近年來，由于液化天然氣(LNG)船與LNG動力船等船舶的市場需求穩步增長，成本更為低廉的新型LNG儲罐制造材料高錳鋼正在成為市場熱點。
高錳鋼具有優秀的低溫性能，強度也比較高，在零下196攝氏度條件下具有良好的沖擊韌性，可以替代目前廣泛使用的低溫金屬，例如9鎳鋼、5鎳鋼、不銹鋼和鋁合金等。與此同時，由于地球上錳的含量較多，因此高錳鋼的成本相較于其他低溫金屬低得多，大規模應用優勢明顯。目前，已有多家船廠正在進行相關的工程化應用研究，韓國大宇造船海洋已成功研發高錳鋼材料LNG儲罐，并投入測試和使用。
然而，高錳鋼的規?；瘧眠€需要解決很多問題，如焊接難度大、錳蒸氣對環境的污染等，其中尤其值得關注的是錳蒸氣對人健康的危害。在高錳鋼切割和焊接作業過程中如何減少對操作工人健康的危害，是在船舶領域實現高錳鋼規?；瘧眯枰鉀Q的重點問題。
成本優勢明顯、業界爭相研發推廣
高錳鋼全稱高錳奧氏體低溫鋼，是指錳含量為22.5%~25.5%，屈服強度不小于400兆帕，在環境溫度和工作溫度中保持奧氏體相的鋼。奧氏體相是鋼鐵一層片狀的顯微結構，常見的奧氏體相金屬就是不銹鋼。高錳鋼并不是一個新的鋼種，早在1882年，英國的Robert Hadfield就發明了高錳鋼，高錳鋼具有良好的加工硬化能力和沖擊韌性，而且耐磨損，能夠在高沖擊負荷下安全可靠運行，已應用于冶金、采礦、鐵路、軍工等行業，比較典型的有高錳鋼制鐵軌和坦克的履帶等。
近年來，業界開始研究將高錳鋼應用于LNG船建造。一直以來，根據《國際散裝運輸液化氣體船舶構造與設備規則》(IGC Code)和《國際使用氣體或其他低閃點燃料船舶安全規則》(IGF Code)的要求，LNG儲罐只能用4種材質：鎳合金鋼、不銹鋼、9鎳鋼和鋁合金。高錳鋼的出現擴展了LNG儲罐的材質選擇范圍，而且由于高錳鋼的成本相較這4種金屬有了大幅降低，業界對高錳鋼大規模用于船舶建造寄予厚望。
韓國企業較早對高錳鋼的船用進行了研究。2010年，韓國的浦項制鐵與大宇造船海洋開始進行高錳鋼的聯合研發，2013年成功研發出低溫高錳鋼厚板產品，隨后開始推廣高錳鋼作為LNG儲罐材質，取代目前市場上廣泛應用的鎳鋼。浦項制鐵研發的高錳鋼于2014年通過韓國國家技術標準院認證，于2017年通過美國材料與試驗協會(ASTM)標準認證。2017年，在現代尾浦建造的LNG動力散貨船采用了高錳鋼制作LNG燃料罐(Type C型)。
2018年，韓國推動國際海事組織(IMO)出臺《經修訂的用于低溫環境的高錳奧氏體鋼應用臨時指南》，明確高錳鋼是能夠用作承載LNG的低溫鋼，同意高錳鋼應用于LNG運輸船和LNG動力船的液貨艙和燃料艙。2019年，高錳鋼被韓國產業通商資源部批準用作陸上LNG儲罐，并通過了低溫材料性能測試，通過實際的項目運行證明了其性能和穩定性。
2020年，赫伯羅特在大宇造船海洋訂造了多達12艘的超大型23000TEU LNG雙燃料集裝箱船，這是首批使用高錳鋼燃料艙(Type B型)的集裝箱船。
我國的高錳鋼研究起步晚于韓國，2014年，中國船舶集團有限公司旗下江南造船(集團)有限責任公司開始研制以鎳鋼為主屏壁的B型燃料艙，并同步進行高錳鋼焊接和錳蒸氣對人體健康危害的研究。2016年，鞍鋼、舞鋼、首鋼等鋼企及鋼鐵研究總院、中國船舶集團七二五研究所、北京科技大學、武漢科技大學等開展了高錳鋼的研發和應用工作。2018年，七二五所聯合中國船級社(CCS)、鞍鋼、舞鋼等單位，在工業和信息化部立項開展LNG儲罐高錳奧氏體低溫鋼應用性能研究。
2020年，中國特鋼企業協會團體正式發布《低溫壓力容器用高錳奧氏體鋼板》團體標準。2021年12月，CCS正式發布《高錳奧氏體低溫鋼應用指南》。
污染不容忽視、應用瓶頸有待打破
高錳鋼應用于LNG運輸船與LNG動力船擁有明顯的成本優勢，但與此同時，相比于目前通用的LNG承載材料，高錳鋼的表面應力較大，切割有難度。采用目前的焊接方式，高錳鋼焊接后焊縫的強度會低于母材，容易出現結構缺陷。此外，高錳鋼焊接對環境產生污染及對人體健康造成危害的一面更不容忽視。
高錳鋼中含有25%的錳，其切割和焊接中會產生大量的錳蒸氣，而錳蒸氣對人體的健康危害巨大。
錳蒸氣在空氣中能很快氧化成灰色的一氧化錳及棕紅色的四氧化三錳等錳的氧化物煙塵。如果防護不良，錳蒸氣就會通過呼吸道進入人體，造成錳中毒，引起中毒者嚴重的器質性病變。
錳中毒發病較慢，一般在3～5年后，有的人20年后才發病。錳中毒會引發人體類似于帕金森氏綜合征的各種癥狀，例如四肢肌張力增高，伴有靜止性震顫、言語障礙、步態異常、后退困難等，也會有顯著的精神情緒變化，如感情淡漠、反應遲鈍、不能自主哭笑、沖動行為等。
由于錳蒸氣的危害巨大，而且中毒者以慢性中毒為主，一經發現往往其大腦已經產生了不可逆的損壞，因此各國職業健康防護法規對錳在工作場所的含量有較為嚴格的規定。
美國政府工業衛生師協會要求8小時工作時間環境中錳蒸氣的含量小于0.02毫克/立方米，而正常的車間內電焊煙塵的最高閾值為6毫克/立方米。中國規定錳及其無機化合物在工作場所含量小于0.15 毫克/立方米。因此，如何控制工作環境中的錳含量，如何減少高錳鋼切割和焊接作業過程中錳蒸氣對操作工人的危害，是推廣應用高錳鋼工作中的重中之重，在高錳鋼切割和焊接作業過程中的健康保護也是不可省略的初期投資。
職業健康安全環保(HSE)是船廠的頭等大事，在正式應用高錳鋼之前，船廠相關的工程技術人員應充分了解高錳鋼的切割、加工和焊接等作業可能帶來的職業健康隱患。
針對高錳鋼焊接過程中出現的污染，船廠應采取一系列的防護措施。一是進行環境監測，可通過個體暴露粉塵儀等進行監測，采用顆粒物計數的方式進行直讀式采樣。二是進行局部通風，在較為空曠的環境下，可采用“高負壓焊煙除塵器和一體式吸煙焊槍”的組合方式進行高錳鋼焊接作業，高負壓除塵器與除塵焊槍的結合可捕獲 90%~95%的焊接煙霧，過濾效率達 99.8%;一體式吸煙焊槍可減少90%~95%的焊接煙塵。三是采用區域通風設備，較大區域的通風和除塵需要采用專用的通風除塵換氣系統，其中，焊煙除塵換氣系統采用PTFE覆膜濾筒，可確保對亞微米粒子高達99.99%的過濾效率。四是采用個人防護裝置，如電動送風面罩配備自動變光焊接面罩等。五是采用其他輔助設備，由于船廠的各種作業受空間的約束較大，例如分段階段、總段合攏階段和碼頭階段等，需要在狹窄空間或離岸較遠的區域進行焊接或切割作業，因此需要配備長距離的通風管路，并確保對通風管路的空氣通過性和質量進行實時監測。
這些防護措施可以在很大程度上避免高錳鋼焊接對工人健康的危害，當然，實際效果還需要進一步測試。目前，江南造船正在準備進行高錳鋼的焊接防護測試。
韓國機械研究院今年7月曾宣布，該院釜山機械技術研究中心團隊與大宇造船海洋合作，成功開發出船用LNG儲罐用低溫高錳鋼激光—電弧復合焊接技術，該技術可縮短10%的LNG儲罐制作時間。激光焊確實能減少液罐的制作時間，但不能從根本上減少高錳鋼焊接對工人健康的危害。一是因為高錳鋼內有將近25%的錳含量，激光焊接產生的熱量同樣會產生大量的錳氧化物;二是激光焊接相較其他焊接形式成本更高，而且適用區域較少，液罐的復雜區域(曲面連接處、內部結構等)施工仍需要采用手工焊等傳統的焊接形式。因此，高錳鋼即使采用新興的激光-電弧復合焊接技術，依然需要采取全面有效的健康防護措施。
綜上所述，在高錳鋼的應用上，船廠不能僅僅看到材料成本的降低，而要充分關注其給作業工人帶來的健康危害，并采取措施有效保障員工的職業健康安全。
作者系中國船舶集團江南造船 胡可一 王冰
