神奇!这种材料可以让裂缝不再蔓延

subtitle 了不起的中国制造01-11 06:53 跟贴 489 条
为了解决大型集装箱船开裂的问题,人类发明了止裂钢。

出品 | 网易新闻

作者 | 一闻,钢铁行业研究人员

还记得《冰河世纪》中那只小松鼠引起的冰川开裂吗?为了藏松果,小松鼠将松果砸向了冰面,结果引起了裂缝不断蔓延,最终导致冰川分裂崩塌。这也解释了为什么裂缝蔓延的声音让人害怕,令人毛骨悚然。

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现实中,由高强、特厚钢板焊接而成的超大型集装箱船,因受力状态复杂,也可能出现裂缝,一旦裂缝蔓延,将会直接导致船解体,面临的将是船毁人亡的惨剧。

这个问题可是很严重的,怎么办呢?为了解决大型集装箱船开裂的问题,人类发明了止裂钢。

(一)集装箱船大型化带来对止裂钢的需求

全球贸易的发展,推动了海上货物运输量的不断增加,为追求更高的船舶运输效率,集装箱船不断向大型化和超大型化发展。

从20世纪60年代中期第一代集装箱船建造开始,仅仅经过50年的发展,集装箱船已经从最初的几百TEU(装箱运量统计单位,以长20英尺的集装箱为标准)发展到如今的20000TEU以上,并且有望向30000TEU的超级集装箱船发展。

(集装箱船50年演变历史)

超大型集装箱船的出现不仅给市场、建造、环保、港口建设等方面都带来了巨大的机遇与挑战,而且对造船材料带来了挑战。为此,集装箱运输船船体普遍采用高强度和大厚度钢板。高强度和大厚度钢板在满足性能要求的同时,使得钢板受力状态由平面应力状态转为平面应变状态,材料的抗开裂性能下降。

材料脆性断裂曾导致大型集装箱船出现多次事故。2013年6月,日本建造的8000TEU级集装箱船“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。2014年1月,NSB Niederelbe旗下的5000TEU级集装箱船“MSC Monterey”号,在从安特卫普驶往纽瓦克的途中,由于船体开裂而造成事故。

(“MOL Comfort”号集装箱船船体断裂后沉没)

针对大型集装箱船结构安全问题,2011年初,国际船级社协会成立工作组制定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,钢板厚度在50-100mm范围、屈服强度为55/390/460MPa三个等级的集装箱船舱口围侧面结构和甲板,必须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。止裂指标为一10℃下止裂韧性值Kca≥6 000 N/mm3/2或等效的止裂性能。

为此,法国船级社(BV)﹑日本船级社(NK)﹑挪威船级社(DNV)以及意大利船级社(RINA)等机构在新发布的船级社规定中都增加了船用止裂钢相关品种的补充规定。

(各船级社新增的集装箱船止裂钢品种)

(二)独具特色的止裂钢生产工艺

所谓止裂钢,就是自身具有阻止裂纹高速扩展能力的钢材。

当构件存在潜在的缺陷或裂纹时,止裂钢在受到动载及冲击载荷作用的情况下,能在小范围内阻止裂纹的扩展,防止重大事故的发生。

(EH47级钢板)

止裂钢的止裂金属微观原理是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形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10mm,从而使钢材得到良好止裂性。

(止裂钢止裂性能要求)

由于止裂钢主要应用于超大型集装箱船的舱口围顶板、腹板、上甲板、舷顶列板以及抗扭箱的纵骨、抗扭箱甲板等整船受力和经受交变载荷强度最大的位置,因此要求钢板具有高强度、高的低温韧性、高应变性、高止裂性以及良好的焊接性能和加工性等。

按强度止裂钢可分为36kg、40kg级别的高强度钢和47kg级超高强度钢,按质量可分为DH36/EH36/FH36、DH40/EH40/FH40、DH/EH/FH47三个钢级。

为保证性能,钢中一般添加镍、铬、铌、钛、钒等合金元素,且要求硫、磷等有害元素含量在万分之二以下。

(止裂钢化学成分要求)

从当今国际上止裂钢的生产上看,普遍采用低碳含量(低碳当量)、微合金化的生产工艺。低碳含量有利于塑韧性和焊接性的提高,而微合金元素的加入不但能够起到提高强度、补偿降低碳含量所带来的强度损失,同时能够提高止裂钢的力学性能、止裂性能、工艺性能、焊接性能及厚度方向性能等要求。

从生产工艺路线来说,高级别止裂钢的生产工艺路线一般为:铁水预处理→转炉冶炼→炉外精炼(RH+LF,Ca处理)→连铸→板坯再加热→控制轧制→控制冷却。

转炉冶炼采用低碳、超低硫、夹杂物形态控制的纯净钢冶炼技术;铁水经转炉冶炼后,再进行RH、LF炉外精炼,进一步提高钢水质量,然后浇铸成连铸板坯;为实现晶粒细化和细晶强化,热轧采用TMCP(控制轧制和控制冷却)技术,采用两阶段的控制轧制,并充分保证再结晶区的变形量;轧制后采用加速冷却,保证变形后相变组织以得到多边形铁素体+针状铁素体为主。

(第三代控制轧制和控制冷却技术)

(三)国产止裂钢仅有5年历史,却已比肩国际先进水平

止裂钢属于船舶用钢中的高精尖产品,技术要求高,生产难度大。此前,只有日本和韩国的钢铁企业能够生产。近年来,面对市场需求,国内钢铁企业加大此产品的研发力度。

中国钢铁企业在止裂钢方面的研发生产起步于2013年,当年进入科研开发阶段。虽然仅有5年历史,但凭借先进的装备和工艺技术,国产止裂钢作为后起之秀,迅速在国际钢铁市场占有了一席之地。

面对国外已有的专利技术壁垒,中国钢铁企业针对超大型集装箱船用止裂钢板开展了系列技术攻关,创新性的提出了基于控制轧制和控制冷却新工艺的“多相﹑多尺度”组织调控理论及实现高止裂性能的冶金学原理,形成了高精度超宽厚板轧制控制、高等级表面质量等一系列核心技术,持续优化化学成分设计、轧制、矫直及冷却工艺,通过多相组织配比调控,获得了具有高强塑性﹑低屈强比﹑高止裂性和易焊接性钢板。

(中国5000mm超宽厚板轧机)

2015年,国内钢铁企业首次开发出最大厚度为90毫米的止裂钢并顺利通过船级社认证;2016年,国产止裂钢首次应用于大型造船厂,首批供货量4000吨。

目前,中国止裂钢已形成了从A-EH47全系列﹑全规格覆盖,并突破特厚超宽高止裂性钢板的生产工艺极限,开发出最大厚度90mm﹑最大宽度4300mm,最大Kca≥12000N/mm3/2的EH40BCA﹑EH47BCA高止裂性钢板,达到国际领先水平。

此外,公开数据表明,国产80mm及以下规格止裂钢的止裂性指标Kca达到9000N/mm3/2以上,YP40钢种的止裂性指标Kca达到10000N/mm3/2以上,远超日韩钢企指标。

凭借品种规格全覆盖、止裂性与焊接性能优异、实物质量稳定等优势,中国止裂钢已成功应用于国产最大20000TEU超大型集装箱船和在建的9艘世界最大22000TEU超大型集装箱船。

(国产最大20000TEU级集装箱船使用的是国产止裂钢)

目前,中国拥有自主知识产权的《船用超高强度止裂钢板》国家标准已进入征求意见阶段,即将发布。它将填补国内标准空白,进一步促进中国大型集装箱船用止裂钢实物质量稳定提高和达到国际先进水平,推动企业技术进步,为中国钢铁企业加入国际止裂钢市场竞争创造更有力的条件。

结语

随着集装箱船日趋大型化,未来对船用止裂钢的需求量会进一步加大,性能要求也会不断提高。尽管国内钢铁企业已成功开发此类产品,但还不能完全满足市场需求,性能水平与国际顶级水平相比也还有差距。相信未来随着中国造船工业的不断提升,止裂钢的研发生产会再进一步,真正立于世界之巅。

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编辑| 史文慧

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