本文以造船用高韧性钢开发为例，对提高造船效率、降低生命周期成本和应对船舶大型化要求的船用厚钢板开发情况进行了介绍。低碳当量的TMCP钢对提高焊接热影响区韧性有很大作用；变截面钢板使一张钢板具有不同厚度，因此可以没有焊接接头，从而节省大量的制造工时；通过复合添加微量耐蚀性元素，开发出油轮货油舱和压仓水罐用耐蚀钢，大大减小点腐蚀深度和腐蚀速度；通过TMCP工艺的优化，开发出YP315、YP355级耐疲劳钢并实现了实用化；为了实现船体轻量化，提高焊接效率，充分利用TMCP技术开发出船用高强度、高韧性YP460钢，提高了焊接性，并具有低P_cm。更重要的是，YP460钢还具有高止裂性。

   1前言

   TMCP技术的不断发展和合金设计技术的进步促进了船用钢板的高性能化。TMCP是将控制轧制和控制冷却结合使用，制造优良力学性能钢板的生产工艺。图1是用控制轧制和控制冷却对钢组织进行控制的示意图。控制轧制在奥氏体（γ）再结晶区对轧材进行轧制，使奥氏体等轴晶粒细化，然后继续在奥氏体未再结晶区进行轧制，在奥氏体内导入变形带，变形带成为铁素体（α）生核地点，使铁素体细晶化。在控制轧制的基础上组合使用快速冷却，奥氏体被过冷，可以灵活获得更微细化的铁素体组织和贝氏体、马氏体等高强度组织的混合组织。利用这种方法可以开发出具有附加高功能的高强度高韧性钢。

   在强度相同的情况下，与传统的正火等工艺相比，TMCP钢的合金元素含量少，所以TMCP钢焊接前可以省略预热或降低预热温度，因此TMCP钢的用量迅速增加。20世纪80年代，利用TMCP工艺开发、应用高强度高韧性（HT）钢的工作有了很大发展，大型油轮（O/T）和散装货轮（B/C）使用钢材的高韧性化率迅速提高。20世纪70年代使用的是传统的YP315钢，当时的O/T、B/C的高韧性化率只有20%。TMCP型YP315、YP355钢的实用化，以及80年代后期的YP390钢的开发成功，O/T、B/C的高韧性化率达到70%。90年代后，提高造船效率和降低船舶生命周期成本（LCC）的要求不断高涨，在这种情况下，推进了应对这些要求的高韧性钢的开发。进入2000年以后，大型集装箱运输船的出现，促进了厚规格钢材的应用。由于船体轻量化的要求，开发出YP460钢。

   本文以造船用高韧性钢开发为例，对提高造船效率、降低生命周期成本和应对船舶大型化要求的船用厚钢板开发情况进行简要介绍。

   2提高造船效率的厚钢板

   2.1高强度大线能量焊接用钢

   以船体部件大型化为契机，造船厂焊接实现了高效率化。例如，过去船体外板立焊使用的是双面埋弧焊（SAW）的单面一道次焊接、多层堆焊等焊接方法，现在实现了电渣焊（EGW）。这种大线能量焊接方法的采用大大提高了造船效率。但是焊接热影响区（HAZ）组织粗大化，导致焊

   接接头韧性下降。

   大线能量焊接HAZ韧性的主要控制因子是钢的化学成分。实现低碳当量（C_eq）的TMCP钢对提高HAZ韧性有很大作用。为了应对更高强度和更厚钢板的需求，除了低C_eq，还推进了利用精确控制夹杂物、析出物抑制奥氏体晶粒长大和在奥氏体内导入铁素体转变有效生核地点等HAZ组织细化技术的开发。

   抑制奥氏体晶粒长大的钉扎粒子有Ti氮化物、REM硫氧化物、Mg/Ca硫氧化物等。开发出使这些钉扎粒子弥散分布的技术。采用这些技术制造的钢长时间处于高温下，奥氏体晶粒几乎不长大，并且HAZ粗晶区宽度大大小于传统钢（图2）。

   当粗大奥氏体晶粒形成后，如果在随后的冷却过程中奥氏体内生成微细的相变核心，使有效组织单元微细化，也可以避免奥氏体晶粒粗化引起的韧性下降。为此，对将弥散粒子作为转变核心、促进晶内铁素体生成的技术进行了研究。有研究报告称，作为铁素体有效生核地点的粒子有Ti氮化物、REM硫氧化物、B氮化物、Ca硫氧化物、Ti氧化物等。

   利用上述技术开发出的大线能量焊接钢，大大提高了焊接效率。

   2.2变截面钢板

   散装货轮的仓隔板承受的应力自上而下越来越大，所以船底部位仓隔板的厚度要大于上甲板部位仓隔板的厚度。过去的仓隔板制造方法是，将厚度不同的钢板焊接起来制作成板厚不同的一个仓隔板部件。如果使一张钢板具有不同厚度，则可以没有焊接接头，从而节省大量的制造工时。变截面钢板就是应对这种需求开发出的钢板。在变截面钢板轧制过程中，轧辊间隙连续变化，所以生产效率高，并且可以轧制出许多形状和厚度差的变截面钢板，图3是变截面钢板的应用示例。近来，不仅可以制造厚度在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。变截面钢板已经有用于上甲板、船底板的实例。此外，还可以制造一张钢板有3个厚度变化的变截面钢板，扩大了变截面钢板的应用范围，对提高建造效率会起到很大作用。

   3加快开发降低生命周期成本的高强度厚钢板

   3.1耐蚀厚钢板

   油轮海难等船舶事故常常对海洋造成严重污染，对此进行许多技术措施的研究。大部分船舶损坏是由腐蚀引起的，所以提高船舶用钢的耐蚀性是保证船舶安全和保护环境的重要手段。耐蚀钢是复合添加微量耐蚀性元素的低合金钢。现在已经开发出油轮用耐蚀钢和压仓水罐用耐蚀钢。

   油轮货油舱（COT）的上甲板里面和货油舱底板的腐蚀环境和腐蚀状况有很大差别（图4）。货油舱上甲板里面的空间内充入防爆炸的惰性气体，这些气体与原油产生的H₂S混合在一起，形成了特殊的腐蚀环境。货油舱底板上是一层由原油和油泥组成的高绝缘性油膜。但在底板上有几厘米厚的冷凝水层，水层中含有原油分离出来的高浓度氯化物离子。这些氯化物离子大大降低了油膜的绝缘性，使油膜产生缺陷。油膜缺陷处的底板和没有缺陷处的底板形成电池，导致底板产生点腐蚀。在钢中添加微量耐蚀性元素，分别开发出耐货油舱上甲板里面腐蚀环境和货油舱底板腐蚀环境的耐蚀钢。货油舱上甲板用腐蚀钢的耐蚀性是传统钢的两倍。货油舱底板用耐蚀钢的点腐蚀深度减小了30%-50%，腐蚀速度减小到传统钢的1/5。目前正在推进这些耐蚀钢的实用化。

   压仓水罐是为保证空载船舶的航行安全，充灌海水的罐

   体。压仓水罐进行重防蚀涂装以耐海水腐蚀。压仓水罐的上甲板处于太阳热量和海水飞沫的苛刻腐蚀环境，涂装劣化部位的腐蚀非常严重。压仓水罐用耐蚀钢，利用腐蚀产物的保护作用降低了钢的腐蚀程度，延长了涂装寿命。压仓水罐用耐蚀钢的采用使涂装寿命由15年延长到25年。在提高船舶安全性的同时，还节约了巨大的再涂装修补费用。

   3.2耐疲劳钢

   船体结构承受波浪的反复应力作用，在形状不连续处和焊缝边界等应力集中部位会产生疲劳裂纹。疲劳裂纹传播，最终导致裂纹贯穿，使船体断裂，发生大型事故。疲劳应力模式不同，厚钢板的疲劳极限也不同，但在钢板抗拉强度小于1000MPa的情况下，钢板的疲劳强度随钢板的强度升高而升高。但是焊接接头的疲劳强度低于母材的疲劳强度，并且母材高强度化，不能提高焊接接头的疲劳强度。原因是焊接处形状成为应力集中区以及焊接残余应力的作用和HAZ成为疲劳裂纹起点等。为此开发出可以降低疲劳裂纹传播速度的耐疲劳钢。

   过去认为疲劳裂纹的传播速度对于钢种和钢的组织具有不敏感性，因此很难延迟疲劳裂纹的传播，因此提高耐疲劳性的措施是改善焊缝边界形状。后来由于对钢组织和疲劳裂纹传播路径关系研究的进步，判明软质铁素体和硬质珠光体、贝氏体构成的双相钢中的各相界面具有延迟和抑制疲劳裂纹传播的作用。在这

   个研究结果的基础上，通过TMCP工艺的优化，开发出YP315、YP355级耐疲劳钢并实现了实用化。图5是传统钢和耐疲劳钢疲劳裂纹传播速度的比较。耐疲劳钢疲劳裂纹传播速度约为传统钢的1/2。耐疲劳钢适用于散装货轮仓口棱角等疲劳损伤多发部位。

   4船体大型化用高强度厚板

   4.1集装箱船用YP460钢

   为提高集装箱船装卸效率，集装箱船上甲板是大开口结构，航行中产生的弯曲力矩对船舶上弦部位的仓口围板和加强甲板产生很大的应力。为提高船体的刚度，上述部位采用了大厚度高强度钢板。近年来，随着海上运输的活跃化，集装箱船不断向大型化方向发展。使用的YP390钢板的厚度已经超过80mm。船体重量增加，导致焊接效率下降。为

   了实现船体轻量化，提高焊接效率，开发出船用YP460钢（图6）。YP460是日本率先开发出的钢材。YP460钢板是充分利用TMCP技术，提高焊接性的低P_cm高强度、高韧性钢板。使用YP460并采用上述的提高大线能量焊接HAZ韧性技术，提高了造船效率和船舶的安全性。

   4.2高止裂性钢

   集装箱船大型化促进了高强度特厚钢板在集装箱船上的应用。于是，厚钢板的抑制脆性裂纹传播性（止裂性）受到人们的关注。研究确认，厚度小于40mm的钢板，焊接区产生的脆性裂纹在焊接残余应力的作用下，向母材一侧传播并停止于母材。但有研究报告指出，对于厚度大于50mm的特厚钢板来说，焊接脆性裂纹不向母材一侧传播，而是在焊接熔合线内传播。这就意味着，使用特厚钢板时，一旦产生脆性裂纹，最坏的情况是船体断裂、沉没。日本海事协会和日本国内造船企业、钢铁企业以及相关单位组成的研究机构开展了关于高强度特厚钢板止裂性的研究。研究结果表明，为使特厚钢板具有止裂性，钢板的脆性裂纹传播停止韧性（K_ca）应大于6000N/mm^1.5，并发布了脆性断裂止裂性设计指南。同时，进行了高止裂性特厚钢板的开发。在高止裂性特厚钢板轧制中，对钢板内部温度进行严格控制，使钢板组织微细化，并且使轧制织构组织和相变织构组织最佳化，成功制造出YP460及以下级别的高止裂性钢板。高止裂性钢板和传统钢板的K_ca值比较如图7。高止裂性钢板的高韧性和织构组织最佳控制，使特厚钢板具有优良的止裂性。（高宏适）