英文
low alloy steel for shipbuilding
简介
是指用于建造船舶的低合金高强度钢，它和船用碳素钢一起统称为船体钢。低合金船体钢不仅可用于建造内河、近海和无限航区的各类船舶，而且也广泛用于海洋开发的各个领域，如海上石油钻井平台、海洋建筑和码头设施、低温液化石油气的储运装备等。
简史 19世纪初，就已开始采用中碳结构钢建造民用船舶和战舰。为了提高钢的强度和改善耐海水腐蚀性，陆续有以硅、铬和镍等元素合金化的早期低合金高强度钢用于造船。自焊接技术取代铆接应用于造船之后，造船用钢的成分设计发生了重大的变革。为改善钢的焊接性，逐渐降低了钢中碳含量，并以少量多元复合合金化淘汰了单一元素的合金化方式。第二次世界大战期间，多艘“自由”轮断裂的海难事件，引起了人们对造船用钢的低温抗断裂性能的关注，从而在60年代以来，造船用钢向适用于大线能量焊接和良好的低温韧性方向发展，保证了民用船舶和军用舰艇在服役条件下的安全运行。中国从1957年开始以St52钢为基础，研制第一批低合金高强度钢16Mn(屈服强度345MPa级)和15MnTi(屈服强度395MPa级)，造船业也是最早采用低合金钢的部门之一，1957年自行设计并建造了我国第一艘万吨轮“东风”号。60年代又研制了铬镍铜系和钒钛稀土系成分的高强度钢用于建造“朝阳”、“向阳”、“红旗”号等多艘远洋货轮和多种型号的军用舰艇。随着海洋开发事业的进展，在70年代末，我国又研制了海上油气钻采平台用钢和耐海水腐蚀钢。80年代中国造船业和远洋运输业的蓬勃发展，以此为契机推动了中国造船用钢的生产和船舶用材规范向国际统一规范靠拢。
技术要求 对低合金船体钢的技术要求主要是较高的屈服强度，以及适中的屈强比;较高的韧性，在低温下具有良好的抗脆断能力、良好的焊接性，保证焊缝和热影响区的强韧性;良好的冷、热加工成形性;一定的耐海洋大气和海水腐蚀能力;用于舰艇制造时还要符合抗爆炸裂纹扩展敏感性的要求。
分类 根据用途不同低合金船体钢可分为高强度造船用钢、舰船壳体用钢和液化气运输船用钢。
(1)高强度造船用钢。在各国船级社规范中，按屈服强度通常在265～395MPa之间2个或3个等级，每一级按冲击韧性的要求，又分为A、D、E 3个档次。国际船级社联合会(IACS)于1994年修订了高强度船用钢规范，其化学成分列于表1。表中列入的315、355和390MPa 3个屈服强度级别，均为经过细化晶粒处理的镇静钢，允许钢中添加少量铌、钒、钛等微合金化元素，进行微合金化处理，且满足Nb%+V%+Ti%≤0.12%;若采用热机械处理轧制(TMCP)，允许化学成分有所调整;按
(%)计算的碳当量不大于0.4%;其力学性能列入表2，表中规定A、D、E、F 4个档次在0、-20、-40和-60℃的夏氏试样低温冲击功均高于一般强度船用钢。各国船级社从1994年起相继按IACS的要求纳入了各自的规范。中国船级社也于1996年将有关内容纳入了《钢制海船八级与建造规范》中。
表1 高强度造船用钢化学成分
| 等 级 |
A32 D32 E32 |
A36 D36 E36 |
A40 D40 E40 |
F32 | F36 | F40 | |
|
化 学 成 分 / % |
C | ≤0.18 | ≤0.16 | ||||
| Mn | 0.90～1.60 | 0.90～1.60 | |||||
| Si | ≤0.50 | ≤0.50 | |||||
| S | ≤0.035 | ≤0.025 | |||||
| P | ≤0.035 | ≤0.025 | |||||
| Al(酸溶) | ≥0.015 | ≥0.015 | |||||
| Nb | 0.02～0.05 | 0.02～0.05 | |||||
| V | 0.05～0.10 | 0.05～0.10 | |||||
| Ti | ≤0.02 | ≤0.02 | |||||
| Cu | ≤0.35 | ≤0.35 | |||||
| Cr | ≤0.20 | ≤0.20 | |||||
| Ni | ≤0.40 | ≤0.80 | |||||
| Mo | ≤0.08 | ≤0.08 | |||||
| N | – |
≤0.009(如含铝时， ≤0.012) |
|||||
表2 高强度造船用钢的力学性能
| 等级 |
屈服强度 σs/MPa |
抗拉强度 σb/MPa |
伸长率δ10 =5.65  /% |
冲击试验 | ||||||
|
试验 温度 /℃ |
平均冲击能量/J | |||||||||
| t≤50mm |
50mm|
70mm | | ||||||||
| 纵向 | 横向 | 纵向 | 横向 | 纵向 | 横向 | |||||
| A32 | ≥315 | 440～590 | ≥22 | 0 | ≥31 | ≥22 | ≥38 | ≥26 | ≥46 | ≥31 |
| D32 | —20 | |||||||||
| E32 | —40 | |||||||||
| F32 | —60 | 不适用 | ||||||||
| A36 | ≥355 | 490～620 | ≥21 | 0 | ≥34 | ≥24 | ≥41 | ≥27 | ≥50 | ≥34 |
| D36 | —20 | |||||||||
| E36 | —40 | |||||||||
| F36 | —60 | 不适用 | ||||||||
| A40 | ≥390 | 510～650 | ≥20 | 0 | ≥41 | ≥27 | ||||
| D40 | —20 | |||||||||
| E40 | —40 | |||||||||
| F40 | —60 | |||||||||
(2)舰船壳体用钢。自第二次世界大战以来，各国海军水面舰船一直沿用碳素钢和高强度钢作壳体材料，80年代后又开发了一系列微合金化、更高强度级别的适用钢种。传统的壳体用钢质量趋于优化，主要反映在纯净化、细晶化和均匀化等方面。近10年钢中杂质元素的含量已能控制在相当低的范围(%)：
| P | S | N | O | H |
| ≤0.005% | ≤0.002% | ≤0.003% | 5×10-6 | 0.2×10-6 |
根据产品设计性能的需要，可采用铁水预处理、三脱技术、炉外精炼等措施达到高纯度，一般规定钢中全铝含量不得低于0.015%。成分优化的另一重要标志是钢中添加微量碳氮化物形成元素的处理技术，钢中的Nb、Ti≤0.02%。控制轧制、控轧冷却工艺生产的微合金钢在舰船方面的应用先于民用船舶，至今仍在开发低碳(C≤0.10%)和超低碳(C≤0.02%)的舰船壳体用钢。此外美国率先把含铜沉淀硬化型的高强度钢列入军品材料，80年代末美国海军又把4种舰船结构用厚板纳入研究计划(如表3所示)，代表了今后海军水面舰艇壳体用钢的发展趋势。
表3 列入美国海军研究计划的四种舰船结构用厚板钢种
| 钢 类 | 状 态 |
屈服强度 σ0.2 /MPa |
抗拉强度 σb /MPa |
伸长率 δ5 /% |
面缩率 /% |
冲击吸收功 Cv/J |
动态撕裂吸收功 CDT/J |
|||
| 常温 | -51℃ | -84℃ | 常温 | -17.8C | ||||||
|
V-Nb ≤18mm |
控制 轧制 |
519 536 |
717 726 |
27 25 |
70 59 |
117.6 47.4 |
6.71 |
364.5 325.3 |
135.5 81.3 |
|
|
Ni-Cu-Nb 12～25mm |
淬火+ 时效 |
575 570 |
653 673 |
30 30 |
76 77 |
271.4 244.0 |
271.4 215.6 |
135.5 145.0 |
2702.8 2065.8 |
2706.7 2089.1 |
|
Mn-Mo-Nb 12～25mm |
淬火+ 回火 |
496 47g |
598 594 |
33 32 |
77 74 |
291.0 215.6 |
231.2 178.3 |
200.9 113.6 |
2316.7 1821.8 |
2451.9 1203.4 |
|
Ni-(Cr)-Mo ≤25mm |
淬火+ 回火 |
456 456 |
564 567 |
33 32 |
80 78 |
294.0 185.6 |
215.6 186.2 |
247.9 173.4 |
2228.5 1733.6 |
2221.6 1246.5 |
潜艇耐压壳体用钢，在水下航行时潜艇(包括深潜器和水下作业船)耐压壳体承受负载，下潜深度越大，壳体承受的外压也越大，随着潜艇排水量和工作深度增加，就需加大钢板的厚度、提高钢材的强度级别。各国这类钢均已形成系列，其强度范围、化学成分和生产工艺大致相同。主要合金元素为镍、铬、钼，添加硼为提高厚板的淬透性，加入钒为改善钢的抗回火稳定性能。一般采用电炉冶炼和炉外精炼，在淬火加高温回火(调质处理)状态下使用。美国多采用HY-80、HY-100，英国为QT-35、QT-42和Q(N)，日本为NS46和NS63、NS80、NS90法国选用Marrell-80，前苏联常用AK25和AK27钢。通用的HY系列的耐压壳体用钢的化学成分列于表4，其中HY-130钢镍含量达5%，具有优越的断裂韧性，用以建造下潜深度大于300m的常规潜艇和核动力潜艇。
表4 HY系列耐压壳体用钢化学成分(%)
| 牌号 | 状态 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | Mo | Cu | Nb | V | Ti |
| Hy-80 |
淬火+ 回火 |
≤0.18 |
0.15～ 0.35 |
0.1～ 0.4 |
≤0.025 | ≤0.025 |
1.0～ 1.8 |
2.0～ 3.25 |
0.2～ 0.6 |
≤0.36 | – | ≤0.03 | |
| Hy-100 |
淬火+ 回火 |
0.12～ 0.20 |
0.15～ 0.35 |
0.1～ 0.4 |
≤0.025 | ≤0.025 |
1.0～ 1.8 |
2.25～ 3.50 |
0.2～ 0.6 |
≤0.25 | – | ≤0.03 | ≤1.02 |
| Hy-130 |
淬火+ 回火 |
≤0.12 |
0.2～ 0.35 |
0.6～ 0.9 |
≤0.010 | ≤0.010 |
0.4～ 0.7 |
4.75～ 5.25 |
0.3～ 0.65 |
≤0.25 | – |
0.05～ 0.10 |
≤1.02 |
(3)海洋钻采平台用钢。平台用钢绝大部分沿用各级强度的造船用钢，这类结构必须经受住大型结构和自重所产生的巨大应力，还要对付苛刻环境(如风浪，碰撞)因素的影响。使用条件最为苛刻的是平台结构的节点用材，要求很好的抗层状撕裂性能，这种材料称为Z向钢。钢的强度级别一般在σ0.2≤345MPa以下，主要是保证结构的刚性和较小的年腐蚀率。这种钢必须采取严格的高纯净化冶炼工艺，大幅度降低钢中的硫含量和氢含量，以提高焊接时抗层状撕裂的能力。主要牌号有CX522E、HT、JUMI-Z、KZT500和NK-Z钢，抗层状撕裂敏感性主要用Z向(钢板厚度方向)拉伸试验的断面收缩率来评定。
(4)码头和海洋建筑用耐海水腐蚀钢。此类材料类似于上述的平台钢，如钢桩用材，在海洋大气、飞溅带、潮差区、全浸区和海底土壤区的腐蚀行为和破坏形式是各不相同的，以飞溅带的腐蚀最为严重。一般结构用耐海水腐蚀钢主要有美国镍-磷-铜成分的Mariner系和法国铜-铝-钼成分的APS系钢种。焊接结构用耐海水腐蚀钢的化学成分接近于造船用钢，主要有日本新日铁的Mariloy系和川崎的Mariwel系钢种。国外耐海水腐蚀钢代表牌号见表5。
表5 国外耐海水腐蚀钢代表牌号
| 商品名 | 生产厂 |
适用厚 度/mm |
化学成分/% |
屈服点(最 小)/MPa |
主要用途 | |||||||
| C | Si | Mn | P | S | Cu | Cr | 其他 | |||||
| Mariner |
美国钢 铁公司 |
– | ≤0.22 | ≤0.10 |
0.60～ 0.90 |
0.080 0.150 |
≤0.040 | ≥0.50 | – | Ni0.40～0.65 | 355 | 钢板桩 |
| Taicor M50 |
日本神 户制钢 |
6～ 50 |
≤0.15 | ≤0.55 |
1.0～ 2.0 |
≤0.040 | ≤0.040 | ≤0.40 | ≤0.50 | Mo<0.20 | 335～365 |
要求飞溅带耐蚀 的结构 |
| CR4A-50 |
日本 住友 金属 |
6～ 12.7 |
≤0.15 | ≤0.55 | ≤1.20 |
0.070～ 0.150 |
≤0.040 | ≥0.20 |
0.30～ 0.80 |
有加Ni，Nb，V的 | 355 | 钢管桩 |
| CR4B-50 | 12.7～ | ≤0.15 | ≤0.55 | ≤1.50 | ≤0.040 | ≤0.040 | ≥0.20 |
0.80～ 1.50 |
有加Ni，Nb，V的 | 355 | 钢管桩 | |
|
6～ 32 |
≤0.15 | ≤0.55 | ≤1.50 | ≤0.040 | ≤0.040 | ≥0.20 |
0.80～ 1.50 |
(Nb+V)≤0.15 |
315～ 325 |
海中结构，要求 焊接性者 |
||
| 2Cr-0.2Mo | ≤0.08 |
0.35～ 0.75 |
0.40～ 1.20 |
≤0.030 | ≤0.030 | ≤0.40 |
1.90～ 2.40 |
Mo≤0.30，Al≤1 | 295 |
海水冷却传热器 用 |
||
| Mariloy P50 |
新日本 制铁 |
6～ 25 |
≤0.14 | ≤1.00 | ≤1.50 | ≤0.030 | ≤0.030 |
0.15～ 0.40 |
0.30～ 0.80 |
– |
315～ 325 |
系船柱等(飞溅带 与全浸带耐蚀) |
| Mariloy S41 |
3.2～ 32 |
≤0.14 | ≤0.55 | ≤1.50 | ≤0.030 | ≤0.030 | – |
0.80～ 1.30 |
– |
235～ 245 |
上、下水管，海中 结构 (要求全浸带耐 蚀者) |
|
| Mariloy S50 |
6～ 25 |
≤0.14 | ≤0.55 | ≤1.50 | ≤0.030 | ≤0.030 | – |
0.80～ 1.30 |
Nb≤0.10 |
315～ 325 |
||
| Mariloy G41 |
3.2～ 32 |
≤0.14 | ≤0.55 | ≤1.50 | ≤0.030 | ≤0.030 |
0.15～ 0.40 |
0.80～ 1.30 |
Mo≤0.30 |
235～ 245 |
飞溅带与全浸带 均耐蚀 |
|
| Mariloy G50 |
6～ 25 |
≤0.14 | ≤1.00 | ≤1.50 | ≤0.030 | ≤0.030 |
0.15～ 1.40 |
0.80～ 1.30 |
Mo≤0.30 |
315～ 325 |
||
| Mariloy T50 |
6～ 25 |
≤0.10 | ≤1.00 | ≤0.50 | ≤0.030 | ≤0.030 |
0.15～ 0.40 |
1.70～ 2.20 |
Mo≤0.30 | 235 |
输油管(要求高耐 蚀性者) |
|
续表 5
| 商品名 | 生产厂 |
适用厚 度/mm |
化学成分/% |
屈服点(最 小)/MPa |
主要用途 | |||||||
| C | Si | Mn | P | S | Cu | Cr | 其他 | |||||
| NKマリンG |
日本 钢管 |
6～ 20 |
≤0.20 | ≤0.55 | ≤0.90 |
0.070～ 0.150 |
≤0.040 |
0.20～ 0.60 |
0.20～ 0.80 |
必要时加Ni | 355 | 钢管桩、钢板桩 |
| NKマリン50 |
3.2～ 60 |
≤0.15 | ≤0.55 | ≤1.50 | ≤0.030 | ≤0.030 |
0.20～ 0.50 |
0.50～ 0.80 |
Al0.15～0.55， Nb≤0.4， Nb或V≤0.10 |
315～ 365 |
飞溅带、全浸带 均耐蚀 |
|
| Nep—Ten50 |
日本 三菱 制钢 |
3.2～ 40 |
≤0.13 | ≤0.50 | ≤0.60 |
0.080～ 0.150 |
≤0.030 |
0.60～ 1.50 |
0.50～ 3.0 |
Al0.50～1.50 | 355 |
飞溅带、全浸带 均耐蚀 |
| Nep—Ten60 |
3.2～ 40 |
≤0.18 | ≤0.50 | ≤0.60 |
0.080～ 0.150 |
≤0.030 |
0.60～ 1.50 |
0.50～ 3.0 |
Al0.50～1.50 | 390 | ||
| APS 20A |
法国 Pompey |
– | ≤0.13 | ≤0.50 | ≤0.50 | ≤0.030 | ≤0.025 | – |
3.9～ 4.3 |
Al0.7～1.1 | 295 | 甩于海水中 |
(5)液化气运输船用钢。天然气、氨等低温液化气储罐和运输船，以及极寒海域的破冰船用钢，都要求很好的低温韧性，主要通过调整合金成分、提高纯净度、提高组织均匀性和热处理等途径来改善钢的低温韧性，在服役条件下承受外载时不发生脆性破坏，优良的焊接性也是重要的技术要求之一。这类钢通常采用镍系低温钢，各国低温钢规范及其最低使用温度见表6，以9%Ni的钢韧性最高，在调质状态下，可满足天然气和液化气的运输和储存的技术要求，它比镍-铬奥氏体不锈钢的强度高得多，可用于制造薄壁轻型结构。
表6 铁素体低温韧性钢及其最低使用温度规范
| 钢 种 |
德 国 (DLN 17208) |
法 国 (NFA 36) |
英 国 (BS 1501) |
美 国 舰 艇 局 |
美 国 船级社 |
挪 威 船级社 |
德国劳埃 德船级社 |
最低使用 温 度/℃ |
| 11MnNi53 | 11MnNi53 | 208/0.5Ni | – | – | 0.5NiA | NV 2-4 | St0.5Ni一型 | -60 |
| 13MnNi63 | 13MnNi63 | – | – |
相近等级 VO 51和VO 62 |
0.5NiB | NV4-4 | St0.5Ni二型 | -60 |
| 10Ni14 | 10Ni14 | 208/3.5Ni | 503 |
ASTM A203D级 ASTM A203E级 |
3.5Ni | NV 20-0 | St3.5Ni | -105 |
| 12Ni9 | 12Ni19 | 208/5Ni | – | – | 5.0Ni | NV 20-1 | St5Ni | -120 |
| X8Ni9 | X8Ni9 | 208/9Ni | 509 |
ASTM A353 ASTM A553 |
9.0Ni | NV 20-2 | St9Ni | -200 |