引言

第一代集装箱船的建造始于20世纪60年代中期，经过半个世纪的发展，集装箱船已经从最初的几百箱发展到如今的20000标准箱以上的超大型集装箱船。随着科技的进步，不仅是集装箱船的载重量的增加，在船体设计、结构建造、控制系统等诸多方面得到了快速的发展。2006 年马士基“Emma Maersk”号集装箱船的建成及运行标志着万箱级的集装箱船时代已经到来。

马士基“Emma Maersk”号集装箱船

集装箱船的快速发展主要源于经济的发展及环保的需求。经济的发展促进了全球贸易，对集装箱船的需求也随之增加。同时，绿色建造、绿色运营的理念在集装箱船中得到充分体现，由于超大型集装箱船的燃油效率提升及运行成本、建造成本的降低，10000标准箱以上的超大型集装箱船已经成为主流，在2015年已经开始了20000标准箱以上的集装箱船的建造，并且在未来有望向30000标准箱的超级集装箱船发展。

超大型集装箱的建造及运行给市场、建造、环保、港口建设等都带来了巨大的机遇与挑战。其中一个重要的挑战就是超大型集装箱船建造用材料的选择。由于结构大型化改变了船体结构的受力状态，导致船体结构中的舱口围顶板、腹板及上甲板边板、舷顶列板和某些局部区域（舱口角隅）处于较高应力水平，从而要求船体结构具有较高的强度和刚度。为了解决上述问题，可以通过增加钢板厚度或采用更高强度钢板。目前，10000TEU以上的集装箱船的设计和建造普遍采用高强度超厚板，在设计和建造上已开始采用屈服强度为40、47公斤级、最大设计厚度达到80mm以上的高强钢超厚板。

另一个压力来自于船舶的安全性。高强钢超厚板的使用给船体结构的安全可靠性带来了隐患：高强钢会使结构的安全富裕度下降；板厚规格的增大，导致焊缝初始缺陷存在几率增大；更为重要的是会使构件的应力状态从平面应力状态转变为平面应变状态，导致船体结构发生低应力脆性断裂的几率大大增加。因此，必须采取相应的防脆断措施以保证大型集装箱船体结构的安全可靠性。为保证船体结构的安全可靠，防止脆性断裂破坏的发生，在船体结构设计中一般采用防开裂设计方法和止裂设计方法。目前，焊缝错位并利用基体钢板止裂可以避免开止裂孔、开止裂孔并在内部填充高韧性焊材两种设计方法的不足，但需要基体钢板具有足够的止裂性能。

针对大型集装箱船结构安全可靠性问题，2011年初，国际船级社协会（IACS）船体委员会专门成立了PT52工作组，制定了50～100 mm厚船用高强钢安全应用的相关标准。2013年1月，国际船级社协会（IACS）正式发布名为“YP47钢板的使用要求”的统一要求（编号UR W31），该规范适用于国际船级社协会所属船级社在2014年1月1日及以后签订的造船协议的船舶。IACS的统一要求止裂钢板的-10℃条件下止裂韧性（Kca）最低值为6000N/mm3/2 [1]。各船级社也相应颁布了关于超大型集装箱船用止裂钢的指南，其中包括日本船级社（NK）、英国劳氏船级社（LR）、挪威船级社（DNV）、美国船级社（ABS）、德国船级社（GL）、法国船级社（BV）及中国船级社（CCS）。在各国船级社的指南中，除了对材料的化学成分及常规的力学性能做要求外，还特殊指出材料在认可时必须进行深缺口试验或裂纹尖端张开位移（CTOD）试验、采用UR33附件2中的标准ESSO试验测试方法或其他可替代的方法（如双重拉伸试验方法等）以获得参考的裂纹止裂韧性值，同时需要满足一定的规定数值，并在材料认可达到要求后标识以COD或BCA后缀以区分满足不同性能要求的材料。

表1为主要船级社对超大型集装箱船用EH47的性能要求，可见与普通船板相比，除了材料的低温冲击要求提高外，在衡量材料的疲劳、止裂性能方面提出了额外的严格要求。

表1 GL、ABS、CCS等主要船级社对高止裂EH47船板的力学性能要求

针对船用高强钢超厚板的止裂性能，日本和韩国已进行了多年研究，积累了大量数据，推出了相应的评价方法和技术指标，并已开始在实船建造中进行应用，欧美一些国家也相继启动了这方面的研究工作。2014年10月，JFE钢铁宣布，该公司成功开发出大型集装箱船甲板上部结构用高强度、高止裂厚板，板厚80mm，是当时世界上最厚的同类产品（参考文献2）；韩国浦项钢铁集团公司利用梯度温度型ESSO试验对最大板厚为80mm的EH47船用高强厚板的止裂性能进行了研究，研究结果表明该公司生产的厚板在-10℃下的止裂韧性Kca达到7960N/mm3/2，由此认为该级钢板的止裂性能满足船体结构建造的要求（参考文献3）。

与国外相比，我国在高强钢超厚板止裂性能评价方法和技术指标研究方面尚处于起步阶段，落后于日本和韩国，应用研究的落后制约了高强钢超厚板在国内集装箱船建造领域的应用。2014年开始，中国的宝钢、鞍钢、沙钢、南钢、湘钢等钢铁公司先后进行超大型集装箱船用高止裂钢的研制开发，而且中国的洛阳725研究所针对特厚板的止裂性能的评价装置、评价方法进行了专项研究，并取得评价资质，为止裂钢用于超大型集装箱船舶的设计、建造和走向国际市场提供了技术支撑。

针对超大型集装箱船用EH40、EH47止裂钢的各项性能要求，宝钢采用TMCP工艺研制生产了最大厚度为90mm的厚板，采用超低碳微合金的成分设计，通过控制轧制、控制冷却工艺，保证微观组织不仅满足高强度、高韧性的要求，同时具有优良的止裂性能。文中对不同厚度、不同微合金成分中的产品之间的止裂性也能做了比较研究，下面大家可以具体看一下。

最大厚度90mm的宝钢止裂钢

1止裂钢的研制

1.1止裂钢的工艺

为满足EH40、EH47厚板钢高强度、良好的低温韧性和优良焊接性能，特别是低温止裂性能，成分采用了低的碳含量、中等含量锰、超低硫、磷的控制，为了细化晶粒尺寸和更好地进行TMCP控制，采用Nb微合金化，同时采用控制组织的Cr、Mo合金化成分设计，适当地增加Cu、Ni等合金元素。

炼钢工艺采用低碳、超低硫、夹杂物形态控制的纯净钢冶炼技术，以保证厚规格船板的低温冲击韧性。铁水经转炉冶炼，再进行RH、LF炉外精炼，浇铸成300mm/360mm厚的连铸板坯。热轧在宝钢的5米厚板轧机上进行，工艺采用了强控轧控冷的TMCP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ACC加速冷却保证变形后相变组织，为了满足高强度厚板的低温韧性，组织控制以得到多边形铁素体+针状铁素体为主。通过成分和工艺的最佳配合，以获得优良的综合性能。

生产工艺路线为：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。

部分船级社在规范指南中针对EH40、EH47的个别合金成分要求就有差异，但在性能上，尤其是低温止裂性能上是没有差异的。为了比较个别成分（特别是对韧性影响比较大的Ni元素）对低温韧性、止裂性能影响，在成分上设计低Ni和高Ni两种成分；同时，为了比较同一成分条件下，厚度效应对止裂性能的影响，采用相同工艺轧制了厚度为50、80、90mm的钢板进行比较。

1.2止裂钢板的成分

超大型集装箱船用EH40、EH47，钢板厚度基本在70～90mm左右，同时要求具有高的强度、优良低温冲击及焊接性能，同时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设计，EH47设计了高Ni、EH40采用低Ni成分；采用高Ni的A成分轧制了50、80、90mm的钢板，钢板分别标识为A-50、A-80、A-90；采用高Ni和低Ni（标识为B成分）的板坯轧制了厚度均为90mm的钢板，钢板分别标识为A-90、B-90。实际化学成分如表1。

表1宝钢研制的DH40、EH40 TMCP船板的化学成分（wt%）

上述成分满足ABS、CCS、GL、DNV船级社标准对EH40、EH47的要求，A、B两组的成分除Ni含量有明显的差异外，其他合金元素类型、含量基本相同，这样Ceq的差别仅仅是由于Ni含量不同导致的。A、B钢同时具有较低的Ceq和Pcm保证了高强度钢具有较好的焊接性。

1.3 EH47厚板的拉伸性能及微观组织

对研制的钢板，在钢板厚度1/4和1/2处均进行性能检验。分别进行力学拉伸性能、维氏硬度实验及微观组织检验。力学拉伸按标距50mm棒状拉伸试样，具体性能见表2。

表2宝钢研制的EH47/EH40级TMCP船板的机械性能

图1不同厚度规格的EH40、EH47钢板的微观组织

可见，无论是50mm厚、还是80mm、90mm厚的EH40、EH47厚板钢的强度性能及硬度性能均满足规范标准的要求，并且具有一定的富余量。采用同一成分A轧制的EH47、厚度分别为50、80、90mm厚度的钢板，可以看出随着厚度增加，强度有下降，同时在板厚度1/2和1/4处的强度差异略有增加。但硬度上的差异比较明显，同一成分轧制不同厚度的钢板，硬度最大相差30Hv10。而不同成分轧制的EH40、EH47的90mm厚钢板，由于EH40有更低的Ceq，强度、硬度低于EH47同等厚度钢板。

同时，由于厚度的差异，80mm、90mm厚的钢板的板厚度1/2和1/4的强度性能有一定差异，这种差异在微观组织上也有一定的表现，如图1所示。由于变形在厚度方向的不均匀分布及冷却强度的不同，越接近钢板表面的组织越细小，针状铁素体的比例也越高。这种组织上的差异影响了力学性能。