 잉곳에서 온보드 위치까지 추적할 수 있는 분류 봉투 내의 인증된 구성 요소입니다.

합금 템퍼링: 해양 성능을 위한 미세 구조 제어

5086 I 빔의 가장 독특한 기술적 측면 중 하나는 템퍼 선택이 미세 구조와 이를 통해 장기적인 성능을 제어하는 ​​방법입니다.

5086은 열처리가 불가능하므로 6xxx 또는 7xxx 합금의 시효 경화 논리를 따르지 않습니다. 대신 강도는 압연이나 압출에 의한 가공 경화와 선택적인 안정화 어닐링에 따라 달라집니다. I 빔의 경우 템퍼링은 미묘하지만 중요한 몇 가지 문제를 해결합니다.

플랜지와 웹의 강도와 연성의 균형

더 심하게 냉간 가공하면 항복 강도가 높아져 종이에 매력적입니다. 그러나 과도한 경화는 특히 저온에서 연성 및 인성을 감소시킬 수 있으며 용접 접합부에서 피로 균열 발생에 대한 민감도를 증가시킬 수 있습니다.

해양 실무에서는 다음과 같은 경우 I 빔에 대해 H116 또는 중간 H112와 같은 성질을 선호하는 경향이 있습니다.

• 플랜지와 웹의 연성은 국부적 변형을 흡수하기에 충분합니다.
• 항복 강도는 설계 하중 및 분류 요구 사항을 충족할 만큼 충분히 높습니다.
• 용접 상태의 인성은 견고하게 유지됩니다.

응력 부식에 대한 미세 구조 안정화

H116과 같은 "해양 선체" 성질은 다음과 같은 제어된 처리를 거칩니다.

• 잔류 응력 감소
• 시트 및 플레이트 유사체의 박리 부식 위험을 최소화합니다.
• 용접 열 입력에 대해 보다 균일한 반응을 지원합니다.

I 빔의 경우 이는 선체 대들보 또는 데크에 용접 통합된 후 잔여 잔류 응력 패턴이 더 예측 가능하고 해수와 상호 작용하여 국부적인 부식 보조 균열을 일으킬 가능성이 적다는 것을 의미합니다.

5086 I빔의 용접성 및 접합 설계

알루미늄 조선에서 재료의 품질은 재료를 나머지 구조물과 연결하는 접합부만큼 좋습니다. 5086이 선호되는 이유는 바로 I 빔의 경우 용접 작업장과 해상에서 잘 작동하기 때문입니다.

독특한 용접 특성은 다음과 같습니다.

• ER5356 또는 ER5183과 같은 일반적인 해양 필러 와이어와 우수한 호환성
• 설계자가 조인트 디테일 및 국부적 보강을 통해 설명할 수 있는 HAZ의 연화 제어
• 절차를 올바르게 따랐을 때 열간 균열에 대한 낮은 민감성

구조적 관점에서 볼 때 일반적으로 5086 I 빔 주변의 용접 설계는 다음과 같습니다.

• 플랜지 외부 섬유 대신 중립 축 근처와 같이 가능한 경우 응력이 낮은 영역을 따라 용접을 정렬합니다.
• 웹과 플랜지 접합부에서 날카로운 응력 상승을 방지하기 위해 브래킷에 부채꼴 모양의 컷아웃과 반경형 전환을 사용합니다.
• 매끄러운 용접 토우와 제어된 용접 레그 크기를 통합하여 주기적인 파도 하중 하에서 피로 균열 발생을 줄입니다.

용접 I빔 조인트의 부식 거동은 다음과 같이 해결됩니다.

• 5086의 Mg가 풍부한 매트릭스와 호환되는 필러 선택
• 다공성 및 산화물 함유물을 방지하기 위해 용접 전 적절한 세척 사용
• 위치(침수, 비말 구역 또는 내부 공간)에 따라 적합한 해양 코팅, 실런트 또는 음극 보호 적용

실제 바닷물 서비스의 내식성

내식성을 5086 = "해수에 좋음"이라는 단순한 라벨로 보는 것은 유혹적입니다. 그러나 실제로는 합금, 모양 및 환경 간의 상호 작용이 훨씬 더 미묘합니다.

해양 구조물의 I빔의 경우 부식 거동은 다음의 영향을 받습니다.

• 형상: 플랜지-플레이트 교차점 또는 브래킷 피트의 워터 트랩
• 배수 및 환기: 빌지 공간, 이중 바닥 구획 및 습도가 높게 유지되는 보이드
• 코팅 품질: 웹 모서리 및 용접부의 페인트 또는 양극 코팅의 완전성 및 내구성
• 갈바닉 커플: 다른 합금 또는 스테인리스강 피팅 및 패스너에 연결

5086 합금은 이러한 상황에 몇 가지 장점을 제공합니다.

• 기계적 손상 후 재생되는 강력하고 접착력이 있는 산화막으로 약간 공격적인 조건에서도 자가 치유 경향을 제공합니다.
• 완전히 침수된 해수에서 일반적인 부식에 대한 우수한 저항성(특히 음극 보호와 결합 시)
• 특히 틈새와 용접부에서 구리 함유 합금에 비해 국부적 공격에 대한 민감도가 낮습니다.

유지 관리 관점에서 볼 때 가장 큰 이점은 5086 I 빔의 두께 손실이 갑자기 발생하거나 국지적으로 발생하기보다는 점진적이고 예측 가능한 경향이 있다는 것입니다. 이러한 예측 가능성은 수명주기 두께 조사 및 수리 계획을 단순화합니다.

설계 응용: 5086 I Beam이 방정식을 바꾸는 곳

현대 해양 및 해양 구조물에서는 강도, 중량 및 내식성을 동시에 최적화해야 하는 5086 I 빔이 많이 사용됩니다.

일반적인 응용 분야는 다음과 같습니다.

• 고속정 및 순찰선용 알루미늄 선체의 종방향 거더
• 판으로 보강된 선체 구조의 가로 프레임 및 웨브 프레임
• 페리, 해양 지원 선박 및 요트용 갑판 대들보 및 갑판실 프레임
• 강철 선박의 상부 구조 및 헬리콥터 갑판을 위한 지지 구조물
• 중량 감소로 더 많은 탑재량이나 추가 편의 시설이 허용되는 여객선 숙박 시설의 내부 프레임

특정 I 빔 응용 분야에서 5083과 같은 대체 합금 대신 5086을 선택하는 이유는 다음과 같습니다.

• 예상 용접 강도 및 예상 HAZ 특성
• 강도, 연성, 피로 성능의 필수 조합
• 특정 합금 및 필러 조합에 대한 야드 경험 및 자격

5086 I 빔을 ​​사용함으로써 설계자는 분류 요구 사항을 충족할 만큼 충분한 강도를 얻으면서도 알루미늄의 장점(낮은 무게, 뛰어난 내식성, 간단한 제작)을 그대로 유지합니다.

제조 및 품질 관리 고려 사항

5086 해양 I 빔의 성능은 공칭 합금 지정만큼이나 생산 방법에 따라 결정됩니다. 제조 단계는 미세 구조, 잔류 응력, 형상 및 궁극적으로 바닷물에서 빔의 내구성에 영향을 미칩니다.

제조 측면에는 다음이 포함됩니다.

• 균일한 Mg 분포를 보장하고 분리를 줄이기 위해 압출 전 빌렛을 균질화합니다.
• 단면 전반에 걸쳐 일관된 입자 크기, 표면 마감 및 기계적 특성을 달성하기 위해 압출 매개변수를 제어했습니다.
• 원하는 성질 특성을 유지하면서 잔류 응력을 최소화하도록 조정된 냉각 속도
• 정확한 선체 및 데크 조립에 중요한 치수 및 직진도의 정밀 제어

품질 관리에는 다음이 포함됩니다.

• 5086 조성 제한 준수 여부를 확인하기 위한 화학 분석
• 지정된 온도에서 인장, 항복, 연신율 및 때로는 인성에 대한 기계적 테스트
• 플랜지/웹 두께, 반경 및 직진도 공차를 확인하기 위한 육안 및 치수 검사
• 인정된 해양 또는 제품 표준에 따른 인증으로 선급 협회의 추적성과 승인을 보장합니다.

그 결과 하중, 용접, 해수에서의 거동을 확실하게 예측할 수 있는 I빔이 탄생했습니다.

독특한 관점: 선박 동작의 "평생 조정자"로서의 5086 I Beams

5086 I 빔을 ​​고정된 금속 조각으로 생각하는 대신 선박이 주변 환경에서 어떻게 행동하는지에 대한 평생 조정 장치로 보는 것이 더 정확합니다.

시간이 지남에 따라:

• 부식으로 인해 플레이트와 빔이 서로 다른 속도로 얇아집니다.
• 용접부는 미세 균열로 이어질 수 있는 주기적 응력을 경험합니다.
• 추가된 장비 및 수정으로 인해 구조의 국부 하중이 변경됩니다.

기본 하중 지지 부재가 5086 I 빔인 경우 다음과 같은 몇 가지 이점이 발생합니다.

• 부식 진행이 느리고 고르게 분포되기 때문에 용기의 강성 백본은 시간이 지나도 더욱 안정적으로 유지됩니다.
• 합금은 용접 친화적이고 조선소에서 널리 지원되기 때문에 수리 및 보강이 더 쉽습니다.
• 염수 환경에서 5086의 예측 가능한 성능 저하 경험을 바탕으로 검사 간격을 보다 합리적으로 예약할 수 있습니다.

즉, 5086 I 빔은 해양 환경에서만 살아남는 것이 아닙니다. 이는 선박의 유지 관리 및 성능 프로필을 유리한 방식으로 형성합니다. 초기 치수 계산을 넘어 선박의 전체 수명 주기를 고려하는 설계자는 바로 이러한 이유로 5086을 선택하게 되는 경우가 많습니다.