超大型集装箱船用止裂钢现状

秦 骏， 成宇韬

(1.中国船级社上海分社， 上海 200135； 2.上海船舶工艺研究所， 上海200032)

超大型集装箱船用止裂钢现状

秦 骏1， 成宇韬2

(1.中国船级社上海分社， 上海 200135； 2.上海船舶工艺研究所， 上海200032)

针对大型集装箱船易发生断裂事故的问题，研究集装箱船用钢材止裂钢的产生、发展以及止裂性能原理，解读国际船级社协会针对船用高强钢安全应用标准提出的统一要求UR S33，分析国内外各大钢厂对止裂钢的开发研究现状。从船厂实际止裂钢的应用入手，分析止裂钢的焊接工艺评定试验要求，总结现阶段国内钢厂止裂钢的研发状态和国内船厂止裂钢应用中的不足。

超大型集装箱船；止裂钢；双重拉伸试验；焊接工艺评定

0 引 言

近年来大型集装箱船出现了多次断裂事故。2013年6月，日本集装箱船“MOL Comfort”号在也门外海200海里处发生事故，船舶从中间断成两截，随即沉没。“MOL Comfort”号是日本三菱重工建造的8 000 TEU级集装箱船。该船设计载箱量为8 110箱，于2008年建造，船长316 m，宽46 m，排水量9万t，最大航速17.7 kn。事故发生时船舶载有约4 500个集装箱。2014年1月又有1艘集装箱船由于船体开裂而造成事故，NSB Niederelbe旗下的“MSC Monterey”号(4 892 TEU，造于2008年)，当时正从安特卫普(Antwerp)驶往纽瓦克(Newark)。

1 止裂钢现行规范

针对大型集装箱船结构安全问题，2011年初，国际船级社协会(International Association of Classification Societies, IACS)成立PT52工作组，制定50～100 mm厚船用高强钢安全应用标准，并于2013年1月通过了统一要求UR S33。UR S33要求对于2014年1月1日及以后签订建造合同的集装箱船生效。UR S33适用于钢板厚度在50～100 mm范围，屈服强度分别为355 N/mm2，390 N/mm2及460 N/mm2等3个等级的集装箱船舱口围侧面结构板和甲板板。UR S33明确抗脆性裂纹的主要措施：使用具有良好断裂韧性和抑制脆性裂纹传播特性(止裂性)的钢材——止裂钢。止裂钢的止裂指标：应按ESSO试验方法(带温度梯度的脆性裂纹止裂韧性标准试验)或等效的双重拉伸方法进行，且具有指标为-10℃下止裂韧性值Kca≥ 6 000 N/mm3/2或等效的止裂性能。

2 ESSO试验

ESSO试验用于评定厚度为100 mm或以下轧制船体钢板的脆性裂纹止裂韧性值Kca。该试验的原理为通过研究一定应力和温度梯度条件下运动裂纹在试样主拉伸板扩展和停止的行为来测定钢材的止裂温度和止裂韧性[1]。

ESSO试验的标准试样形状和尺寸如图1所示[2]。

图1 ESSO试样的标准试样图

图1中：LP为两销孔间距；Lr为连接板的长度；LS为试样的长度；WS为试样的宽度；tS为试样的厚度。

试样应取自同张钢板。试样的取样应以同样方式使载荷的轴向平行于钢板的轧制方向。试样的厚度应与船舶结构用钢板的厚度相同。

ESSO试验装置为具有拉伸试验能力的销加载型液压试验装置。加载销之间的距离应不小于2 000 mm。试验装置中落锤型或空气枪型冲击装置用于产生脆性裂纹所需的冲击能。冲击楔的角度应大于试样的上缺口角度，并应将张开力作用于缺口上。

试验前，试板直接固定到销加载夹具上或用连接板焊接起来。整个试样和连接板的长度应不小于3倍试样的宽度。热电偶安装在试样宽度中心处缺口延长线上。

试验时为了消除残余应力的影响或校正连接板焊接的角变形，在试样冷却前可采用比试验载荷小的预加载荷。试验时，试样中心区域(0.3倍试样宽度～0.7倍试样宽度)范围内温度梯度应控制在0.25～0.35 ℃/mm范围内。当达到规定的温度梯度时，温度需维持超过10 min，随后加载规定的试验载荷。在维持试验载荷至少30 s后，施加冲击并产生1条脆性裂纹。标准的冲击能量应取每1 mm板厚为20～60 J。如母材的脆性裂纹启裂特性高，难以产生脆性裂纹，冲击能量可以增加至1 mm板厚120 J的上限。当确认裂纹启裂、扩展并被止住后，停掉(卸除)载荷。而后恢复正常的温度。如有必要，可用气割割断或用试验机强行拉断试样未断部分，或用试验机将韧性裂纹扩展到足够的长度后，再用气割割断试样剩余部分。在(试样)强制分断后，取断裂表面和扩展路径的照片，并测量裂纹的长度[3]。ESSO试验结果应测量试样顶端(包括缺口)至止裂点板厚方向上的最大长度。

式(1)中：Kca为脆性裂纹止裂韧性值；σ为主位伸应力；a为止裂点处的最大裂纹长度；WS为试样的宽度。

3 止裂钢的止裂金属微观原理

在钢材冶炼和轧制过程中，采用相应的控制手段使金属组织得到具有止裂性能的多边型铁素体和针状铁素体组织。同时，细化钢材表面的晶粒组织使之达到有效晶粒直径小于10 μm，从而使钢材得到良好止裂性。

4 国内外各大钢厂对止裂钢的开发研究现状

2010年左右，日本JFE钢铁公司在止裂钢研究方面开发出对钢材加热温度和轧制温度精确控制的特殊热机械控制轧制(Thermo Mechanical Control Process, TMCP)技术，其可确保钢材结晶晶粒细化。该公司还开发出能阻止钢材裂纹发展的特有结晶方位控制技术。通过采用此项技术，确保该公司止裂钢具有较高的止裂特性。

同年，韩国浦项钢铁公司采用特殊TMCP工艺开发出止裂钢，并且通过各大船级社认可。2014年，浦项钢铁联合大宇造船开发出厚度高达100 mm的EH 40-CA厚板，获得德国劳氏船级社(Germanischer Lloyd, GL)的认证，并于2015年向大宇造船19 200 TEU集装箱船供货。相关研究结果表明，该公司生产的厚板在-10℃下的脆性裂纹止裂韧性值Kca达到7 960 N/M3/2。

与国外钢厂相比，我国的钢厂在止裂钢方面的研究略落后。2014年开始，国内的宝钢集团有限公司、鞍山钢铁有限公司、江苏沙钢集团有限公司、南京钢铁联合有限公司、湖南华菱湘谭钢铁有限公司等钢厂先后开始止裂钢的研发工作。最近公开的研究结果表明，宝钢研制的50 mm厚EH 47-CA钢种的Kca达到9 896 N/M3/2。通过船级社认可的止裂钢厚度最大可至90 mm。

2016年，鞍山钢铁有限公司在船用止裂钢方面(80 mm以下规格)通过船级社认证，公开数据表明，止裂性指标Kca达到9 000 N/M3/2以上，YP 40钢种的Kca达到10 000 N/M3/2以上，远超日韩钢企指标[4]。

5 国内各大船厂对止裂钢应用以及止裂钢的焊接工艺评定试验要求

随着IACS统一要求UR S33的生效，国内各大船厂建造大型集装箱船纷纷采用止裂钢。止裂钢应用方面首先需要解决的是焊接工艺评定。中国船级社于2014年公布了《船用高强度厚板检验指南》[1]，其中提出止裂钢的焊接工艺评定试验要求和相应的匹配焊接材料，如表1所示。

表1 《船用高强度厚板检验指南》建议的 H47 钢匹配焊接材料

焊接工艺评定试验要求：除了常规船用钢材的焊接工艺评定要求之外，最小屈服强度为390 N/mm2钢,其焊接工艺试验结果应符合下列规定。 (1)横向拉伸强度应不低于570 N/mm2；表面和中心的维氏硬度应不高于380 HV10。 (2)止裂钢工艺认可的冲击功应满足在-20℃以下不低于64 J的要求。(3)各强度等级止裂钢的焊接接头除常规力学性能外，还应取试件全厚度的试样进行焊缝中心和熔合线的金属材料裂纹尖端张开位移试验。试验结果应予报告。

6 国内各大船厂关于止裂钢应用中的问题

船厂在止裂钢应用方面首先遇到的是ESSO试验问题，止裂钢的止裂指标试验只有在钢种开发和船级社的型式认可试验中才能进行。该试验国内仅有洛阳的船舶材料验证试验中心能够进行。相应的试验费用巨大，周期长。钢厂无法对每一批次止裂钢进行止裂指标试验。日常钢厂提供的止裂钢只有该钢材批次的日常力学性能指标。

曾经出现过船厂巨额采购国外钢厂的止裂钢后送去试验，出现止裂指标试验结果不合格事例，因此船厂对止裂钢的日常复验手段需求反馈强烈。

目前国内各大钢厂和船级社正在着手研究日常的止裂钢复验手段。钢厂曾经研究止裂钢的普通冲击试验数据和止裂性能关系，但普通的冲击试验数据不能反映止裂钢的止裂性能。最近钢厂在研究止裂钢落锤试验结果和Kca值的关系。通过研究止裂钢的落锤试验数据，总结出相应止裂钢的止裂性能,目前研究正在进行中。

7 结束语

最近国内建造的大型集装箱船中远海运“喜马拉雅”号已经达到14 500 TEU。为降低船舶大型化后因高强度特厚钢板使用时可能带来的脆性破坏风险，保证大开口船舶船体强度，对止裂钢的现状研究和应用中的问题研究已显得十分必要。从现状和应用研究来看，国内钢厂的止裂钢开发能力已经具备，但缺少日常的止裂钢止裂性能复验手段。

[1] 中国船级社.船用高强度厚板检验指南：GD 18-2013[S]. 2013.

[2] 薛钢.船体钢止裂性能表征参量止裂温度和止裂韧性的对比分析[J]. 材料开发与应用，2014，29(1)：9-13.

[3] 宫旭辉，徐博文，徐科.FH500船用高强钢厚板止裂性能小尺寸试验研究[C]//船舶材料与工程应用学术会议，2012.

[4] 汪五一.80 mm EH47_BCA止裂钢双重拉伸试验[J]. 南钢科技与管理，2016(2)：20-22.

StatusofCrackArrestSteelforVeryLargeContainerShip

QIN Jun1， CHENG Yutao2

(1.Shanghai Branch， China Classification Society, Shanghai 200135, China; 2.Shanghai Shipbuilding Technology Research Institute, Shanghai 200032, China)

In order to solve the problem that very large container ship is prone to crack, the production, development and the principle of the crack arrest steel of container ship are studied, the unified requirements of the International Association of Classification Societies for safety application standards of marine high-strength steel UR S33 are studied. The status of research and development of crack arrest steel in major steel mills at home and abroad is analyzed. The welding procedure qualification test of the crack arrest steel is studied based on the application of the actual crack arrest steel in the shipyard, and the development status of the domestic steel mills and the shortcomings in the application are summarized.

very large container ship； crack arrest steel； double tension test; welding procedure qualification

秦 骏(1983-)，男，工程师，主要研究方向为船舶检验,船用金属材料

1000-3878(2017)05-0018-04

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