极地船用材料测试标准和评价现状分析1

孙 伟，温 静，曹 晶，陈彦臻，王园园，张大勇

0 引言

随着极地开发的深入，极地资源的竞争逐渐白热化，其中油气和航道的价值使得极地战略地位不断提升。美国、俄罗斯、欧洲等科技发达国家和地区，长期以来都在北极地区开展合作与竞争，开发各类新型极地装备，极地科考、商运和资源开发能力在持续进步，以保障在极地区域的长期竞争能力。

国际形势的变化不稳定，竞争已成为当今世界的主旋律，独立自主的装备开发能力已迫在眉睫。极地事务参与和极地资源开发已成为我国重要国家战略之一，为实现该目标，我国亟需持续开发适应极地环境的战略装备。极地环境低温、冰雪、盐雾、强紫外线以及风载荷等多因素耦合环境对装备的安全和稳定运行有特殊的要求，装备材料在严苛的服役环境中面临巨大的挑战。极地环境下，材料的测试和评价需要制定专门的标准。本文重在梳理国内外近年来关于极地环境下材料测试和评价标准与规范，以期为日后针对性的补充和完善极地材料设计、开发能力奠定基础。

1 极地标准、规范制定组织

为保障极地环境下船舶装备、油气作业装备的航行及操作安全，世界公共组织以及各个国家制定了多项公约、规范以及标准，主要公共组织有国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）、国际船级社协会（International Association of Classification Societies，IACS）、国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO），其他包括各国船级社，其中比较有影响力的有中国船级社（China Classification Society，CCS）、美国船级社（American Bureau of Shipping，ABS）、法国船级社（Bureau Veritas，BV）、挪威船级社（Det Norske Veritas，DNV）以及俄罗斯船级社（Russian Maritime Register of Shipping，RS）等。陆续发布的公约和标准对船舶极地恶劣环境下的构造、设备、设计、操作、航运，搜救、环保、安全和检验、船员的培训、航道的规划等都有详细要求。本文重点关注极地船用装备材料，研究各类材料在极地复杂环境下的测试和评价标准，下面以时间轴为序，梳理相关标准中对材料的选型、评价和测试的具体要求。

2 极地船舶涉及材料类标准分析

本节按时间线对现有标准、规范、公约中涉及材料部分的要求、测试和评价进行分析。

2.1 《国际海上人命安全公约》

《国际海上人命安全公约》（International ConventionfortheSafetyofLifeatSea，SOLAS）[1]由各缔约国政府于1974 年统一原则共同制定，在第Ⅱ章中讲述了对船舶机器设备的要求，其中涉及到相关材料。SOLAS 主要适用于货船和客船的运动部件、热表面等，对建造中使用的材料、设备的预定用途以及将要遇到的工作条件和船上环境条件等都做出一些规定。

SOLAS 对船舶甲板、舱壁、船舱等材料给出基本要求，以保持船舶结构的完整性。对于船体、上层建筑、结构舱壁、甲板以及甲板室应用钢或其他等效材料建造，为保证安全，公约规定了船舶的破损稳定性，结构强度等，对船舶的载重量、长度等做出要求，但是未对材料的选择做出明确的指导。

SOLAS 涉及面较广，主要以保障安全为主，但均为一般性要求，关于极地环境下船舶材料选择标准以及试验方法等未提及。

2.2 《北方海航道航行船舶设计、装备和必需品要求》

《北海航线船舶的设计、装备和必需品要求》（RequirementsfortheDesign,Equipment,andSupplies ofVesselsNavigatingtheNorthernSeaRoute）[2]由俄罗斯联邦政府于1996 年颁布，主要列举了允许通过北极航线的船只在船体、机械设备、稳定性和不沉性、导航和通信设备、供应和应急设施、船员条件等方面的要求。

2.3 《用于在极地水域航行的船舶的建造和分类指南》

《用于在极地水域航行的船舶的建造和分类指南》（GuideforBuildingandClassingVesselsIntended forNavigationinPolarWaters）[3]由ABS 在2008 年颁布，对极地船舶的结构与机械提出了相关要求。其中，结构方面的要求包括设计冰荷载、材料、壳板、船体框架与电镀、焊接结构等；机械方面的要求包括图纸、系统设计、推进机械功率、机械紧固装载加速度等。

与RS 相比，ABS 缺少对导航、通信设备与应急设施的要求，但是在机械方面的要求更为详尽。

2.4 《钢船建造和入级规则》

《钢船建造和入级规则》（RulesforBuildingand ClassingSteelVessels,Part6OptionalItemsand Systems）[4]由ABS 于2010 年颁布，其第6 部分“可选项目和系统”包括“加强冰雪航行”和“拟装载冷藏货物的船舶”这两章内容。“加强冰雪航行”主要介绍了极地船舶结构和机械、航行要求、冰级要求；“拟装载冷藏货物的船舶”主要介绍了船体结构、装卸设备、冷藏空间、制冷机械、辅助系统、控制系统、集装箱运输船、液体运输船、冷冻渔船和测试等内容。

在材料方面，《钢船建造和入级规则》对结构构件材料等级、设计强度弯矩、框架结构、材料类别要求、腐蚀保护及绝缘材料等内容进行了规定。该规范对于材料选取具有一定参考价值，但在试验方面涉及较少，多为对部件或结构的概述性试验描述，未提及具体材料的试验方法。

2.5 《冰级规则指南》

《冰级规则指南》（GuidanceNotesonIceClass）[5]由ABS 于2014 年颁布，针对低温环境中冰这一特殊形式，规定采用非线性有限元法对侧纵面和侧壳板进行结构强化。

《冰级规则指南》由冰对船体结构的影响入手，通过建模分析合适的材料性能，但并未给出具体的材料。该指南重点关注船舶材料一般性能要求，不涉及具体材料的分类和型号。

2.6 《石油和天然气工业 北极作业的材料要求》2.6 （ISO/DTS 35105: 2018）

《石油和天然气工业 北极作业的材料要求》（PetroleumandNaturalGasIndustriesArctic OperationsMaterial）[6]由ISO 于2018 年发布，给出了在北极和寒冷地区中运行的海上和陆上石油和天然气设施的材料选择、制造方法和制造要求，并提出了钢结构和部件的测试和鉴定的建议。

该标准对材料的规定主要针对以钢材为主的金属材料。规定主要包括技术基础、制造要求和评估、腐蚀和磨损控制等内容，见图1。

图1 《石油和天然气工业北极作业的材料要求》对材料的相关规定

《石油和天然气工业北极作业的材料要求》针对北极或低温地区环境，重点关注材料的力学性能，除常见的拉伸性能和疲劳性能外，还根据裂纹尺寸定义断裂韧性和止裂韧性。从微观角度和能量角度介绍在低温影响下钢材力学性能变化的原理，并给出一些具有借鉴意义的模型和经验公式，这些模型和经验公式可用来预测者验证钢材的力学性能随温度变化的曲线，从而更好地改进钢材的性能。

此外，《石油和天然气工业北极作业的材料要求》还指出要特别关注力学性能不同于常见钢材的吕德斯应变材料。该标准根据微观结构和断裂模式，给出韧脆转换温度区间，并指出低温下所主要考虑的断裂模式为解理断裂。这些原理是国内标准尚未研究的，对于国内标准的制定具有指导意义。

针对低温下的力学性能，该标准给出相关测试标准和方法；对于指定温度拉伸性能，该标准给出相关参考标准；对于断裂韧性，该标准给出J 积分测试和裂纹尖端开口位移（Crack Tip Opening Displacement，CTOD）测试的标准和方法，并给出夏比V 型冲击试验的具体参数，可用于验收材料的断裂韧性。除此之外，该标准还给出钢材在各种情况下的焊接要求、焊接工艺的评定、对北极或低温地区钢材的保护要求等内容。

目前国内虽有与海洋工程材料相关的标准，但多关注于室温下常见的力学性能，对北极或其他低温地区专门制定的材料研究不足，且多数标准并未从原理上解释钢在低温下的力学性能如何变化。由于钢在低温下会发生脆性失效，钢的弹性变形并不是低温下重点关注的参数，而塑性、韧性和疲劳性能的关系是需要重点关注的内容，故可在这一方面对目前国内标准进行补充。如CCS 的《材料与焊接规范》[7]主要给出室温下各种常见力学性能的测试方法，针对各种船用金属材料的常见力学性能参数（如屈服极限、强度极限、断面伸长率等）给出相应要求。

目前很多极地项目已提出极地海上结构的功能要求，但现有的指导规范未能充分考虑北极的运行条件。《石油和天然气工业北极作业的材料要求》填补了这方面的空白。标准内容详细、全面，对于我国的标准制定和极地工程建设具有重要参考价值。

2.7 《推进装置及船体附体的冰区加强》

《推进装置及船体附体的冰区加强》（Ice StrengtheningofPropulsionMachineryandHull Appendages）[8]由DNV 于2019 年颁布，包含推进装置受冰冲击载荷影响，验证部件的承载能力（极限和疲劳强度）所需的程序和方法，螺旋桨叶片、轮毂和螺距机构、轴、减速齿轮、吊舱与推进器水下外壳在冰荷载下的模型、有限元分析以及强度评估。在螺旋桨叶片方面，该规范增加了叶片设计载荷要求；在轮毂和螺距机构方面，该规范增加了负载与应力要求。此外，该规范还提出了模拟设计指南，对推进轴进行疲劳分析与设计。

2.8 《石油和天然气工业 北极近海结构》2.6 （ISO 19906: 2019）

《石油和天然气工业 北极近海结构》（PetroleumandNaturalGasIndustriesArctic OffshoreStructures）[9]由ISO 于2019 年颁布，详细介绍了海洋结构在北极和寒冷地区条件下如何进行规划、设计、建造、选材、运输、安装、使用评估和退役。

《石油和天然气工业 北极近海结构》概述了北极海洋结构物设计所需的物理环境参数，如日照、气象条件、海洋条件及海冰等。ISO 35106: 2019[10]详细介绍了北极和寒冷条件下具体物理环境数据的收集、分析和建议。该标准还对ISO 19901-1: 2015[11]、ISO 19902: 2020[12]、ISO 19903: 2019[13]等标准规定的海洋结构基础性进行了补充，提出了材料选择和检验要求。

《石油和天然气工业 北极近海结构》主要针对北极和寒冷条件下海上结构所使用的钢材，钢材的选择应符合ISO 19902: 2020 标准。在北极和寒冷地区环境下选择钢的试验温度应基于最低预期使用温度。材料的最低韧性和无损检测应符合ISO 19902:2020 标准的规定。此外，该标准还分析了不同暴露环境下材料的腐蚀情况，并给出磨损防护方法。在确定涂层的长期耐腐蚀和耐磨性要求时，要评估涂层的耐久性和预期寿命。

该标准应与ISO 19901-1: 2015、ISO 19902:2020、ISO 19903: 2019 等标准一起使用，以便为北极和寒冷地区的海洋结构提供合适的物理环境参数、设计方案和材料。

2.9 《船舶及海洋工程用低温韧性钢》

《船舶及海洋工程用低温韧性钢》[14]由CCS于2020 年颁布，该标准适用于液化气体运输船、极地船及低温海洋工程用碳锰低温钢和镍系低温钢板，钢板的厚度不得大于60 mm。该标准对船舶及海洋工程用低温韧性钢的牌号表示方法、订货内容、尺寸、外形、重量、技术要求、试验方法、检验规则、包装、标志及质量证明书等进行了规定。

该标准对碳锰低温钢及镍系低温钢中的部分钢材在做拉伸试验和夏比冲击试验时应考虑的力学性能做出了规定，包括上屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、材料厚度、试验温度、冲击吸收能量以及最低设计温度。此外，该标准还对钢材表面质量做出规定：不应有裂纹、气泡、结疤、折叠和压入氧化铁皮等对使用有害的缺陷，不应有目视可见分层，不应有焊补等。该标准对钢材试验的检验项目、取样数量、取样方法和试验方法，以及小尺寸试样冲击试验、尺寸检查和检验规则等进行了规定。

《船舶及海洋工程用低温韧性钢》对船舶及海洋工程用低温韧性钢的规定较为全面，对极地船用钢的选用测试具有较好的参考价值。

2.10 《石油和天然气工业——固定式海上钢结构》2.6 （ISO 19902: 2020）

《石油和天然气工业——固定式海上钢结构》（PetroleumandNaturalGasIndustries—FixedSteel OffshoreStructures）[12]由ISO于2020年颁布最新版，该标准主要介绍在一般环境条件下（除北极及寒冷地区环境外）固定式海上钢结构所使用的钢结构的类型、选材及应用条件。

《石油和天然气工业——固定式海上钢结构》首先提出了海上结构在不同情景下的设计要求，确保结构在给定情景下的正常使用和使用寿命。该标准要求对海洋结构进行建模和分析，从而确定结构或部分在给定情景下的作用效果。该标准对海洋结构中管状结构、管接头以及其他结构部件的强度提出要求，提供对结构的疲劳和腐蚀的分析方法和建议，并对海上钢结构的选材提出建议和指南。最后，该标准提供对海洋结构的在役检查方法、结构完整性检查方法，以及对现有结构的评估方法，以此保证海上钢结构在服役中的安全性和在给定情境下的适用性。

该标准主要针对一般环境下海上结构所使用的钢材，为钢材的选择提供详细的建议和指南。钢材可根据强度或韧性进行分级。该标准规定钢材的具体选择标准，包括屈服强度要求、暴露等级、组件临界性以及其他因素，如在塑性变形下的抗断裂能力、成本、可用性、可焊性等。由材料特性和选择标准，可以将海上结构所使用的钢材的选择方法分为2 种：材料类别方法（Material Category，MC）和设计类方法（Design Class，DC），见图2。

图2 钢材的选择逻辑流程图

该标准虽非直接面向极地环境，但配合其他标准一起使用可提供极地环境下钢材的选择和测试方法。

2.11 《极地水域航行船舶及破冰船分类规范》

《极地水域航行船舶及破冰船分类规范》（RulesfortheClassificationofShipsOperatingin PolarWatersandIcebreakers）[15]由BV 于2021 年颁布，其给出了钢质船舶（包括破冰船）在结冰极地水域航行的要求。在材料方面，该规范给出了材料（主要为钢材）的等级评定，并给出每个等级对应的船上部件或结构，见表1。此外，该规范将船用材料总结为3 类，分别为暴露于海水的材料、暴露于低温海水的材料和暴露于低温空气的材料。

表1 平台构件的材料等级

该规范对每一类材料的用途范围、等级都做出规定，并给出每一类材料力学性能的要求与测试方法，规定低温下材料测试所需满足的最低性能参数。该规范对极地船舶提出运行规范、结构要求以及零部件的性能要求，但涉及材料的部分较少。对北极或低温地区所应用的材料虽做出规定，但不够详细。该规范在材料方面主要侧重于对等级的评定与用途分类，仅对材料的力学性能做出简要的规定，并未对材料的疲劳、焊接性能和腐蚀磨损防护做出规定。

3 极地船舶材料标准总结及发展建议

极地区域在资源、交通、地缘战略等方面的价值日益突出，极地材料是开发极地装备的重要支撑。通过对30 年来国内外极地公约、规范、标准中涉及材料部分的归纳和总结，可以发现目前极地装备材料类要求和标准呈现的规律和特点。

3.1 标准比较新，时间集中

随着北极地区在资源、交通、地缘战略等方面的价值提升，各国开始陆续开发极地装备，关于极地开发用材料的选择、测试与评价标准近10 年来开始密集出台和发布，直接反应出极地战略的重要性。从时间线上分析，极地专用材料开发处于上升期，我国科研机构需要重点投入，抓住发展黄金期，实现科研和工程的双丰收。

3.2 标准宽泛、尚无船舶类专用材料标准

早期标准涉及材料部分考虑大多为极地环境操作和运行的基本要求，针对机械设备、电子设备、甲板舰身等，而不针对具体材料，不涉及具体的测试评价。极地船舶的材料要适应恶劣、复杂的极地环境，因此对材料性能有特殊要求。针对不同类型极地船舶材料，需制定针对性的性能指标，形成通用测试技术标准。针对不同冰级要求下的极地船舶的甲板、船身、结构用耐低温、耐腐蚀钢等特殊材料，需制定专用焊接工艺和极地环境检测标准等。

3.3 材料标准比较单一，需丰富材料类型

近年来，逐渐形成和发布专门针对材料的测试、选型和评价标准，但其主要针对金属钢材以及焊缝测试。而非金属一直是船舶工程的关键材料，包括塑料、橡胶、涂层以及复合材料等。各类非金属材料承载的关键功能包括：密封、保温、防腐、减震、绝缘、防火等，但极地环境下非金属材料的测试标准基本属于空白区，尚无系统、分类的测试评价技术。本文建议先从非金属材料分类着手，建立高分子、陶瓷以及复合材料在极地复杂环境下的通用性测试及评价标准；其次，针对特殊功能非金属结构，形成例如玄门、窗用密封橡胶材料，船身防腐、抗磨、耐低温、耐冲击涂层、轻质保温防火材料、耐低温、抗老化电缆保护套材料、救生类玻璃钢复合材料等特性材料的测试标准。以上标准分散且繁琐，但对于极地船舶的开发具有重要的意义。

4 结论

鉴于极地资源竞争白热化，极地船舶装备的开发显得尤为重要，而材料是基础，极地恶劣环境下材料的测试与评价、选型与开发等亟待标准化。本文通过对近30 年国内外极地开发标准进行梳理分析，着眼于装备材料的选型、试验等方面，结合我国极地船舶材料标准现状，指出极地船舶材料标准的特点，提出相关建议，为我国极地船舶装备开发提供材料研究提供参考。