高强度结构用钢在船舶与海洋工程结构应用研究

高强度结构用钢在船舶与海洋工程结构应用研究

张重洋舒宗浩邱帜

武汉船舶设计研究院有限公司湖北省武汉市430060

摘要：随着船舶以及海洋平台的不断发展，目前很多正在使用的船板钢无法满足船体结构的需求，尤其是这些一般强度的船板钢存在一定的弊端。因此在船舶与海洋工程建设的过程中，需要不断的提高钢的强度，本文主要是对高强度结构用钢在船舶与海洋工程结构中的应用进行探讨。

关键词：高强度结构用钢；船舶与海洋工程结构；应用

前言：为了更好的满足船体结构要求，尤其是要保证船舶及海洋平台坚固、稳定、耐用和安全，在船舶与海洋工程结构搭建中运用高强度结构用钢具有非常大的优势。随着船舶业的不断发展，也是为了满足各种高强度船体结构钢在船舶结构中的性能要求，目前焊接结构的发展也在趋于参数大型化，因此高强度船体的焊接性及其基本的焊接工艺已经无法满足目前的发展需要，所以需要不断的提高其综合力学性能以及加工工艺性能，同时也要注意不断的提高工作效率。

一、化学成分设计

由于高强度船板对低温韧性的要求较高，所以成分设计的思路主要是采用低C高Mn。C采用的是固溶强化的方式来提高钢的强度，不过这种方法也存在一定的弊端，尤其是影响其塑性和焊接性等。Mn主要起固溶强化的作用，这种作用的优势主要是可以降低钢的临界转变温度，能够有效的提高钢的强度，并且降低钢的脆性转变温度，这样就能够改善冲击韧性。此外，当Mn在冶炼时，做脱氧可以减少S的影响。Si是在冶炼的时候作为一种脱氧剂，能够进入铁素体起到固溶强化的作用，最后能够改善钢的强度，同时也会降低钢的塑性和韧性。

Nb在钢中会形成比较小的碳化物或者是碳氧化物等，主要的作用是可以抑制奥氏体晶粒的长大，在轧制的过程中，能够提高可再结晶的温度，抑制奥氏体再结晶，就可以保证其变形效果并细化铁素体晶粒，能够提高钢的强度并且可以阻止热影响区晶粒的粗化等。其中的V是钢中的强化元素，而且VC的沉淀强化会提高钢的强度，尤其是能够提高韧脆转变温度。Ti在钢中会生成细小弥散的TiN颗粒，并且抑制加热以及轧制时的晶粒长大，可以提高钢的强度。

其中的P和S在钢中属于有害元素，并且会影响钢的塑性和韧性，需要合理控制含量。此外，钢中的H比较容易产生白点以及氢脆，O的含量过高，会直接影响钢的纯净度。

二、试制方案

（一）工艺流程

主要的工艺流程是铁水脱硫预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH精炼、连铸、加热、除磷、粗轧、精轧、控冷、热角直、冷床、正火热处理、标识、入库。

（二）生产工艺

1.转炉冶炼

钢水的质量必须要保证，因此要求控制铁水S在0.015%下，尤其要注意在脱硫之后，需要清除铁水表面的渣，否则会影响其质量。在转炉冶炼的过程中，必须要重视P和S的含量，将C去掉，然后造好渣。出钢的时候，要注意加适量改质剂，并且及时做好挡渣防止渣回P。出钢的时候温度需要控制在1660oC左右，并且需要采用硅锰、硅铁等进行脱氧合金化。

2.精炼

LE炉需要进一步的做脱硫、脱氧等工作，然后要注意调整成分和温度。LF炉造好高监督还原性白渣，需要确保白渣保持时间大于10分钟，并且要将所有的杂质去除，将钢中的氧含量降低。RH精炼是为了合理控制钢中的气体含量。在钢水出站之前需要喂入硅线进行钙处理，钙处理的目的主要是处理一些非金属夹杂物，采用变性处理的方式。然后再使用钙处理的方式将簇状变性成钙铝酸盐，然后以液态的形式存在，以球形夹杂形式分布在钢中。在喂线结束之后可以进行软吹，时间大于十分钟，然后要保证夹杂物充分上浮即可。

3.连铸

连铸是为了控制铸坯的外部以及内部的质量，如果铸坯的心部疏松很容易对钢板抗层状撕裂性能造成严重影响。使用全保护浇注的方式，钢包到中间包用长水口并氢封保护，然后要注意中间包用覆盖剂并加盖防止钢水氧化，中间包一直到结晶器都采用的是浸入式水口并氢封保护。浇注的过程中必须要保持稳定，尤其是要合理配置二冷工艺，然后使用动态轻压下技术，以此来改进铸坯的质量，并且提升其整体的质量。

4.加热

铸坯加热能有效的提高钢的塑性，并且可以降低变形抗力，消除铸坯原有的组织缺陷和应力，在改善其内部组织和非金属杂志无形态分布的同时，能够有利于轧制。

5.轧制

轧制需要经过再结晶奥氏体区域、未再结晶奥氏体区域两个阶段来获取性能较好的高强度船板钢产品，其中的精轧阶段处于奥氏体未再结晶去，是整个控制轧制工艺的关键部分。

6.控冷

轧后冷却的过程非常的关键，尤其是能够直接对产品质量造成很大影响。一般80mm厚度的EH36高强船板钢在生产时候的冷温度要求在810oC左右，中冷温度控制在650oC左右即可，冷却的速度应保持在6oC/S。

7.热处理

热处理是最后一个步骤，同时也非常关键，尤其是会直接影响钢的稳定性。采用热处理的方式，主要是为了均匀组织并且消除内应力，促进微合金化合物的析出，将钢板的质量进一步的改进。正火温度应保持在870oC作用，保温时间为27分钟。

（二）焊接前准备

1.高强钢材料

高强钢所含合金元素的总量≤5%，屈服强度为（300—450）MPa的船用低合金结构钢，因此其主要的特点是强度较高，加工性、焊接性、综合机械性能都比较好。

2.人员要求

要求参与焊接的工人，必须接受过相关的培训，尤其是要具备有关船级社资格证书以后，才能参与相应等级的高强度钢焊接。

（三）工艺要求

1.切割、装配要求

（1）装配定位焊使用的焊条等材料与焊母材质匹配。

（2）高强度钢在装焊时不能在钢板上引弧或者是电弧闪击，如果出现这种情况，需要注意焊接修补，焊缝补修长度要求大于50mm,然后要注意磨平。

（3）如果使用砂轮进行磨削时，要注意不能将其磨成凹坑。

2.高强度钢使用的焊接材料要求

（1）使用材料之前必须要进行烘焙和保温，按照严格的标准执行，同时要准确记录保温时间。

（2）在领用焊条之后要注意领用4小时的焊接量，随时用随时取，在工作结束之后，要注意将焊条或者是焊丝等材料保存好。

（3）焊接前要注意检查焊缝，尤其是要做好清理工作。

（四）工艺过程

1.如果焊缝比较长，就需要注意采用逐步退焊法焊接，将其分成几个焊段，对策焊接，保证速度的一致性。

2.采用多层多焊道时候，除了打底层，要注意将其他各层的厚度保持在（2—4）mm内。

3.可以注意减慢焊接的速度，加厚打底层焊道，以此防止打底层开裂。

（五）检验

1.注意自检和相互检查。

2.焊接焊缝内部和外部的质量检查需要根据CB/T3802—1997《船体焊缝表面质量检验要求》执行。

结论：目前高技术船舶和海洋工程需要依赖于高端材料以及大量的技术支持，尤其是为了实现我国造船业的可持续发展，需要不断的研发高质量的船舶以及工程用钢，高强度钢的焊接工艺研究，有助于提高钢的强度和韧性等性能，随着工艺的不断发展，将为船舶业带来更多的便利。

参考文献：

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[2]张豪，雷运涛，魏金山.高强度船体结构钢的现状与发展[J].钢结构.2004(02).

[3]张明洋，戴如华，林定一，郭去增，郑子林.海洋工程结构用耐蚀低合金钢的研制[J].机械工程材料.1984(02).