引言

第一代集裝箱船的建造始于20世紀(jì)60年代中期，經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，集裝箱船已經(jīng)從最初的幾百箱發(fā)展到如今的20000標(biāo)準(zhǔn)箱以上的超大型集裝箱船。隨著科技的進(jìn)步，不僅是集裝箱船的載重量的增加，在船體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)建造、控制系統(tǒng)等諸多方面得到了快速的發(fā)展。2006 年馬士基“Emma Maersk”號(hào)集裝箱船的建成及運(yùn)行標(biāo)志著萬箱級(jí)的集裝箱船時(shí)代已經(jīng)到來。

馬士基“Emma Maersk”號(hào)集裝箱船

集裝箱船的快速發(fā)展主要源于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及環(huán)保的需求。經(jīng)濟(jì)的發(fā)展促進(jìn)了全球貿(mào)易，對(duì)集裝箱船的需求也隨之增加。同時(shí)，綠色建造、綠色運(yùn)營的理念在集裝箱船中得到充分體現(xiàn)，由于超大型集裝箱船的燃油效率提升及運(yùn)行成本、建造成本的降低，10000標(biāo)準(zhǔn)箱以上的超大型集裝箱船已經(jīng)成為主流，在2015年已經(jīng)開始了20000標(biāo)準(zhǔn)箱以上的集裝箱船的建造，并且在未來有望向30000標(biāo)準(zhǔn)箱的超級(jí)集裝箱船發(fā)展。

超大型集裝箱的建造及運(yùn)行給市場、建造、環(huán)保、港口建設(shè)等都帶來了巨大的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。其中一個(gè)重要的挑戰(zhàn)就是超大型集裝箱船建造用材料的選擇。由于結(jié)構(gòu)大型化改變了船體結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，導(dǎo)致船體結(jié)構(gòu)中的艙口圍頂板、腹板及上甲板邊板、舷頂列板和某些局部區(qū)域（艙口角隅）處于較高應(yīng)力水平，從而要求船體結(jié)構(gòu)具有較高的強(qiáng)度和剛度。為了解決上述問題，可以通過增加鋼板厚度或采用更高強(qiáng)度鋼板。目前，10000TEU以上的集裝箱船的設(shè)計(jì)和建造普遍采用高強(qiáng)度超厚板，在設(shè)計(jì)和建造上已開始采用屈服強(qiáng)度為40、47公斤級(jí)、最大設(shè)計(jì)厚度達(dá)到80mm以上的高強(qiáng)鋼超厚板。

另一個(gè)壓力來自于船舶的安全性。高強(qiáng)鋼超厚板的使用給船體結(jié)構(gòu)的安全可靠性帶來了隱患：高強(qiáng)鋼會(huì)使結(jié)構(gòu)的安全富裕度下降；板厚規(guī)格的增大，導(dǎo)致焊縫初始缺陷存在幾率增大；更為重要的是會(huì)使構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)從平面應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫鎽?yīng)變狀態(tài)，導(dǎo)致船體結(jié)構(gòu)發(fā)生低應(yīng)力脆性斷裂的幾率大大增加。因此，必須采取相應(yīng)的防脆斷措施以保證大型集裝箱船體結(jié)構(gòu)的安全可靠性。為保證船體結(jié)構(gòu)的安全可靠，防止脆性斷裂破壞的發(fā)生，在船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一般采用防開裂設(shè)計(jì)方法和止裂設(shè)計(jì)方法。目前，焊縫錯(cuò)位并利用基體鋼板止裂可以避免開止裂孔、開止裂孔并在內(nèi)部填充高韌性焊材兩種設(shè)計(jì)方法的不足，但需要基體鋼板具有足夠的止裂性能。

針對(duì)大型集裝箱船結(jié)構(gòu)安全可靠性問題，2011年初，國際船級(jí)社協(xié)會(huì)（IACS）船體委員會(huì)專門成立了PT52工作組，制定了50～100 mm厚船用高強(qiáng)鋼安全應(yīng)用的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。2013年1月，國際船級(jí)社協(xié)會(huì)（IACS）正式發(fā)布名為“YP47鋼板的使用要求”的統(tǒng)一要求（編號(hào)UR W31），該規(guī)范適用于國際船級(jí)社協(xié)會(huì)所屬船級(jí)社在2014年1月1日及以后簽訂的造船協(xié)議的船舶。IACS的統(tǒng)一要求止裂鋼板的-10℃條件下止裂韌性（Kca）最低值為6000N/mm3/2 [1]。各船級(jí)社也相應(yīng)頒布了關(guān)于超大型集裝箱船用止裂鋼的指南，其中包括日本船級(jí)社（NK）、英國勞氏船級(jí)社（LR）、挪威船級(jí)社（DNV）、美國船級(jí)社（ABS）、德國船級(jí)社（GL）、法國船級(jí)社（BV）及中國船級(jí)社（CCS）。在各國船級(jí)社的指南中，除了對(duì)材料的化學(xué)成分及常規(guī)的力學(xué)性能做要求外，還特殊指出材料在認(rèn)可時(shí)必須進(jìn)行深缺口試驗(yàn)或裂紋尖端張開位移（CTOD）試驗(yàn)、采用UR33附件2中的標(biāo)準(zhǔn)ESSO試驗(yàn)測試方法或其他可替代的方法（如雙重拉伸試驗(yàn)方法等）以獲得參考的裂紋止裂韌性值，同時(shí)需要滿足一定的規(guī)定數(shù)值，并在材料認(rèn)可達(dá)到要求后標(biāo)識(shí)以COD或BCA后綴以區(qū)分滿足不同性能要求的材料。

表1為主要船級(jí)社對(duì)超大型集裝箱船用EH47的性能要求，可見與普通船板相比，除了材料的低溫沖擊要求提高外，在衡量材料的疲勞、止裂性能方面提出了額外的嚴(yán)格要求。

表1 GL、ABS、CCS等主要船級(jí)社對(duì)高止裂EH47船板的力學(xué)性能要求

針對(duì)船用高強(qiáng)鋼超厚板的止裂性能，日本和韓國已進(jìn)行了多年研究，積累了大量數(shù)據(jù)，推出了相應(yīng)的評(píng)價(jià)方法和技術(shù)指標(biāo)，并已開始在實(shí)船建造中進(jìn)行應(yīng)用，歐美一些國家也相繼啟動(dòng)了這方面的研究工作。2014年10月，JFE鋼鐵宣布，該公司成功開發(fā)出大型集裝箱船甲板上部結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度、高止裂厚板，板厚80mm，是當(dāng)時(shí)世界上最厚的同類產(chǎn)品（參考文獻(xiàn)2）；韓國浦項(xiàng)鋼鐵集團(tuán)公司利用梯度溫度型ESSO試驗(yàn)對(duì)最大板厚為80mm的EH47船用高強(qiáng)厚板的止裂性能進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明該公司生產(chǎn)的厚板在-10℃下的止裂韌性Kca達(dá)到7960N/mm3/2，由此認(rèn)為該級(jí)鋼板的止裂性能滿足船體結(jié)構(gòu)建造的要求（參考文獻(xiàn)3）。

與國外相比，我國在高強(qiáng)鋼超厚板止裂性能評(píng)價(jià)方法和技術(shù)指標(biāo)研究方面尚處于起步階段，落后于日本和韓國，應(yīng)用研究的落后制約了高強(qiáng)鋼超厚板在國內(nèi)集裝箱船建造領(lǐng)域的應(yīng)用。2014年開始，中國的寶鋼、鞍鋼、沙鋼、南鋼、湘鋼等鋼鐵公司先后進(jìn)行超大型集裝箱船用高止裂鋼的研制開發(fā)，而且中國的洛陽725研究所針對(duì)特厚板的止裂性能的評(píng)價(jià)裝置、評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了專項(xiàng)研究，并取得評(píng)價(jià)資質(zhì)，為止裂鋼用于超大型集裝箱船舶的設(shè)計(jì)、建造和走向國際市場提供了技術(shù)支撐。

針對(duì)超大型集裝箱船用EH40、EH47止裂鋼的各項(xiàng)性能要求，寶鋼采用TMCP工藝研制生產(chǎn)了最大厚度為90mm的厚板，采用超低碳微合金的成分設(shè)計(jì)，通過控制軋制、控制冷卻工藝，保證微觀組織不僅滿足高強(qiáng)度、高韌性的要求，同時(shí)具有優(yōu)良的止裂性能。文中對(duì)不同厚度、不同微合金成分中的產(chǎn)品之間的止裂性也能做了比較研究，下面大家可以具體看一下。

最大厚度90mm的寶鋼止裂鋼

1止裂鋼的研制

1.1止裂鋼的工藝

為滿足EH40、EH47厚板鋼高強(qiáng)度、良好的低溫韌性和優(yōu)良焊接性能，特別是低溫止裂性能，成分采用了低的碳含量、中等含量錳、超低硫、磷的控制，為了細(xì)化晶粒尺寸和更好地進(jìn)行TMCP控制，采用Nb微合金化，同時(shí)采用控制組織的Cr、Mo合金化成分設(shè)計(jì)，適當(dāng)?shù)卦黾覥u、Ni等合金元素。

煉鋼工藝采用低碳、超低硫、夾雜物形態(tài)控制的純凈鋼冶煉技術(shù)，以保證厚規(guī)格船板的低溫沖擊韌性。鐵水經(jīng)轉(zhuǎn)爐冶煉，再進(jìn)行RH、LF爐外精煉，澆鑄成300mm/360mm厚的連鑄板坯。熱軋?jiān)趯氫摰?米厚板軋機(jī)上進(jìn)行，工藝采用了強(qiáng)控軋控冷的TMCP技術(shù)，采用兩階段的控制軋制，并充分保證再結(jié)晶區(qū)的變形量。軋制后采用ACC加速冷卻保證變形后相變組織，為了滿足高強(qiáng)度厚板的低溫韌性，組織控制以得到多邊形鐵素體+針狀鐵素體為主。通過成分和工藝的最佳配合，以獲得優(yōu)良的綜合性能。

生產(chǎn)工藝路線為：鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→爐外精煉（RH＋LF，Ca處理）→連鑄→板坯再加熱→控制軋制→控制冷卻。

部分船級(jí)社在規(guī)范指南中針對(duì)EH40、EH47的個(gè)別合金成分要求就有差異，但在性能上，尤其是低溫止裂性能上是沒有差異的。為了比較個(gè)別成分（特別是對(duì)韌性影響比較大的Ni元素）對(duì)低溫韌性、止裂性能影響，在成分上設(shè)計(jì)低Ni和高Ni兩種成分；同時(shí)，為了比較同一成分條件下，厚度效應(yīng)對(duì)止裂性能的影響，采用相同工藝軋制了厚度為50、80、90mm的鋼板進(jìn)行比較。

1.2止裂鋼板的成分

超大型集裝箱船用EH40、EH47，鋼板厚度基本在70～90mm左右，同時(shí)要求具有高的強(qiáng)度、優(yōu)良低溫沖擊及焊接性能，同時(shí)在止裂方面特殊要求，因此在成分上采用了低碳微合金成分設(shè)計(jì)，EH47設(shè)計(jì)了高Ni、EH40采用低Ni成分；采用高Ni的A成分軋制了50、80、90mm的鋼板，鋼板分別標(biāo)識(shí)為A-50、A-80、A-90；采用高Ni和低Ni（標(biāo)識(shí)為B成分）的板坯軋制了厚度均為90mm的鋼板，鋼板分別標(biāo)識(shí)為A-90、B-90。實(shí)際化學(xué)成分如表1。

表1寶鋼研制的DH40、EH40 TMCP船板的化學(xué)成分（wt%）

上述成分滿足ABS、CCS、GL、DNV船級(jí)社標(biāo)準(zhǔn)對(duì)EH40、EH47的要求，A、B兩組的成分除Ni含量有明顯的差異外，其他合金元素類型、含量基本相同，這樣Ceq的差別僅僅是由于Ni含量不同導(dǎo)致的。A、B鋼同時(shí)具有較低的Ceq和Pcm保證了高強(qiáng)度鋼具有較好的焊接性。

1.3 EH47厚板的拉伸性能及微觀組織

對(duì)研制的鋼板，在鋼板厚度1/4和1/2處均進(jìn)行性能檢驗(yàn)。分別進(jìn)行力學(xué)拉伸性能、維氏硬度實(shí)驗(yàn)及微觀組織檢驗(yàn)。力學(xué)拉伸按標(biāo)距50mm棒狀拉伸試樣，具體性能見表2。

表2寶鋼研制的EH47/EH40級(jí)TMCP船板的機(jī)械性能

圖1不同厚度規(guī)格的EH40、EH47鋼板的微觀組織

可見，無論是50mm厚、還是80mm、90mm厚的EH40、EH47厚板鋼的強(qiáng)度性能及硬度性能均滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求，并且具有一定的富余量。采用同一成分A軋制的EH47、厚度分別為50、80、90mm厚度的鋼板，可以看出隨著厚度增加，強(qiáng)度有下降，同時(shí)在板厚度1/2和1/4處的強(qiáng)度差異略有增加。但硬度上的差異比較明顯，同一成分軋制不同厚度的鋼板，硬度最大相差30Hv10。而不同成分軋制的EH40、EH47的90mm厚鋼板，由于EH40有更低的Ceq，強(qiáng)度、硬度低于EH47同等厚度鋼板。

同時(shí)，由于厚度的差異，80mm、90mm厚的鋼板的板厚度1/2和1/4的強(qiáng)度性能有一定差異，這種差異在微觀組織上也有一定的表現(xiàn)，如圖1所示。由于變形在厚度方向的不均勻分布及冷卻強(qiáng)度的不同，越接近鋼板表面的組織越細(xì)小，針狀鐵素體的比例也越高。這種組織上的差異影響了力學(xué)性能。