引言

第一代集裝箱船的建造始于20世紀60年代中期，經過半個世紀的發展，集裝箱船已經從最初的幾百箱發展到如今的20000標準箱以上的超大型集裝箱船。隨著科技的進步，不僅是集裝箱船的載重量的增加，在船體設計、結構建造、控制系統等諸多方面得到了快速的發展。2006 年馬士基“Emma Maersk”號集裝箱船的建成及運行標志著萬箱級的集裝箱船時代已經到來。

馬士基“Emma Maersk”號集裝箱船

集裝箱船的快速發展主要源于經濟的發展及環保的需求。經濟的發展促進了全球貿易，對集裝箱船的需求也隨之增加。同時，綠色建造、綠色運營的理念在集裝箱船中得到充分體現，由于超大型集裝箱船的燃油效率提升及運行成本、建造成本的降低，10000標準箱以上的超大型集裝箱船已經成為主流，在2015年已經開始了20000標準箱以上的集裝箱船的建造，并且在未來有望向30000標準箱的超級集裝箱船發展。

超大型集裝箱的建造及運行給市場、建造、環保、港口建設等都帶來了巨大的機遇與挑戰。其中一個重要的挑戰就是超大型集裝箱船建造用材料的選擇。由于結構大型化改變了船體結構的受力狀態，導致船體結構中的艙口圍頂板、腹板及上甲板邊板、舷頂列板和某些局部區域（艙口角隅）處于較高應力水平，從而要求船體結構具有較高的強度和剛度。為了解決上述問題，可以通過增加鋼板厚度或采用更高強度鋼板。目前，10000TEU以上的集裝箱船的設計和建造普遍采用高強度超厚板，在設計和建造上已開始采用屈服強度為40、47公斤級、最大設計厚度達到80mm以上的高強鋼超厚板。

另一個壓力來自于船舶的安全性。高強鋼超厚板的使用給船體結構的安全可靠性帶來了隱患：高強鋼會使結構的安全富裕度下降；板厚規格的增大，導致焊縫初始缺陷存在幾率增大；更為重要的是會使構件的應力狀態從平面應力狀態轉變為平面應變狀態，導致船體結構發生低應力脆性斷裂的幾率大大增加。因此，必須采取相應的防脆斷措施以保證大型集裝箱船體結構的安全可靠性。為保證船體結構的安全可靠，防止脆性斷裂破壞的發生，在船體結構設計中一般采用防開裂設計方法和止裂設計方法。目前，焊縫錯位并利用基體鋼板止裂可以避免開止裂孔、開止裂孔并在內部填充高韌性焊材兩種設計方法的不足，但需要基體鋼板具有足夠的止裂性能。

針對大型集裝箱船結構安全可靠性問題，2011年初，國際船級社協會（IACS）船體委員會專門成立了PT52工作組，制定了50～100 mm厚船用高強鋼安全應用的相關標準。2013年1月，國際船級社協會（IACS）正式發布名為“YP47鋼板的使用要求”的統一要求（編號UR W31），該規范適用于國際船級社協會所屬船級社在2014年1月1日及以后簽訂的造船協議的船舶。IACS的統一要求止裂鋼板的-10℃條件下止裂韌性（Kca）最低值為6000N/mm3/2 [1]。各船級社也相應頒布了關于超大型集裝箱船用止裂鋼的指南，其中包括日本船級社（NK）、英國勞氏船級社（LR）、挪威船級社（DNV）、美國船級社（ABS）、德國船級社（GL）、法國船級社（BV）及中國船級社（CCS）。在各國船級社的指南中，除了對材料的化學成分及常規的力學性能做要求外，還特殊指出材料在認可時必須進行深缺口試驗或裂紋尖端張開位移（CTOD）試驗、采用UR33附件2中的標準ESSO試驗測試方法或其他可替代的方法（如雙重拉伸試驗方法等）以獲得參考的裂紋止裂韌性值，同時需要滿足一定的規定數值，并在材料認可達到要求后標識以COD或BCA后綴以區分滿足不同性能要求的材料。

表1為主要船級社對超大型集裝箱船用EH47的性能要求，可見與普通船板相比，除了材料的低溫沖擊要求提高外，在衡量材料的疲勞、止裂性能方面提出了額外的嚴格要求。

表1 GL、ABS、CCS等主要船級社對高止裂EH47船板的力學性能要求

針對船用高強鋼超厚板的止裂性能，日本和韓國已進行了多年研究，積累了大量數據，推出了相應的評價方法和技術指標，并已開始在實船建造中進行應用，歐美一些國家也相繼啟動了這方面的研究工作。2014年10月，JFE鋼鐵宣布，該公司成功開發出大型集裝箱船甲板上部結構用高強度、高止裂厚板，板厚80mm，是當時世界上最厚的同類產品（參考文獻2）；韓國浦項鋼鐵集團公司利用梯度溫度型ESSO試驗對最大板厚為80mm的EH47船用高強厚板的止裂性能進行了研究，研究結果表明該公司生產的厚板在-10℃下的止裂韌性Kca達到7960N/mm3/2，由此認為該級鋼板的止裂性能滿足船體結構建造的要求（參考文獻3）。

與國外相比，我國在高強鋼超厚板止裂性能評價方法和技術指標研究方面尚處于起步階段，落后于日本和韓國，應用研究的落后制約了高強鋼超厚板在國內集裝箱船建造領域的應用。2014年開始，中國的寶鋼、鞍鋼、沙鋼、南鋼、湘鋼等鋼鐵公司先后進行超大型集裝箱船用高止裂鋼的研制開發，而且中國的洛陽725研究所針對特厚板的止裂性能的評價裝置、評價方法進行了專項研究，并取得評價資質，為止裂鋼用于超大型集裝箱船舶的設計、建造和走向國際市場提供了技術支撐。

針對超大型集裝箱船用EH40、EH47止裂鋼的各項性能要求，寶鋼采用TMCP工藝研制生產了最大厚度為90mm的厚板，采用超低碳微合金的成分設計，通過控制軋制、控制冷卻工藝，保證微觀組織不僅滿足高強度、高韌性的要求，同時具有優良的止裂性能。文中對不同厚度、不同微合金成分中的產品之間的止裂性也能做了比較研究，下面大家可以具體看一下。

最大厚度90mm的寶鋼止裂鋼

1止裂鋼的研制

1.1止裂鋼的工藝

為滿足EH40、EH47厚板鋼高強度、良好的低溫韌性和優良焊接性能，特別是低溫止裂性能，成分采用了低的碳含量、中等含量錳、超低硫、磷的控制，為了細化晶粒尺寸和更好地進行TMCP控制，采用Nb微合金化，同時采用控制組織的Cr、Mo合金化成分設計，適當地增加Cu、Ni等合金元素。

煉鋼工藝采用低碳、超低硫、夾雜物形態控制的純凈鋼冶煉技術，以保證厚規格船板的低溫沖擊韌性。鐵水經轉爐冶煉，再進行RH、LF爐外精煉，澆鑄成300mm/360mm厚的連鑄板坯。熱軋在寶鋼的5米厚板軋機上進行，工藝采用了強控軋控冷的TMCP技術，采用兩階段的控制軋制，并充分保證再結晶區的變形量。軋制后采用ACC加速冷卻保證變形后相變組織，為了滿足高強度厚板的低溫韌性，組織控制以得到多邊形鐵素體+針狀鐵素體為主。通過成分和工藝的最佳配合，以獲得優良的綜合性能。

生產工藝路線為：鐵水預處理→轉爐冶煉→爐外精煉（RH＋LF，Ca處理）→連鑄→板坯再加熱→控制軋制→控制冷卻。

部分船級社在規范指南中針對EH40、EH47的個別合金成分要求就有差異，但在性能上，尤其是低溫止裂性能上是沒有差異的。為了比較個別成分（特別是對韌性影響比較大的Ni元素）對低溫韌性、止裂性能影響，在成分上設計低Ni和高Ni兩種成分；同時，為了比較同一成分條件下，厚度效應對止裂性能的影響，采用相同工藝軋制了厚度為50、80、90mm的鋼板進行比較。

1.2止裂鋼板的成分

超大型集裝箱船用EH40、EH47，鋼板厚度基本在70～90mm左右，同時要求具有高的強度、優良低溫沖擊及焊接性能，同時在止裂方面特殊要求，因此在成分上采用了低碳微合金成分設計，EH47設計了高Ni、EH40采用低Ni成分；采用高Ni的A成分軋制了50、80、90mm的鋼板，鋼板分別標識為A-50、A-80、A-90；采用高Ni和低Ni（標識為B成分）的板坯軋制了厚度均為90mm的鋼板，鋼板分別標識為A-90、B-90。實際化學成分如表1。

表1寶鋼研制的DH40、EH40 TMCP船板的化學成分（wt%）

上述成分滿足ABS、CCS、GL、DNV船級社標準對EH40、EH47的要求，A、B兩組的成分除Ni含量有明顯的差異外，其他合金元素類型、含量基本相同，這樣Ceq的差別僅僅是由于Ni含量不同導致的。A、B鋼同時具有較低的Ceq和Pcm保證了高強度鋼具有較好的焊接性。

1.3 EH47厚板的拉伸性能及微觀組織

對研制的鋼板，在鋼板厚度1/4和1/2處均進行性能檢驗。分別進行力學拉伸性能、維氏硬度實驗及微觀組織檢驗。力學拉伸按標距50mm棒狀拉伸試樣，具體性能見表2。

表2寶鋼研制的EH47/EH40級TMCP船板的機械性能

圖1不同厚度規格的EH40、EH47鋼板的微觀組織

可見，無論是50mm厚、還是80mm、90mm厚的EH40、EH47厚板鋼的強度性能及硬度性能均滿足規范標準的要求，并且具有一定的富余量。采用同一成分A軋制的EH47、厚度分別為50、80、90mm厚度的鋼板，可以看出隨著厚度增加，強度有下降，同時在板厚度1/2和1/4處的強度差異略有增加。但硬度上的差異比較明顯，同一成分軋制不同厚度的鋼板，硬度最大相差30Hv10。而不同成分軋制的EH40、EH47的90mm厚鋼板，由于EH40有更低的Ceq，強度、硬度低于EH47同等厚度鋼板。

同時，由于厚度的差異，80mm、90mm厚的鋼板的板厚度1/2和1/4的強度性能有一定差異，這種差異在微觀組織上也有一定的表現，如圖1所示。由于變形在厚度方向的不均勻分布及冷卻強度的不同，越接近鋼板表面的組織越細小，針狀鐵素體的比例也越高。這種組織上的差異影響了力學性能。