TMCP 技术：船用钢板高性能化的关键

1. 简介

TMCP技术的不断发展和合金设计技术的进步推动了船用钢板的高性能化。TMCP是将控轧控冷相结合的生产工艺，可生产出力学性能优良的钢板。图1是采用控轧控冷控制钢材组织的示意图。

控制轧制是将轧制材料在奥氏体再结晶区（γ）进行轧制，细化奥氏体等轴晶粒，然后在奥氏体未再结晶区继续轧制，在奥氏体中引入变形带，成为铁素体（α）的形核点，细化铁素体。在控制轧制的基础上，结合快速冷却，对奥氏体进行过冷，可以灵活地获得更细小的铁素体组织和贝氏体、马氏体等高强度组织的混合组织。此方法可用于开发具有附加高功能的高强度高韧性钢。

在同等强度下，与传统正火工艺相比，TMCP钢合金元素含量较少，因此TMCP钢可省略焊前预热或降低预热温度，因此TMCP钢的使用量迅速增加。20世纪80年代，利用TMCP工艺的高强度高韧性(HT)钢的开发应用取得了很大进展，大型油船(O/T)和散货船(B/C)的HT率变化如图2所示。20世纪70年代使用传统的YP315钢，当时的O/T和B/C的HT率仅为20%。TMCP型YP315和YP355钢的实际应用，以及80年代末YP390钢的开发成功，O/T和B/C的HT率均达到70%。 20世纪90年代以后，提高造船效率、降低船舶全寿命成本（LCC）的要求不断提高，在此形势下，推动了满足这些要求的HT钢的开发。2000年初以来，大型集装箱运输船的出现，推动了厚规格钢的应用。由于船体轻量化的要求，开发了YP460钢。

以船舶用HT钢的开发为例，简单介绍为提高造船效率，降低LCC，满足船舶大型化的要求，船舶用厚钢板的开发情况。

2.厚钢板提高造船效率

2.1 高强度大热输入焊接钢

利用船体部件大型化的优势，船厂焊接实现了高效率。例如，过去船体外板立焊采用双面埋弧焊（SAW）单面埋弧焊、多层包覆等焊接方法，而现在已采用电渣焊（EGW）实现。这种高能量线焊接方法的采用大大提高了造船效率。然而，热影响区（HAZ）组织变得更粗大，导致焊接接头韧性下降。

大热输入焊接热影响区韧性的主要控制因素是钢的化学成分。低碳当量（Ceq）的TMCP钢对提高热影响区韧性起着很大的作用。为满足高强度、厚板化的需求，除了低Ceq外，精确控制夹杂物和析出物以抑制奥氏体晶粒长大、在奥氏体中引入有效的α相变形核点等热影响区组织细化技术也在不断推进。

抑制奥氏体晶粒长大的钉扎粒子包括Ti的氮化物、REM的氧化物以及Mg、Ca的氧硫化物等。开发出分散这些钉扎粒子的技术，可以使制造出的钢在高温下保持较长时间，而奥氏体晶粒几乎不长大，热影响区粗晶区宽度比传统钢小得多（图3）。

粗大奥氏体晶粒形成后，如果在随后的冷却过程中，在奥氏体中生成细小的相变核心，则可以细化有效的组织单元，还可以避免因奥氏体晶粒粗化而引起的韧性下降。为此，人们研究了利用弥散质点作为相变核心，促进晶内铁素体形成的技术。有研究报道，作为铁素体有效形核点的质点有Ti的氮化物、REM的氧化物、B的氮化物、Ca的氧硫化物、Ti的氧化物等。

利用上述技术开发的高能线焊接钢，大大提高了焊接效率。

2.2 变截面钢板

散货船舱壁所受应力由上而下增大，因此船底舱壁厚度大于上甲板舱壁厚度。以往舱壁制造方法是将不同厚度的钢板焊接在一起，制成具有不同板厚的舱壁构件。如果一块钢板具有不同的厚度，则可以没有焊缝，从而节省大量的制造工时。变截面钢板就是为了满足这种需求而开发的钢板。变截面钢板在轧制过程中，辊筒之间的间隙不断变化，因此生产效率高，可以轧制出许多不同形状和厚度的变截面钢板。图4是变截面钢板的应用实例。最近，不仅可以制造厚度沿单一方向变化的变截面钢板，还可以制造中间厚、两端薄的凸形钢板。变截面钢板已在上甲板和船底板的实例中使用。另外，在一张钢板上可以制造出三种厚度变化的变截面钢板，扩大了变截面钢板的应用范围，对提高施工效率有很大作用。

3. 降低生命周期成本的高强度厚钢板

3.1耐腐蚀厚钢板

油轮事故等船舶事故常常给海洋造成严重污染，人们研究了许多技术措施。大部分船舶损坏都是由腐蚀引起的，因此提高船舶用钢的耐腐蚀性能是保证船舶安全和环境保护的重要手段。耐腐蚀钢是在低合金钢中添加微量耐腐蚀元素。目前已开发出油轮、压载舱用耐腐蚀钢。

油船油罐上甲板（COT）内部与油罐底板的腐蚀环境和腐蚀条件有很大差异（图5）。油罐上甲板内部的空间内充满防爆惰性气体，其中混合有原油产生的H2S，形成特殊的腐蚀环境。油罐底板上是由原油和油泥构成的高度绝缘的油膜，但底板上有一层厚达数厘米的凝结水层，其中含有从原油中分离出来的高浓度氯离子，这些氯离子大大降低了油膜的绝缘性，使油膜产生缺陷。油膜缺陷部位的底板与无缺陷的底板形成电池，导致底板发生点蚀。在钢中添加微量耐蚀元素，开发出能耐油罐上甲板内部腐蚀环境和油罐底板腐蚀环境的耐蚀钢。油罐上层耐蚀钢的耐蚀性能是传统钢材的2倍，油罐底板耐蚀钢的点蚀深度减少30-50%，腐蚀速度降低为传统钢材的1/5，目前正在大力推广这类耐蚀钢的实际应用。

压载舱是装满海水的舱室，用于保证空载船舶的安全。压载舱上部涂有厚重的防腐油漆，以抵抗海水腐蚀。压载舱上甲板处于太阳热和海水喷溅的恶劣腐蚀环境中，油漆变质区域腐蚀十分严重。压载舱采用耐腐蚀钢材，利用腐蚀产物的保护作用，降低钢材腐蚀程度，延长油漆寿命（图6）。压载舱采用耐腐蚀钢材，使油漆寿命由15年延长到25年。在提高船舶安全性的同时，还节省了巨额的重新涂漆修理费用。

3.2 抗疲劳钢

船体结构受到波浪反复作用的应力，在形状不连续处、焊缝边界等应力集中处会产生疲劳裂纹。疲劳裂纹扩展最终导致裂纹穿透，造成船体断裂，发生重大事故。厚钢板的疲劳极限随疲劳应力模式的不同而变化，但当钢板的抗拉强度低于1000MPa时，钢板的疲劳强度随钢板强度的提高而提高。但焊接接头的疲劳强度低于母材，母材的高强度并不能提高焊接接头的疲劳强度。为此，开发了能够降低疲劳裂纹扩展速率的抗疲劳钢。

过去认为疲劳裂纹扩展速度对钢种及钢的组织不敏感，难以延缓疲劳裂纹扩展，因此提高抗疲劳性能的措施是改善焊缝边界形状。后来由于钢组织与疲劳裂纹扩展路径关系研究的进展，确定了软质铁素体与硬质珠光体、贝氏体组成的双相钢中的相界面具有延缓和抑制疲劳裂纹扩展的作用。基于此研究结果，通过优化TMCP条件，开发了YP315、YP355级抗疲劳钢并投入实际使用。图7为普通钢与抗疲劳钢疲劳裂纹扩展速度对比，抗疲劳钢疲劳裂纹扩展速度约为普通钢的1/2。抗疲劳钢适用于散货船舱口角等疲劳易损伤部位。

4.大型船体用高强度厚板

4.1 集装箱船用YP460钢

为了提高集装箱船的装卸效率，集装箱船上甲板为大开口结构，航行时产生的弯矩对船舶上弦杆的左舷围板和加强甲板产生很大的应力。为提高船体刚性，上述部位均采用厚的高强度钢板。近年来，随着海上运输的活跃，集装箱船向大型化方向发展，所用YP390钢板厚度已超过80mm（图8），船体重量的增加导致焊接效率的下降。为实现船体轻量化，提高焊接效率，开发了船舶用YP490钢（图9）。YP490是日本最早开发的一种钢材。YP490钢板是充分利用TMCP技术，提高焊接性能的低Pcm高强度高韧性钢板。 YP460的使用及提高大热输入焊接热影响区韧性的技术提高了造船效率和船舶安全性。

4.2 高止裂钢

集装箱船的大型化，推动了高强度、特厚钢板在集装箱船上的应用。由此，厚钢板对脆性裂纹扩展（裂纹止裂）能力受到人们的重视。研究证实，对于厚度小于40mm的钢板，在焊接区产生的脆性裂纹在焊接残余应力的作用下，向母材侧面扩展并停止在母材上。但有研究报告指出，对于厚度大于50mm的特厚钢板，焊接脆性裂纹不会向母材侧面扩展，而是在焊接熔合线内扩展。这意味着，当使用特厚钢板时，一旦产生脆性裂纹，最坏的情况就是船体断裂沉没。日本海洋协会和国内船舶公司、钢铁公司及有关单位组成的研究机构对高强度特厚钢板的裂纹止裂进行了研究。研究结果表明，特厚钢板要具有裂纹止裂性能，钢板的脆性裂纹扩展停止韧性（Kca）应大于6000N/mm2/3，并发布了脆性断裂裂纹止裂设计指南。同时开展了高裂纹止裂性能特厚钢板的开发。高裂纹止裂特厚钢板轧制过程中，严格控制钢板内部温度，细化钢板组织，优化轧制织构组织和相变织构组织，成功生产出YP460及以下高裂纹止裂钢板。高止裂钢板与传统钢板的Kca值对比如图10所示。高止裂钢板的高韧性及纹理组织的优化控制，使得特厚钢板具有优异的止裂性能。

原文刊于冶金信息网