為(wei)了(le)確保船體(ti)的(de)(de)安全性能，日本(ben)船廠除(chu)了(le)強(qiang)化(hua)設計和(he)工藝管理之(zhi)外(wai)，還(huan)嚴格執(zhi)行日本(ben)船級協(xie)會規格和(he)造(zao)船施(shi)工法(fa)標準，而(er)且必須防(fang)止(zhi)因船舶事故、損壞而(er)造(zao)成的(de)(de)環境污染(ran)，故整個社會都關注船體(ti)安全性，即要求船體(ti)結構比原來有(you)更(geng)高(gao)的(de)(de)可靠性。另一方面(mian)，如何提高(gao)現場的(de)(de)生產(chan)率也是大課題，這除(chu)了(le)應改善(shan)與生產(chan)技術相關的(de)(de)硬件和(he)軟件條件之(zhi)外(wai)，還(huan)需變形(xing)少、易加工的(de)(de)鋼材(cai)。為(wei)此，利(li)用(yong)近年煉鋼、軋制(zhi)技術的(de)(de)進步，日本(ben)開(kai)發(fa)了(le)具有(you)高(gao)強(qiang)度可靠性和(he)良(liang)好加工性的(de)(de)高(gao)功能性造(zao)船用(yong)鋼材(cai)，并實現了(le)產(chan)業化(hua)。
1龜裂高停止性鋼板
龜裂高(gao)停(ting)止性(xing)鋼(gang)板(ban)即表面超細(xi)晶粒(li)鋼(gang)板(ban)(簡稱SUF)。在船(chuan)的碰撞、觸礁等“非常(chang)時(shi)刻”，為了避(bi)免船(chuan)體的大規模嚴重(zhong)損壞，船(chuan)板(ban)須具有(you)高(gao)脆性(xing)裂紋停(ting)止性(xing)能，日本海(hai)事協會將之作(zuo)為一個重(zhong)要指標，將具有(you)該性(xing)能的鋼(gang)板(ban)定義(yi)為“高(gao)停(ting)止性(xing)鋼(gang)板(ban)”
通(tong)(tong)常船(chuan)(chuan)舶航運時(shi)，由于龜裂(lie)產生后應(ying)力得到緩和、鋼材(cai)(cai)(cai)對龜裂(lie)有(you)一定停止(zhi)性能(neng)、以(yi)及結構的(de)不(bu)(bu)連(lian)續(如外板和骨架(jia)材(cai)(cai)(cai)的(de)交叉)等因(yin)素的(de)影響，有(you)可能(neng)將焊接缺陷和疲勞龜裂(lie)作為起(qi)點而(er)發生傳(chuan)播(bo)的(de)脆性龜裂(lie)停止(zhi)在造(zao)成致(zhi)命損(sun)壞(huai)之前。然而(er)，從對“非常時(shi)”的(de)滿(man)載(zai)油船(chuan)(chuan)的(de)碰撞狀態解析(xi)可知，被撞船(chuan)(chuan)的(de)側(ce)外板上部遭到破(po)壞(huai)，還損(sun)壞(huai)了(le)內部結構材(cai)(cai)(cai)，同時(shi)在裂(lie)口附近的(de)鋼材(cai)(cai)(cai)產生了(le)最大約10%的(de)塑性應(ying)變。因(yin)此，在“非常時(shi)”往往就(jiu)不(bu)(bu)能(neng)期待鋼材(cai)(cai)(cai)在通(tong)(tong)常情況(kuang)下具有(you)的(de)裂(lie)紋停止(zhi)性能(neng)。
SUF鋼板(ban)(ban)(ban)是在表層到(dao)大(da)約為(wei)板(ban)(ban)(ban)厚1/6的范圍內具有(you)1～2μm超(chao)細(xi)晶(jing)粒鐵素體組織的鋼板(ban)(ban)(ban)，當脆性龜裂傳播時(shi)，鋼板(ban)(ban)(ban)兩面的SUF部(bu)形成(cheng)的剪切唇有(you)停(ting)止(zhi)的效(xiao)果。
日(ri)本(ben)海事(shi)協會將船體(ti)產生應力(li)的(de)狀態分類(lei)為碰(peng)撞(zhuang)、觸礁(jiao)的(de)“非常(chang)(chang)時(shi)”和正常(chang)(chang)情(qing)況下的(de)“通常(chang)(chang)航運時(shi)”，要求在(zai)脆(cui)裂(lie)停止材上的(de)脆(cui)裂(lie)停止特(te)性值(下稱(cheng)Kca)在(zai)“通常(chang)(chang)時(shi)”須(xu)Kca≥4000N/mm1.5，在(zai)“非常(chang)(chang)時(shi)”須(xu)Kca≥6000N/mm1.5。
從將一般船(chuan)體用EH級KE36鋼板和SUF鋼板施(shi)加(jia)5%和10%塑性(xing)應變(bian)后，再(zai)進(jin)行溫度梯度型ESSO(大型斷(duan)裂模(mo)型)試驗的(de)(de)結果(guo)可知，KE36船(chuan)板在(zai)(zai)最低使用溫度-10℃的(de)(de)“非常時”，即使在(zai)(zai)產(chan)生5%較低塑性(xing)應變(bian)條(tiao)件下，其(qi)Kca值(zhi)也降(jiang)至龜裂停止(zhi)性(xing)能(neng)的(de)(de)要求(qiu)值(zhi)以下;反之，即使對SUF鋼板施(shi)加(jia)10%的(de)(de)高塑性(xing)應變(bian)后，其(qi)仍具有充(chong)分高的(de)(de)Kca值(zhi)，即通過此(ci)ESSO試驗，確認SUF鋼板具有在(zai)(zai)“非常時”的(de)(de)裂紋停止(zhi)性(xing)能(neng)。
SUF鋼(gang)板最初用(yong)(yong)于78000m3低溫式液(ye)化石油氣船(chuan)(chuan)(chuan)(LPG)，目標是使其在(zai)(zai)“非常時”不(bu)發生大(da)(da)規模斷裂。為此，在(zai)(zai)覆蓋船(chuan)(chuan)(chuan)載槽罐(Cargotank)整個(ge)(ge)區域的船(chuan)(chuan)(chuan)側外(wai)板上(shang)部(bu)配置了SUF鋼(gang)板。此后(hou)，大(da)(da)量貨(huo)運船(chuan)(chuan)(chuan)和運礦船(chuan)(chuan)(chuan)也(ye)采用(yong)(yong)了SUF鋼(gang)板，使其用(yong)(yong)量在(zai)(zai)增大(da)(da)。另外(wai)，SUF鋼(gang)板不(bu)僅(jin)對(dui)“非常時”，且對(dui)提高在(zai)(zai)低溫海域航行(xing)船(chuan)(chuan)(chuan)舶以(yi)(yi)及低溫貨(huo)運槽罐周邊船(chuan)(chuan)(chuan)體構(gou)造的安全性也(ye)能(neng)提供有效(xiao)保(bao)障。可以(yi)(yi)預期，在(zai)(zai)整個(ge)(ge)社會都關注(zhu)船(chuan)(chuan)(chuan)舶安全性的背(bei)景下(xia)，SUF鋼(gang)板的使用(yong)(yong)范圍將會不(bu)斷擴大(da)(da)。
2高疲勞強度鋼板
高疲(pi)(pi)(pi)勞(lao)強度鋼(gang)(gang)板(ban)即疲(pi)(pi)(pi)勞(lao)裂紋擴(kuo)(kuo)展(zhan)抑制(zhi)鋼(gang)(gang)板(ban)(簡稱(cheng)FCA)。過去，防止疲(pi)(pi)(pi)勞(lao)破壞是遵從在特定部位如何抑制(zhi)產生的(de)(de)(de)變化(hua)應力這一(yi)觀點來進行的(de)(de)(de)。如果焊接部的(de)(de)(de)疲(pi)(pi)(pi)勞(lao)裂紋的(de)(de)(de)發生、擴(kuo)(kuo)展(zhan)特性(xing)與鋼(gang)(gang)材的(de)(de)(de)強度和組織(zhi)無(wu)關，則此(ci)認識是可以接受的(de)(de)(de)。然(ran)而，利用(yong)對鋼(gang)(gang)材的(de)(de)(de)組織(zhi)控制(zhi)，卻能開(kai)發可抑制(zhi)疲(pi)(pi)(pi)勞(lao)裂紋擴(kuo)(kuo)展(zhan)的(de)(de)(de)鋼(gang)(gang)板(ban)，并獲(huo)得更高的(de)(de)(de)疲(pi)(pi)(pi)勞(lao)強度可靠性(xing)。
FCA鋼板的(de)這種擴展抑制(zhi)(zhi)機(ji)理是，由適(shi)當比例構成(cheng)的(de)鐵素體+貝氏體復合組織對(dui)(dui)疲(pi)勞裂紋(wen)(wen)有以下(xia)3種抑制(zhi)(zhi)效果：①相(xiang)邊界對(dui)(dui)裂紋(wen)(wen)擴展速(su)度的(de)抑制(zhi)(zhi)。②交(jiao)變(bian)軟(ruan)化對(dui)(dui)裂紋(wen)(wen)開口(kou)的(de)抑制(zhi)(zhi)。③交(jiao)變(bian)軟(ruan)化預應變(bian)后延性斷(duan)裂抗力(li)下(xia)降的(de)抑制(zhi)(zhi)。
在小型CT試樣上(shang)確(que)認(ren)了(le)FCA鋼(gang)板(ban)的(de)龜(gui)裂(lie)(lie)擴展速度為原(yuan)來鋼(gang)板(ban)的(de)大(da)約(yue)1/2以下。為了(le)確(que)認(ren)實際鋼(gang)結(jie)(jie)構的(de)疲(pi)勞(lao)壽命(ming)(ming)提高的(de)效(xiao)果(guo)，進(jin)行了(le)模擬(ni)船體結(jie)(jie)構模型疲(pi)勞(lao)試驗(yan)。從結(jie)(jie)果(guo)可(ke)知：從使用FCA鋼(gang)板(ban)模型加強(qiang)板(ban)轉角(jiao)焊接(jie)部(bu)產生(sheng)的(de)疲(pi)勞(lao)龜(gui)裂(lie)(lie)到(dao)表面(mian)斷裂(lie)(lie)的(de)壽命(ming)(ming)約(yue)為原(yuan)來鋼(gang)板(ban)的(de)2倍，這說明即使是在結(jie)(jie)構體上(shang)，也有顯著的(de)疲(pi)勞(lao)壽命(ming)(ming)提高效(xiao)果(guo)。
FCA鋼(gang)板(ban)最初是用(yong)作LPG船的(de)(de)(de)雙層底面材，其(qi)目的(de)(de)(de)是為(wei)了提高全(quan)(quan)長貫通焊縫(feng)部(bu)的(de)(de)(de)疲(pi)(pi)勞壽命(ming)(ming)。從FCA鋼(gang)板(ban)和原來(lai)鋼(gang)板(ban)的(de)(de)(de)疲(pi)(pi)勞龜裂(lie)擴展解(jie)析結果(guo)可知，使用(yong)FCA鋼(gang)板(ban)的(de)(de)(de)疲(pi)(pi)勞壽命(ming)(ming)大約為(wei)使用(yong)原來(lai)鋼(gang)板(ban)的(de)(de)(de)2.5倍。防(fang)止疲(pi)(pi)勞斷裂(lie)是確保結構安全(quan)(quan)性(xing)的(de)(de)(de)重要(yao)技(ji)術，還可因此而降低(di)維修(xiu)費用(yong)，今后FCA類高疲(pi)(pi)勞強度鋼(gang)板(ban)在造船工程(cheng)中(zhong)的(de)(de)(de)重要(yao)性(xing)將更(geng)加凸顯出(chu)來(lai)。
3熱變形抑制鋼板(ban)
熱變形抑制(zhi)鋼(gang)板即殘余應力控制(zhi)鋼(gang)板。在包括造船的鋼(gang)結構制(zhi)作過程(cheng)中，難以避免因(yin)切割(ge)和(he)焊(han)接輸入熱量而引起的鋼(gang)板變形，從而降低(di)了施工(gong)效率并增加矯正工(gong)時數，這是與高精度(du)(du)組裝(zhuang)部件以及提高切割(ge)(焊(han)接)精度(du)(du)等機械(xie)化、自(zi)動化的現場(chang)作業目標(biao)與發(fa)展方向背道而馳的。
造成切(qie)割和(he)(he)(he)(he)焊接時(shi)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)材(cai)變形的(de)(de)(de)原(yuan)因(yin)是(shi)輸入熱(re)(re)量及(ji)其(qi)波動(dong)、鋼(gang)(gang)(gang)(gang)材(cai)軋(ya)后(hou)(hou)形狀(zhuang)不(bu)(bu)良(liang)以及(ji)內部的(de)(de)(de)殘(can)余(yu)應(ying)力(li)等。特別(bie)是(shi)因(yin)不(bu)(bu)均(jun)勻的(de)(de)(de)殘(can)余(yu)應(ying)力(li)難以預測，故設法(fa)將(jiang)之降低就(jiu)更為(wei)必要。為(wei)此，在原(yuan)TM-CP(即(ji)控(kong)軋(ya)控(kong)冷)工(gong)藝技術的(de)(de)(de)基礎上，開發了系統的(de)(de)(de)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)材(cai)形狀(zhuang)和(he)(he)(he)(he)殘(can)余(yu)應(ying)力(li)控(kong)制(zhi)(zhi)技術。一方面在鋼(gang)(gang)(gang)(gang)坯加(jia)熱(re)(re)、軋(ya)制(zhi)(zhi)及(ji)軋(ya)后(hou)(hou)快冷過程中抑制(zhi)(zhi)平直(zhi)度(du)不(bu)(bu)良(liang)和(he)(he)(he)(he)殘(can)余(yu)應(ying)力(li)的(de)(de)(de)產生，同時(shi)利用(yong)在線的(de)(de)(de)殘(can)余(yu)應(ying)力(li)預測技術評價，判定鋼(gang)(gang)(gang)(gang)材(cai)及(ji)其(qi)切(qie)割后(hou)(hou)的(de)(de)(de)形狀(zhuang)，從而實(shi)現了高精度(du)殘(can)余(yu)應(ying)力(li)控(kong)制(zhi)(zhi)，并將(jiang)之作為(wei)解決軋(ya)后(hou)(hou)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)材(cai)形狀(zhuang)不(bu)(bu)良(liang)和(he)(he)(he)(he)殘(can)余(yu)應(ying)力(li)不(bu)(bu)均(jun)勻的(de)(de)(de)有效手段。
采用(yong)(yong)以(yi)上技(ji)術(shu)生產的(de)(de)殘余應(ying)力(li)控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)鋼板(ban)(ban)(ban)能用(yong)(yong)于(yu)(yu)船殼部(bu)位。在組(zu)裝船的(de)(de)雙層外殼的(de)(de)平(ping)行底座(尺寸為寬12m×長20m×高(gao)(gao)3m)、焊接縱梁及(ji)面板(ban)(ban)(ban)時，檢測了(le)不同鋼板(ban)(ban)(ban)的(de)(de)制(zhi)(zhi)(zhi)作(zuo)誤(wu)差和作(zuo)業時間。結果表明，使用(yong)(yong)殘余應(ying)力(li)控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)鋼板(ban)(ban)(ban)的(de)(de)縱梁間隙都(dou)控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)在允許的(de)(de)誤(wu)差范(fan)圍以(yi)內(nei);反(fan)之，使用(yong)(yong)原來鋼板(ban)(ban)(ban)誤(wu)差常(chang)超過(guo)允許范(fan)圍。由于(yu)(yu)前(qian)者(zhe)可(ke)以(yi)不經調整而(er)施(shi)工，故較(jiao)之后者(zhe)可(ke)大(da)幅節(jie)省工時，提(ti)高(gao)(gao)了(le)施(shi)工效率。
4提高(gao)安全性的課(ke)題
為了確保船(chuan)(chuan)(chuan)體(ti)(ti)的(de)安(an)全性(xing)，并隨壽(shou)命的(de)延長(chang)(chang)而降(jiang)低(di)壽(shou)命周期費用，如何抑制船(chuan)(chuan)(chuan)體(ti)(ti)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)是關鍵。日本造船(chuan)(chuan)(chuan)協會實際(ji)調查(cha)了船(chuan)(chuan)(chuan)載油罐(guan)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)狀(zhuang)況，在(zai)查(cha)明腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)原因及(ji)機理的(de)基(ji)礎上，所(suo)開發的(de)耐(nai)蝕(shi)(shi)船(chuan)(chuan)(chuan)板(ban)(ban)不僅(jin)可抑制底板(ban)(ban)的(de)點(dian)蝕(shi)(shi)和(he)(he)上甲板(ban)(ban)內(nei)面的(de)倉(cang)面腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)，且具有與原來的(de)TMCP型船(chuan)(chuan)(chuan)板(ban)(ban)同等(deng)的(de)焊接性(xing)與加工性(xing)。這(zhe)種(zhong)鋼板(ban)(ban)正在(zai)不斷用于(yu)油船(chuan)(chuan)(chuan)的(de)建造中，已經開始(shi)顯示出延遲腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)、延長(chang)(chang)壽(shou)命和(he)(he)防止損壞事故發生(而污染海洋環(huan)境(jing))的(de)效(xiao)果(guo)。
另一方面，大型集裝箱的上甲板縱貫梁材采用了厚70～80mm的YP390N/mm2級高強度鋼板。近有研究報告指出，超厚板的脆性龜裂傳播試驗表明，在最低航運溫度(-10℃)和一定應力條件下，無論是在大熱量輸入焊縫還是母材上，要停止脆性龜裂都是困難的。因此，如何確保超厚鋼板焊縫韌性、母材的脆裂停止性、檢測和排除焊接缺陷，從而確保此超厚板結構的可靠性是重要課題。作為解決這些問題之一例，是開發了大熱量輸入焊接用YP460N/mm2級高強度鋼板。