高性能钢材在造船工程实践应用中的广泛应用前景

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近年来，高性能钢在造船工程的实际应用中得到了很大的发展。 钢材的强度、耐蚀性、焊接性、韧性、抗疲劳性能等都有了长足的进步。 在高科技船舶和海洋工程领域具有广阔的应用前景。 其中，主要钢种包括以下几种：

耐腐蚀钢。 油轮货舱耐腐蚀板用钢量约占油轮用钢总量的40%~45%。 以一艘30万吨级超大型原油运输船（VLCC）的建造为例，船体结构总用钢量近4万吨，其中货油舱用钢量约1.7万吨，占整个船体结构用钢总量的42%。

银瓦钢。 因瓦合金（又名因瓦合金）是一种镍铁合金。 其成分为36%镍、63.8%铁和0.2%碳。 它具有极低的热膨胀系数，可以在很宽的温度范围内保持其温度。 固定长度。 Elinvar 是一种镍铁铬合金，由 33% 至 35% 镍、53% 至 61% 铁、4% 至 5% 铬、1% 至 3% 钨和 0.5% 锰组成。 2%、硅0.5%~2%、碳0.5%~2%，其热弹性系数在很宽的温度范围内实际上为零（即杨氏模量保持不变），热膨胀系数也很低。 它是法国物理学家CE Guialme于1896年发现的一种奇妙的合金。这种合金的热膨胀系数在磁性温度即居里点附近显着降低，出现所谓的异常热膨胀现象，从而使其可在接近室温的宽温度范围内使用。 ，具有很小甚至接近于零的膨胀系数，并且具有面心立方结构。 其牌号为4J36。 这种钢种也称为非膨胀钢。 它是一种含镍36%的合金钢。 它具有较低的热膨胀系数。 当温度变化时，因瓦钢几乎不变形，能适应常温至-163℃的温度变化。 LNG（液化天然气）船货舱围护系统多采用殷钢，厚度为0.5mm、0.7mm、1.0mm、3.0mm，也有部分采用0.8mm殷钢。 第一次听到“银瓦材料”、“银瓦钢铁”这些名词，是在央视新闻联播中，介绍我国上海沪东造船厂已能够成功制造14.7万立方米LNG罐车。 据了解，“银瓦钢”“银瓦钢”的焊接是LNG罐船制造的五项关键技术之一，而“银瓦钢”是一种特殊的不锈钢材料，厚度仅为0。7毫米，都需要被进口。 这就是你所知道的一切！ 因瓦合金（又名因瓦合金）是一种镍铁合金，成分为36%镍、63.8%铁、0.2%碳。 它具有极低的热膨胀系数，可以在很宽的温度范围内保持其温度。 固定长度。 Elinvar 是一种镍铁铬合金，由 33% 至 35% 镍、53% 至 61% 铁、4% 至 5% 铬、1% 至 3% 钨和 0.5% 锰组成。 2%、硅0.5%~2%、碳0.5%~2%，其热弹性系数在很宽的温度范围内实际上为零（即杨氏模量保持不变），热膨胀系数也很低。 在研究铁镍合金的过程中，纪尧姆偶然发现它们的热膨胀系数极低，于是他开始研究整个合金系列，导致发现了Invar、Alinvar等有用的合金。 因瓦合金的实用性很快就得到了认可，并被用于快速测量测地线基线。 这种合金还广泛用于精密仪器，例如恒温器和天文钟的摆锤。 Guillaume 还使用 Alinva 合金游丝制造出完全补偿的摆锤，在高端手表和精密钟表中不会出现二次误差。

EH47高强度钢。 该钢种屈服强度为47kgf/mm2，主要用于超大型集装箱船舱口围板等部位。 目前正在开发的13000TEU/14000TEU集装箱船舱口围板厚度达到70mm以上，EH47用钢量约为1800吨/船。 随着集装箱船向大型化发展，这种高强钢的应用领域将越来越广泛，需求量将大幅增加。 为了控制船舶的轻量化，日本、韩国等地的造船企业也在一些较小的集装箱船上尝试使用EH47高强度钢板。 目前国内无法生产该种钢材，有条件的钢厂可以考虑开发该品种。 为加快新产品EH47钢板的研发和生产，近日，重庆钢铁股份有限公司钢研所金相室抽调技术骨干，集中精力进行前期数据收集等工作。工作，初步完成了EH47钢板的分析工作。 信息分析工作。 经过早期酸洗和低倍分析，钢板整体质量良好，未发现明显的偏析、裂纹、疏松、夹杂等缺陷。 对应钢板的化学成分，技术人员进行了显微金相分析，结果显示该钢板为贝氏体钢。 据了解，2010年重钢船板产量达到170万吨，同比增长约80%。 2011年初，重庆钢铁新区正火船板钢物理质量获得中国CCS、挪威DNV、德国GL、日本NK、意大利RINA船级社认证。 本次认证申请的钢级为普通级船用钢（A、B、D、E）和高强度级船用钢（AH32、DH32、EH32、AH36、DH36、EH36）等10个钢级，并涵盖以上Z25、Z35等高附加值Z向钢板所有钢种厚度规格不大于50mm，以正火状态交货。 据媒体报道，浦项制铁最近开发了超大型集装箱船用超厚高强度中厚板EH47，抗拉强度达到460MPa，高于EH36（355MPa）和EH45（390MPa）分别。 30%和17.5%。 EH47通过了-40摄氏度夏比冲击试验，并获得德国劳埃德船级社、美国船级社ABS和韩国船级社KR的认证。 POSCO表示，EH47的63毫米厚钢板可以替代传统的75毫米厚钢板用于上甲板，74毫米厚钢板可以替代传统80毫米厚钢板用于舱口围板。 钢板厚度的减少可以降低船舶的焊接和原材料成本以及燃料消耗，提高生产效率。

双相不锈钢。 这种钢具有极高的强度。 与铁素体相比，具有较高的塑性和韧性，无室温脆性，耐晶间腐蚀性能和焊接性能显着提高。 它还保持了铁素体不锈钢的475℃脆性。 它还具有高导热率和超塑性的特点； 与奥氏体不锈钢相比，强度更高，耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀能力显着提高。 双相不锈钢也是一种节镍不锈钢，用钢量约为2000吨/船。 目前，我国能够生产这种钢材的厂家还比较少。

双相不锈钢（DSS）是指铁素体和奥氏体各占50%左右的不锈钢。 一般情况下，较小相的含量至少需要达到30%。

双相不锈钢自20世纪40年代在美国诞生以来，已发展到第三代。 其主要特点是屈服强度可达400-550MPa，是普通不锈钢的两倍，因此可以节省材料，降低设备制造成本。 在耐腐蚀性方面，特别是在恶劣介质环境（如海水、氯离子含量高）下，双相不锈钢的耐点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀和腐蚀疲劳性能明显优于普通奥氏体。 不锈钢，与高合金奥氏体不锈钢相当。 双相不锈钢具有良好的焊接性能。 与铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢相比，没有铁素体不锈钢的焊接热影响区，因晶粒严重粗化而使塑性和韧性大大降低。 与奥氏体不锈钢不同，它对焊接热裂纹更敏感。

双相不锈钢由于其特殊的优点，广泛应用于石油化工设备、海水及废水处理设备、油气管道、造纸机械等工业领域。 近年来在桥梁承重结构领域也得到了研究，并具有良好的性能。 前景。

机架构件钢。 此类钢材主要用于风车安装船等海上产品起重系统的机架组件。 牌号为ASTMA517GRQ（S690、EQ690）。 屈服强度为690MPa，要求-40℃低温冲击性能。

随着船舶工业的不断发展，船舶工业所用材料的种类和数量不断增加。 例如，建造一艘16000吨多用途集装箱船，单个船体需要4600吨钢材。 2005年，我国造船能力为1200万载重吨，消耗钢材超过400万吨。 由此可见材料对于船舶工业发展的重要性。 。 这只是数量，里面的科技含量并不低。

造船材料分为金属材料和非金属材料两大类。 现代船舶船体结构制造所用材料主要有普通强度船体结构钢、高强度船体结构钢、奥氏体不锈钢和双相不锈钢、复合钢板、Z向钢、铝合金、增强塑料等。根据CCS 1998年《材料与焊接》规范及2002年、2004年规范修改通知要求，所有金属材料必须根据力学性能（强度、塑性、硬度、蠕变）、工艺性能（弯曲、焊接性） 、化学成分、脱氧方法、交货状态（热处理）等方面均符合规范要求。

第 1 节 船体结构金属材料基本要求

由于船舶工况的特殊性和复杂性，对制造船体结构的金属材料提出了更高的要求，一般包括以下几个方面：

1、机械性能好

1.强度

强度——金属材料在外力作用下抵抗断裂和变形的能力。

2、可塑性

塑性——金属材料在外力作用下发生塑性变形而不损坏的能力。

3.冲击韧性

冲击韧性——金属材料抵抗冲击载荷和脆性破坏的能力。

4.疲劳强度

疲劳强度——金属材料抵抗重复外力的能力，即承受无限循环的交变载荷而不造成损坏的能力，用бN表示。

5.硬度

硬度——金属材料抵抗比自身更硬的物体压入表面的能力。

2、优良的工艺性能

所谓工艺性能是指材料对各种加工方法的适应性。 现代造船中，最常用的金属材料加工方法是焊接和弯曲。 因此，作为船体结构材料，必须具有良好的焊接性和优良的承受弯曲加工的能力。

3、耐腐蚀性能好

船体结构所用的金属材料在海水中具有较高的耐腐蚀性。 但目前的普通强度船体结构钢和高强度船体结构钢还不能完全满足要求。 在海水中腐蚀比较严重。 据统计，碳素普通钢为0.1毫米/年，含镍合金钢为0.08毫米/年。 因此，船舶设计时必须增加腐蚀余量，增加了船体重量和材料消耗。

从耐腐蚀性的角度来看，奥氏体不锈钢和双相不锈钢是理想的造船材料。

4. 必须在经济上可行

造船材料需要成本低、品种多、质量好、保证大批量供应。 为了满足这些要求，我们必须立足中国。 国产材料应具有良好的供给经济性。 例如，船板厚度可升级至0.5毫米，角钢可不等边、不等厚。 只有这样，才能保证充足的货源，满足我国船舶工业的需求。

5、测试性能好

船体结构所使用的金属材料只有经过严格、全面的性能测试，才能保证船舶的建造质量和航行安全。 其试验项目包括：拉伸试验、冲击试验、冷弯试验、脱氧、晶粒度、化学成分检查、焊接认可试验等。这些试验项目的试验条件、方法、内容和目的应按CCS的规定执行。 1998年《材料与焊接》法规及2002年和2004年法规修改通知要求。

第二节 一般强度船体结构用钢

内河和近海船舶（化学品船除外）船体结构用钢应采用一般强度船体结构钢。 根据《钢质内河船舶入级与建造规范》（2002），一般强度船体结构用钢分为A、B、D、E四个等级。

A级钢——要求+20oC冲击测试性能；

B级钢——要求0℃冲击试验性能；

D级钢——要求-20°C下的冲击试验性能；

E 级钢 - 要求在 -40°C 下具有冲击测试性能。

1、脱氧及化学成分要求

船体结构用钢桶样的脱氧方法和化学成分应符合有关规定。

2、热处理要求

钢材交货状态应符合相关要求。

3、力学性能要求

船体结构用普通强度钢的力学性能应符合有关规定。

第三节 高强度船体结构用钢

高强度船体结构钢是普通低合金高强度结构钢中的重要钢种。 随着船舶吨位的不断增加，对高强度船体钢的使用提出了要求。 虽然世界范围内民用船舶上高强度钢的使用始于19世纪，但直到20世纪60年代才真正得到应用。

我国国产船舶中，江南造船厂制造的万吨级船舶“东风”号上已大量使用高强钢。 1998年，我国CCS规范对高强度船体结构用钢类型进行了分类。 高强度船体结构钢按其最小屈服点应力分为强度等级，每个强度等级按其冲击韧性又分为A、D、E、F四个等级。 本规范适用于厚度不超过100mm的A32、D32、E32、A36、D36、E36级钢板及宽扁钢以及厚度不超过100mm的A40、D40、E40、F32、F36、F40级钢板及宽扁钢。不超过50毫米。 钢; 本规范也适用于厚度不大于50毫米的上述级别的型钢和棒材。

1、船体结构用高强度钢的特点

1、良好的机械性能和工艺性能

⑴高强度普通强度船体结构钢的屈服强度为бs=235 N/mm2，而高强度船体结构钢的屈服强度在315 N/mm2以上；

⑵良好的韧性和塑性。 为了防止低温下的断裂事故和脆性断裂，高强度船体结构钢具有良好的延伸率（δ>20%），并且在-40℃时的韧性（aK）也不低。 在常温50%时可冷弯，可用于严寒地区的工程结构；

⑶ 良好的工艺性能：作为船体结构用钢，具有优良的加工性能和焊接性能；

2.良好的化学性能

⑴低碳 为了保证有较好的韧性、焊接性能和塑性，该类钢的含碳量大多在0.20%以下。

⑵ 低合金以锰为主要合金元素。 Mn能延迟奥氏体冷却过程中铁素体的析出，有效强化铁素体固溶体，细化晶粒。 当锰含量不超过1.8%时，在低碳条件下仍能保持较高的塑性和韧性。

铌或钒是辅助合金元素，铌或钒能生成碳化物或碳氮化物。 一方面阻止热轧时奥氏体晶粒的长大，另一方面在冷却过程中碳氮化物析出，进一步提高钢的强度。 为了提高耐腐蚀性，还添加适量的铜（0.71~0.5%）和磷（0.05~0.10%）。 此类钢具有优良的耐腐蚀性能。

3、良好的热处理性能

此类钢材多为热轧和正火（或退火），以各种规格的型材或板材供应。 各种工程结构和零件都是通过冲压和焊接制造的，一般不进行热处理。

第四节 奥氏体不锈钢和双相不锈钢

能抵抗大气腐蚀的钢称为不锈钢。 不锈钢通常包括耐酸钢和耐热钢。 耐酸钢可以抵抗某些酸性介质的腐蚀，耐热钢在高温下具有良好的抗氧化性和高温强度。 由于耐酸钢和耐热钢可以同时耐大气腐蚀，因此习惯上也将其包含在不锈钢中。 一般来说，不锈钢不一定耐酸，而耐酸钢往往具有耐大气腐蚀的能力。 然而，耐酸钢并非无条件地始终不锈。 例如铬镍耐酸钢在硝酸和有机酸中具有较好的耐蚀性，但在盐酸和硫酸中容易腐蚀。 又如，含铬13%的不锈钢在常温下能抵抗硝酸的腐蚀，但如果将硝酸加热至沸腾，钢就不再耐腐蚀。 因此，除钢的化学成分外，介质的种类、浓度、温度和压力对不锈钢的耐腐蚀性能也有很大的影响。 按化学成分不同：不锈钢可分为铬不锈钢和铬镍不锈钢两大类。 根据显微组织不同：不锈钢分为奥氏体、铁素体、马氏体、奥氏体-铁素体和沉淀硬化五类。 不锈钢中，奥氏体不锈钢（部件使用温度不低于-165℃）和奥氏体-铁素体不锈钢（双相不锈钢，部件使用温度在0℃至300℃之间）比其他不锈钢具有更好的耐腐蚀性。 具有良好的性能、耐热性和塑性，焊接性良好。 它是用于化学品船和液化气船的货舱以及用于石油、天然气和水处理的压力容器或其他部件的材料。 船用不锈钢的显着特点是超低碳。

CCS 1998年《材料与焊接》规范及2002年和2004年规范修订通知对奥氏体不锈钢和双相不锈钢的化学成分、力学性能和热处理进行了规定。

第五节 其他船体结构用钢材

1、复合钢扳手

1、复合钢板是指由基材和薄层（覆层金属）单面或双面整体结合而成的板材。 适用于化学品运输船的集装箱和货舱。

(1)基材

1) 任何适合轧制或爆炸复合方法组合的碳钢或碳锰钢均可作为基材。 如果板材拟用作船体结构的一部分（如液货舱）或用作压力容器，则其基材应符合CCS 1998《材料与焊接规范》的要求。

2）制造商应提供基材的化学成分、力学性能等信息。

(2)熔覆金属

1) 任何适合预期用途的材料均可用作熔覆金属，如奥氏体不锈钢、铬钢、铝合金或铜镍合金等。

2）制造商应提供材料合格证明，并保证堆焊金属的化学成分符合相关规定。 如果验船师有任何疑问，他或她可以要求重新检验化学成分。

3) 无论何种类型的复合钢板，其复合金属的厚度均应经CCS认可。

2.热处理

板材应以最适合复合板材两种材料的热处理状态交货。 热处理工艺应经本社批准。

3. 粘合

(1)母材与熔覆金属应充分结合。 除非另有约定，粘合面积比例应至少为 95%。 如果在后续焊接过程中发现复合钢板在焊接接头处未结合，应采用 CCS 认可的方法进行结合。

(2)熔覆金属与母材的结合质量应采用超声波检测来检查。 厚度不小于10mm的板材必须一张一张地检验。 小于10mm的板厚必须由验船师确定。 所有距周边边缘宽度不小于50mm的区域均应100%检验，中间区域应沿方环线连续检验，间隔200mm。允许的单个未粘合区域不应

超过50mm2，各个未粘合区域之间的距离不应小于500mm。

(3)熔覆金属与母材的结合强度可以通过剪切试验来确定。

4、机械性能测试

机械性能测试包括拉伸、弯曲、剪切和冲击测试。 试样和试验方法以及各种试验测得的强度数据应符合CCS规范。

2、Z向钢

1、Z向钢是在一定牌号的结构钢（称为母材）的基础上，经过特殊冶炼、镇静和适当热处理的钢材。 因承受厚度方向拉伸载荷而对厚度方向有性能要求的厚度不小于15mm的钢材及扁材（简称Z向钢材）。 Z向钢除符合本规定外，还应符合其母材的所有要求。

2. 马克

Z向钢材的标记是在母材标记后添加Z向钢材的牌号。 Z向钢分为三个牌号：Z15、Z25、Z35。 Z后面的数字是面积收缩率ψz的指标。 例如，标记E-Z35表示母材为船体结构钢E级z向钢材，其厚度方向截面收缩率ψz不小于35%。

3.Z向性能

Z向钢的化学成分除符合母级钢的要求外，其硫含量不应超过0.010%。 必要时验船师可要求对硫含量进行一一检验。

结束

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