造船用钢生产技术的最新进展

船舶与设备

●陈

力

造船用钢生产技术的最新进展

船等各种船舶的需求量日益提高。今后，随着船舶输送效率和燃料费用的提高，船舶的大型化和轻量化将得到快速发展。

为了适应全球化的趋势，船级协会对规则的修订，以及造船厂的要求，对钢材的性能要求主要包括如下两个方面：从环保和安全性的角度出

随着近几年船舶业发展环境的变化，世界范围内对于船舶的安全问题及环境保护等方面的意识正在逐步提高。以过去重大海难事故为教训，以国际海事机构（I－

发，需要提高抗断裂可靠性；从使用寿命和降低成本的角度，需要提高抗疲劳、耐腐蚀性能。

提高抗断裂性能

为了适应提高抗断裂可靠性的要求，各钢厂花费很长时间开发出了高强度高韧性钢，并对其制造工艺进行了改进，特别是从20世纪60年代开始，开发了控制轧制法。到1980年，日本借助实用化的契机，采用世界上推广的加速冷却技术（以下将控制轧制法与加速冷却法合并简称为TMCP），使厚板基体的强度、韧性得到大幅提高。

另外，根据TMCP工艺，同级别强度的厚板，由于碳当量的降低，可进行免预热

MO）为主导，正在制定相关的国际规则，以

提高船舶的安全性和可靠性。国际船级协会（IACS）制定了大型货物船及二级油轮的通用结构规则，并于2006年4月1日起适用于船舶建造。根据该规则，船舶需具备在北大西洋最严酷的波浪条件下耐用25年的结构强度。

另外伴随着全球化的进行，全球规模的物流量增大。据称，海上货物运输量将从2005年的80亿吨增加到2015年的132亿吨。因此，对油轮、LNG（液化天然气）船、大型货船、集装箱船、汽车运输

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焊接，从而改善钢的焊接性，使船舶制造的生产效率大为提高。碳当量的降低，也使焊接热影响区（HAZ）的韧性大幅提高。另外，通过化学成分和TMCP工艺的组合控制，钢厂还开发出了适用于大线能量焊接的高HAZ韧性钢。尽管不同钢厂采用不同的HAZ韧性改善技术，但通常的做法是改善TMCP条件，降低碳当量，细化母材组织，使HAZ中的氮化物、氧化物、硫化物等弥散分布，使其组织细化。从应用方面来说，该工艺方法也适用于大线能量焊接的焊接材料和造船用外板沿纵向高效焊接的装置。

因为脆性裂纹大部分发生在焊接接头，所以防止裂纹沿焊接接头向外扩展非常重要。过去，在板厚40毫米以下的造船用钢上进行的焊接接头大型止裂性能试验中，受焊接残余应力的影响等因素，可使沿焊接接头扩展的脆性裂纹向母材一侧的扩展停止。然而，与薄钢板的情况不同，对于板厚超过40毫米的厚钢板，进行同等大型试验后发现，裂纹沿焊接部位向基体内扩展，裂纹传播并未停止。另外，对没有焊接部的基体部分进行试验，也发现有裂纹传播的发生。为了阻止脆性裂纹的传播，板厚越大，要求钢材具有越高的夏比冲击功。

据研究对于具有很高止裂性能的造船用钢材，其表面晶粒尺寸为2微米的细晶粒厚板（HIAREST钢）已实现商用化。这种钢材具有在-10℃温度下超过10000N/

用HAZ组织控制技术，可以对超过50mm板厚的钢板进行一次性大线能量焊接。这样的厚板是在钢铁企业和造船企业合作的基础上开发的。

提高抗疲劳性能

疲劳裂纹大多发生在焊接接头。如果焊接接头存在与屈服强度相当的残余拉应力，那么焊缝末端就会成为应力容易集中的区域。因此，即使实现了母材的高强度，由于焊接接头疲劳强度很低，也存在很多无法达到高强度效果的情况。虽然也曾进行了很多有关抑制焊接接头疲劳裂纹的研究，但是到现在还未找到有效的办法。相反，关于通过改善焊接材料和对焊接接头进行焊后处理，从而有效抑制裂纹发生的研究却比较多。

通过TIG（钨极氩弧）焊，改善焊缝端面形状，来抑制裂纹发生的方法已被广泛采用。另外，控制焊接材料的相变温度，在焊接状态下施加残余压应力，使疲劳极限的提高成为可能。

焊接接头的焊后处理法可通过采用机械碾压，改善焊缝端面形状，从而降低应力集中的方法。如锤击等是对焊缝施加残余压应力的方法。其中值得注意的是将

27kHZ左右的超声波通过转锤交替机械

震动击打在钢材试样表面的方法，即通过实施与机械碾压等效的处理，改善了焊缝端面形状，从而获得与锤击处理相当的残余压应力。击打的方法可以改善表面层的金属组织等，从而提高疲劳强度。

疲劳裂纹的扩展，可根据钢材的不同，采用不同方法加以抑制。例如，YP为

mm1.5（板厚25mm）夏比冲击功的超高止裂

性能。采用特殊的制造工艺，可以制造最大板厚为50mm的造船板。对于超大型集装箱船的制造，有必要开发高强度大板厚的高止裂性钢。为了适应这种需求，屈服强度（YP）达到460N/mm2，具有高止裂性能的造船用钢EH47已实现商用化。这样，采用

36kg/m2（1kg/m2=98.1kPa）级别的厚板已经

实现商用化。另外还有采用TMCP工艺进行细化组织控制的研究，如贝氏体在铁素体中的粒状分布，以及铁素体和珠光体的细粒弥散分布。此外，使铁素体中的马氏

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TMCP技术实现母材组织细化的同时，采32

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体呈条状分布也是一个有效的方法。硬质的马氏体能够作为裂纹扩展的障碍物，可以使裂纹不分向、不绕回，这样，裂纹在板厚方向的扩展速度就可降低到普通钢材的五分之一。

提高耐腐蚀性能

耐腐蚀性能的提高也是确保安全性的重要因素。调查研究表明，高船龄的船舶损伤一般来说是腐蚀损耗所致。腐蚀是材料与环境相互作用的结果，特别受到货物种类和构造以及运输环境等复杂因素的影响。很多情况下，在船舶的内部环境中，腐蚀现象的发生还没有从技术上得到明确。

根据多项研究结果，船舶天井部甲板后部的腐蚀损耗事实上是因原油中硫化氢气体和防爆气体中含有的水蒸气、氧气、二氧化碳以及因昼夜温度变化引起的干湿交替所致，实际腐蚀情况比较轻微，腐蚀速度约为0.1毫米/年。另外，还因大量污泥腐蚀产物以及对现场情况产生误解而引发了一些问题。后来，明确了这种污泥实际上是由于原油中含有的硫化氢析出固态硫而产生。

另一方面，底部发生的腐蚀，如以最大的4毫米/年速度发生的局部腐蚀，以及近年来出现的双室（DH）化等也成为显著问题。原油油槽（COT）底部形成了较厚的油覆盖层，这种被油覆盖的钢材不易发生腐蚀。然而，由于原油油轮定期采用

COT内部的高压原油清洗，从而损伤了

油覆盖层。特别是，由于在COT底部，DH底板部因直接被高压原油冲刷而产生的损伤部位较多，可以预见，会有明显的腐蚀发生。另外，COT内的原油中，由于油井中存在的高浓度岩盐和溶解的地下水混合在一起，这些岩盐在原油输送过程中析出后滞留在底部，成为底板部腐蚀的主要原因。

以上述研究为基础，在各钢厂形成了对耐腐蚀成分的多种探讨结果，从而拓展了原油储罐用耐腐蚀钢的品种。这种耐腐蚀钢在实际船舶上的使用结果也已公开。适用于30万吨级VLCC的COT底板全体，在全部的15个储罐内部及6个储罐中被无涂装使用。航行2～3年后发现，与传统钢材中需要修补较多的4毫米～10毫米深的局部腐蚀坑相比，本次使用的耐腐蚀钢中没有明显需要修补的局部腐蚀部分。根据其他相关研究，可以推定，在整个船龄寿命期间，无须进行钢

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