极地低温环境对船体钢板的影响分析

极地低温环境对船体钢板的影响分析

许杨溢、杨柏龄、朱万武、屈友平

广船国际有限公司  广州  510250

上海宝地不动产资产管理有限公司 上海  200122

摘  要：主要研究极地低温环境对船体钢板的影响，明确极地航行船舶船体钢板需要满足的基本材料性能，以满足安全和经济的设计目标。

关键词：极地、船舶、低温、船体、钢板

0  前言

极地地区包括南极和北极，常年冰雪覆盖受，气候环境恶劣，在过去联系亚洲、欧洲和北美大陆的捷径只有飞越北冰洋的航空线。但随着温室效应全球气候变暖的影响，极地冰层正在逐年减少，使得北极的“西北航道”成为了可能，该航道的开通将比传统的亚欧和亚美航线缩短40%的航程。随着极地科学考察和探险旅游的兴起，越来越多的船舶将航行于极地水域。由于极地低温环境经常达到-40℃以下，对船体结构钢板、型材、铸件以及户外的设备材料等造成极大的影响。极地的温环境下，船体钢板的力学性能较常温时下降明显，强度、硬度、抗冲击能力都发生变化，船体外板在船舶航行的时候需要承受海冰的巨大冲击载荷，必须确保在实际可能的低温环境下钢板的相关力学性能。

本文结合极地船的各种规范、规则、经验公式和相关资料，对不同钢材等级在低温环境下的冲击韧性等性能进行研究，协调船级社规范的相关要求，以确定合适的材料选择。针对目标船的作业特点，分析影响目标船的温度及重要性等要素，包括钢材的物理属性、作用载荷的特点等，进而研究确定合适的材料选择方法。

1  低温钢简介

分析表明，金属或合金在低于某个临界温度的条件下，韧性急剧降低、材质变脆。低温钢的技术要求一般是：在低温下具有足够的强度和充分的韧性，具有良好的工艺性能、加工性能和耐腐蚀性等。其中低温韧性，即在低温下防止脆性破坏发生和扩展的能力是最重要的因素。所以各国通常都对低温钢限定在最低使用温度下有一定的冲击韧性值，以保证低温钢材在使用中的安全性。

在低温钢成分中，一般认为碳、硅、磷、硫、氮等元素使低温韧性恶化，其中磷的危害最大，所以在冶炼中应早期低温脱磷。锰、镍等元素能使低温韧性提高。每增加质量分数1％的镍，脆性临界转变温度约可降低20℃左右。

低温钢一般在碱性电炉中进行冶炼。出钢温度和浇铸温度均不宜过高，过高的出钢温度会使钢水中气体增多；过高的浇铸温度导致晶粒粗大，因而降低低温韧性。热处理加工工艺对低温钢的金相组织和晶粒度有决定性的影响，从而也影响钢的低温韧性。经过调质处理后的低温韧性有明显的提高。

2  规范对各材质化学成份和力学性能的规定

各船级社规范对材质化学成份和力学性能的规定稍有差别，由于地域优势，挪威和俄罗斯船级社对低温船舶的研究较早、较成熟。极地航行船舶的设计多直接采用挪威及俄罗斯规范中对材料的要求,这些要求是业界长期冰区航行经验积累的经验总结，体现了一种相对安全的材料选择概念。

   通过比对挪威船级社规范中普通钢、高强钢、低温钢的化学成份和力学性能，发现低温钢的化学成分C Si S P的含量较普通钢低，与高强钢持平或较低；Mn N的含量比常规高，Cr Cu Ni Mo含量最大值与常规高强钢最大值一致；抗拉强度低温钢较之常规钢低，伸长率较之高。

通过比对俄罗斯船级社规范中普通钢、高强钢、低温钢的化学成份和力学性能，发现低温钢的化学成分C S P的含量较普通钢低，与高强钢持平或较低；Mn Ni N的含量比常规高，Si Cr Cu Mo含量有最大值与常规高强钢最大值一致；钢材使用温度越低，钢材的韧性要求越高，各项指标平衡的主要目的是增加低温韧性。

3  规范对不同位置的不同板厚的钢材材质的规定

航行于极地的船舶选用钢材与常规船相比，规范上有一个船体分区概念，此区域为与冰载荷相接触的外板区域，该区域板结构系指与船体相连且承受冰载荷作用的加筋板单元。基于挪威船级社规范，对相同板厚的冰区船和常规船进行比对，比对结果见表1。

表1材料等级Ⅳ比对

基于相同板厚比对可以看出，冰区船材料冲击韧性（夏比V型缺口实验）等于或高于常规船要求。

由上可知随着板厚的增加和钢板所在位置的等级增加，对钢板材质的要求越严格。根据中剖面图可知暴露于空气中的主甲板、外板，以及冰区范围内的外板均需采用E级的钢材。

俄罗斯冰区对钢板的材质等级的选取流程见图1，冰区材质普通钢最低是B级，高强钢最低AH。

图1 俄罗斯冰区对钢板的材质等级的选取流程

4  应对低温对钢材的影响，船厂的应对措施

根据以上对板厚范围内材质的选择，以及低温环境的要求，主船体对暴露于空气中的甲板、外板以及下冰线以下一定范围内的外板材质均需设置为EH36，由于船厂之前用到的EH36钢材比较少，未采用高效率的焊接方式进行焊接。本船E级钢占钢板总量的40%，为提高该船的建造效率，需在焊接接头满足船级社规范要求（特别是对低温冲击韧性的要求）下，进行常规的大线能量的焊接，如FCB、EGW等。为此需对钢板性能、焊材性能、工艺优化、生产过程控制等方面进行研究及制定相关措施。

参考文献

[1]RULES FOR CLASSIFICATION OF SHIPS，挪威船级社

[2] RULES FORTHECLASSIFICATION ANDCONSTRUCTION OFSEA-GOINGSHIPS，俄罗斯船级社

附注：作者简介

许杨溢-1979年、女、高级工程师、船舶设计

杨柏龄-1980年、男、一级建造师、项目管理

朱万武-1980年、男、正高级工程师、船舶设计

屈友平-1981年、男、高级工程师、船舶设计