高强度钢在船体结构中的应用窥探

高强度钢在船体结构中的应用窥探

杨公财刘传军

江苏海新船务重工有限公司江苏南通226000

摘要：船体空船重量的控制无论对船舶本身性能、节能减排还是对船厂成本控制都有重要的意义，而高强度钢在船体结构中的应用对减轻空船重量有直接且显著的效果。本文从高强度钢的特性出发，简要介绍了几种高强度钢的类型，并以此为依据，探讨了高强钢在船体结构中的应用，该应用对于提高船舶企业的生产水平意义重大。

关键词：船体结构，高强度钢，应用窥探

1引言

在目前各类节能减排技术尚不充分成熟的情况下，为了提高材料的利用效率，更均衡地分配船体结构上的载荷，平衡成本、重量及公益性要求，充分利用造船材料的性能，提升高强度钢在船体结构中的使用率，成为了最直接有效的途径。依据船体结构受力的基本特点，在远离船体横剖面中和轴的上甲板和船底区域的结构承受的拉压应力最大，一般应用高强钢作为主要连续结构的材料。因此，为了探索高强高韧船用钢板在船舶产品设计生产中的应用方法，提升高强高韧材料的应用规模，提高我国船舶行业的产品竞争力，本文从以下几个方面对提高高强钢在船体结构中比例的方法进行了探讨。

2高强度钢的特性

普通的船体构件材料为低碳钢，其屈服极限为235N/mm2，而高强度钢的屈服极限一般315N/mm2～390N/mm2，甚至更高。与低碳钢相比，它具有强度高的特点。但高强度钢的弹性模数并未提高，而且因含有多种不同元素使其耐腐蚀性较差，导致疲劳强度下降。所以高强度钢的主要弱点就是疲劳强度并没有明显提高。其表现在采用了高强度钢后，即使它的屈服极限有相当大的提高，但构件尺寸的减小、相对的变形增大，在构件的连接处易产生附加载荷，形成应力集中，减少了船的使用寿命。

一般高强度钢主要用于主船体的强力构件上，对大型船舶，如载重量10万吨以上的散货船与油船、1000TEU以上的集装箱船，为了减轻船体结构重量，除了货舱部分的纵向构件采用高强度钢外，某些横向构件(如横舱壁结构、强横梁、肋板等)也会采用。如有些VLCC货油舱区域的纵向及其横向构件全都应用高强度钢，比例高达80%，这样船体重量可以减少18%～20%。

3高强度钢的类型

3.1折叠低合金

低合金中碳马氏体强化型超高强度钢是根据低合金调质钢发展才得以形成和应用。通常情况下，从折叠低合金自身角度来说，其含有的合金元素数量一般不会超出6%，且在折叠低合金中，通常涉及了传统意义上的镍铬钼调质钢，其中含有的碳元素含量为0.45%。而折叠低合金中也包含了大量的铬锰硅镍钢，其含碳量是0.30%。经过真空熔炼，能够有效减少钢中杂质元素含量，并且提升钢自身韧性。因为钢合金元素含量相对较少，投放的成本偏低，生产工艺较为简便，被广泛的应用在船舶结构制造、发动机轴等领域中。

3.2折叠中合金

中合金中碳二次沉淀硬化型超高强度钢则是根据5%Cr型模具形成起来的。因为其在高温的环境下，具备的刚度及韧性相对较高，并且抗热性能相对理想，组织较为稳定，适合应用在船舶制造中。其中最为典型的钢种有H11和H13等。

3.3折叠高合金

高合金中碳Ni-Co型超高强度钢，其则是结合自身韧性及脆性程度，在9%Ni型低温钢逐渐发展的情况下形成。在9%Ni钢中适当的增加钻，能够有效的提升钢的Ms温度，降低钢中残余奥氏体。并且，钻在镍钢中能够发挥固溶强化的效果，通过采用加钻的方式，有效的提升钢的自回火性，利于在回火的过程中形成强化效应。从折叠高合金自身角度来说，自身含有一定的力学特性，并且抗腐蚀能力比较强，操作工艺较为便利，被应用在航空、航天等领域中。

4高强钢在船体结构中的应用

在船体结构中，最大总纵弯曲应力发生于强力甲板和底部的纵向构件，最大的局部应力发生在底部及底部附近的纵横构件中，如果在这些结构中采用高强度钢，其效果应该是最为显著的。

4.1高强度钢在船体外板等处的应用

主要在外板纵骨、内壳、内壳纵骨及纵横槽型壁上大量使用高强度钢。而在靠近船体梁中和轴附近的舷侧结构与纵横舱壁结构中，其总纵应力比较低，则采用高强度钢的意义不大，另外，舷侧外板及纵骨在水线附近将承受波浪交变载荷，较容易产生疲劳裂纹，尤为不宜采用高强度钢。局部应力在船底及底部附近结构、局部结构梁的两端以及甲板强横梁等区域比较大，这些区域也可以用高强度钢。需要特别注意的是如果经过计算，普通钢的净厚度接近最小板厚要求，那么就没有必要再使用高强度钢此外某些区域如货舱底部前体段肋板因应力集中问题，增大普通钢板厚没有明显效果，必须使用高强度钢才能解决。

4.2高强度钢的焊前处理的问题分析

高强度钢预热温度的选择:高强度钢比普通钢更难于焊接，更容易产生脆裂，由于高强度钢允许的变形量小，在生产过程中，大部分的造船作业在室外，受气候的影响较大，焊接往往因为没有预热或预热温度不够，这都会使HAZ的温度过快冷却，从而导致裂纹的产生。因此，在现场高强度钢的焊接作业中，当环境的温度低于50C或在构件存在高的应力时，必须进行预热处理，预热应从焊接件的两侧均匀地施加于板材或构件的整个厚度，其加热宽度约为板厚的4倍，但不超过100mm。预热温度应为150OC左右，加热时应该注意避免局部过热，焊后还要予以保温，来降低冷却速度。

4.3高强度钢的焊后处理的问题分析

焊后变形进行火工矫正温度的选择:纵析、纵骨和肋骨与外板或甲板焊接时，由于焊缝的收缩，焊后会使外板或甲板产生变形，这样既不美观又影响强度。因此，板材必须进行火工矫正，将线型控制在标准范围之内。在操作过程中，由于火工温度控制不当或方法不对，使高强度钢的局部受热不均匀，容易产生微小的裂纹。

5采用高强度钢的注意点

（1）疲劳强度。根据船体结构承受交变载荷作用的情况，在容易产生疲劳裂纹的部位的节点设计及连接形式进行精心设计。结构设计人员应严格按照船级社规范要求，对船体进行疲劳分析，采取优化的节点形式，如在易产生疲劳处的肘板采用软趾形式(SOFTTOE)等等。控制应力量值，提高疲劳强度。

（2）在设计中注意结构连续、对称、结构理论线对齐，否则结构在高应力区域会承受很高的拉压应力。在建造过程中需要提高建造精度控制，因为采用高强度钢，结构厚度会减小，对中工艺更严格结构施焊会产生剩余应力存在潜在破坏性。

（3）船舶建造时，由于装配误差、焊接等原因，船体分段常会产生变形。我公司校正变形的常用方法是火工校正。由于火工校正相当于淬火，很容易引起内应力增加、脆性增大和产生裂纹。船级社和船东对高强度钢采用火工校正变形都很敏感。所以在船厂建造过程中，我们要求尽量避免火工方法校正变形。防止变形的有效措施主要是精度管理及合理的吊装和装焊程序。

6结语

为适应当前严峻的造船形势，响应公司降本增效的要求，高强钢使用比例较以往有较大提升，船体结构重量也有所减轻。对于船体结构，如何在减轻船舶重量和保证船舶使用寿命之间，寻找合理使用高强度钢的平衡点，既充分发挥其屈服强度高的优点，又能尽量克服其抗疲劳能力不足的缺点，还需要我们做进一步深人研究。

参考文献

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