艇體結(jié)構(gòu)用鋼材料技術(shù)發(fā)展與展望

孟曉宇，吳始棟，王祖華

(1.武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢430000;2.中國船舶重工集團(tuán)公司 第七二五研究所，河南 洛陽471039)

0 引 言

21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，黨的十八大提出了“堅決維護(hù)國家海洋權(quán)益，建設(shè)海洋強(qiáng)國”的目標(biāo)，這就對艦船裝備的性能和發(fā)展提出了更高的要求。

材料技術(shù)是艦船裝備研制和發(fā)展最基礎(chǔ)的因素，是使艦船裝備達(dá)到預(yù)定戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能、確保使用安全可靠、易于建造維修的關(guān)鍵因素之一。尤其對于潛艇這樣一個龐大、復(fù)雜的水下武器發(fā)射平臺，艦船材料的性能對于其總體設(shè)計和實現(xiàn)下潛深度等戰(zhàn)技性能指標(biāo)至關(guān)重要，是其生命力和可靠性的主要保證，也是全壽期建造效費(fèi)比的重要影響因素。

艦船(潛艇)材料有不同的劃分體系，一般可分為船(艇)體結(jié)構(gòu)材料、各系統(tǒng)和設(shè)備材料、提高某種特性(如減振降噪、防腐蝕等)的功能材料。所用材料涉及鋼材、鋁合金、鈦合金、銅合金、復(fù)合材料等。

其中潛艇的艇體結(jié)構(gòu)鋼材在潛艇建造中用量最大，耐壓殼體的重量約占潛艇水下排水量的20%～40% (視潛艇類型不同而有差異)。根據(jù)相關(guān)報道，每艘“俄亥俄”級核潛艇建造時需要耗費(fèi)10 000 t 鋼材，而每艘“弗吉尼亞”級核潛艇需要4 500 t 鋼。艇體結(jié)構(gòu)鋼的體系是否合理完整、綜合性能的優(yōu)劣直接影響到潛艇的戰(zhàn)技性能和水平。潛艇結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)歷發(fā)展，目前美、俄、英、德等各潛艇強(qiáng)國都建立了較完整的潛艇結(jié)構(gòu)鋼體系，并在繼續(xù)投入研發(fā)。

1 海洋環(huán)境對艇體結(jié)構(gòu)鋼的要求

1.1 潛艇工作的海洋環(huán)境

潛艇長期運(yùn)行在復(fù)雜的海洋環(huán)境中。根據(jù)調(diào)查，地球上海洋水面溫度+28°F～+850°F，水下溫度－30°F～+12 000°F，海水平均鹽度35 ppm。不同深度的氧含量、溫度、鹽度等條件也會發(fā)生變化，如圖1所示。

圖1 海洋環(huán)境條件隨深度的變化示意圖Fig.1 Sketch map of variety of sea environment vs depth

下潛時，潛艇耐壓殼體在工作深度下需要長期承受深海的靜水壓力;考慮戰(zhàn)術(shù)要求，在服役期間，其上浮和下潛大約10 000－30 000 次，艇體需要承受反復(fù)的壓力載荷變化;潛艇隨時有可能受到敵方水中魚雷、水雷、水下導(dǎo)彈等兵器的攻擊，在受到攻擊時，在運(yùn)行工作深度以及動態(tài)載荷等沖擊作用下，耐壓殼體不被破壞，不產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，這就要求艇體結(jié)構(gòu)具備一定抗沖擊性能;腐蝕性的海洋大氣和海水介質(zhì)、不同地區(qū)以及海洋深度的溫差的巨大變化都是潛艇航行中不得不面對的海洋環(huán)境。

1.2 海洋環(huán)境對艇體結(jié)構(gòu)鋼的性能要求

根據(jù)潛艇使用環(huán)境和作戰(zhàn)的需求，為了保證潛艇安全可靠的運(yùn)行，美國海軍曾經(jīng)對潛艇用鋼的性能、焊接材料、制造技術(shù)進(jìn)行全面的評價［1－2］，提出了艇體結(jié)構(gòu)鋼材的總體要求:考慮到耐壓殼體接觸的海洋環(huán)境，必須具備適當(dāng)?shù)哪透g性和在－30°F～+12 000°F 溫度范圍內(nèi)的相對穩(wěn)定的物理性能;由于使用典型的結(jié)構(gòu)形狀和受到載荷作用方式，希望有高彈性模量以防止過早失穩(wěn)，并希望高彈性模量、密度和高屈服強(qiáng)度相結(jié)合;在受到敵人攻擊時，不僅材料本身，而且在它的連接處必須具有一定的韌性和足夠的抗斷裂能力;在循環(huán)載荷作用下，基體和接頭必須有抗低周疲勞能力;材料不僅可以做成板材，而且可以軋制或擠壓成型材，諸如環(huán)形加強(qiáng)肋，還需要鑄件和鍛件與殼體連接和貫穿到殼體中;使用的材料必須容易制造，實用性強(qiáng);無論何種形式交貨的鋼材都很容易利用船廠常用裝備進(jìn)行軋制、彎曲和壓力等冷加工成型(保持一致的屈服強(qiáng)度);在通常船廠條件下容易焊接;基體材料和制造程序的主要成本應(yīng)當(dāng)比較合理。

考慮到海洋環(huán)境的影響，對艇體結(jié)構(gòu)鋼性能關(guān)注的重點如下:

1)高強(qiáng)度

開發(fā)高強(qiáng)度的潛艇結(jié)構(gòu)鋼是潛艇實現(xiàn)大潛深的物質(zhì)基礎(chǔ)，強(qiáng)度與潛深的關(guān)系如表1所示。因而追求高強(qiáng)度一直是各國潛艇結(jié)構(gòu)鋼的發(fā)展趨勢。

表1 鋼的強(qiáng)度與下潛深度的關(guān)系Tab.1 The relaitonship between intensity of steel and depth of submergence

圖2 艇用鋼材的強(qiáng)度變化Fig.2 The change of intensity of steel using in submarine

圖2 給出了艇用鋼材屈服強(qiáng)度的變化，可以看出，二戰(zhàn)后，大約每隔8～10年，鋼的強(qiáng)度升高一個級別。

2)高韌性和抗爆性

圖3 展示了美國潛艇用鋼的韌性發(fā)展。可以看出，美國潛艇用鋼在提高強(qiáng)度的同時，繼續(xù)保持具有相當(dāng)?shù)捻g性，以提高艇體的抗爆性能。

一般說來，高強(qiáng)度材料呈現(xiàn)脆性，但是通過熱處理可以提高鋼的強(qiáng)度的同時不會降低韌性。美國耐壓殼體用鋼HY 系列鋼(HY－80，HY－100，低碳－130)的吸收能大約是150 J。非關(guān)鍵部位使用的HSLA 鋼(HSLA－80，HSLA－100)的吸收能大約為250 J。

圖3 美國艇用鋼材的韌性發(fā)展Fig.3 The development of tenacity of steel using in American submarine

美國利用爆炸鼓脹試驗和爆炸鼓脹裂紋源試驗測定潛艇用鋼的抗爆性。爆炸鼓脹試驗是1950年美國Hartbower和Pellini 研制成的一種獨特、簡單的測定母板和焊件在綜合應(yīng)力場下變形的方法。爆炸鼓脹裂紋源試驗，則是引入人工脆性裂紋的爆炸鼓脹試驗。這2種方法已經(jīng)在HTS，HY－80，HY－100 等潛艇用鋼上進(jìn)行了試驗，結(jié)果表明是很好的檢驗抗爆性方法。

為了比較HTS和HY－80 潛艇用鋼的抗爆性，美國曾經(jīng)分別用1個HTS 制造的潛艇結(jié)構(gòu)模型、2個HY－80 制造的結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行類似受到敵人攻擊的水下爆炸試驗，潛艇結(jié)構(gòu)是T型框架與殼板焊接，這些框架連接焊縫承受達(dá)到臨界載荷。通過結(jié)構(gòu)上裂紋起源和擴(kuò)展觀察，發(fā)現(xiàn)HTS 結(jié)構(gòu)模型性能較差，產(chǎn)生幾處脆性破壞，而HY－80 結(jié)構(gòu)模型，只發(fā)生微量裂紋傳播，產(chǎn)生大量永久性變形。說明HY－80 鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)于HTS。

3)耐腐蝕性能

根據(jù)《中國腐蝕調(diào)查報告》(2003)，我國腐蝕總損失約為GDP的5% (美國為3.4%)。2012年腐蝕帶來的損失達(dá)2.6 萬億元，大于所有自然災(zāi)害損失的總和(0.42 萬億元)。腐蝕的損失巨大，對于潛艇來說更是影響其安全性和壽命。

通過微合金成分設(shè)計調(diào)整鋼鐵材料中的化學(xué)元素成分，保持較高的潔凈度，對組織、夾雜物和腐蝕產(chǎn)物膜的性質(zhì)進(jìn)行控制等方法，可以實現(xiàn)降低電化學(xué)反應(yīng)速度，從而顯著改善鋼鐵材料耐海洋環(huán)境腐蝕的性能。

以Fe－Cr 合金為例，圖4 給出了Fe－Cr 合金在不同鉻含量下的極化曲線，可以看出隨著鉻含量的提高，耐腐蝕性提高。

除了研發(fā)耐海水腐蝕鋼以外，控制腐蝕的其他措施包括表面處理和改性、防腐涂料/涂層、陰極保護(hù)(犧牲陽極)措施、緩釋劑等。

圖4 鐵鉻合金的極化曲線Fig.4 The polarization curve of Fe－Cr alloy

2 配套焊接材料及其工藝

隨著鋼的強(qiáng)度級別要求越來越高，艇體鋼的碳含量大幅增加，這使得鋼的焊接變得十分困難。

在各國建造潛艇和實艇分段試驗時，都曾經(jīng)出現(xiàn)過焊接裂紋問題。經(jīng)過研究，從調(diào)整焊接材料化學(xué)成分和改進(jìn)焊接工藝著手，諸如降低含碳量，注意貯存材料，采用低氫焊條，提高預(yù)熱溫度，使得焊接裂紋問題基本得到解決。

各種潛艇用鋼均采用藥皮焊條電弧焊(SMAW)，金屬熔化極氣體保護(hù)焊(GMAW)和鎢極惰性氣體保護(hù)焊(GTAW)3 種方法。對HY－80和NS63 鋼的試驗結(jié)果表明，只有最后一種方法能夠保證潛艇結(jié)構(gòu)所要求的韌性。為了保證其韌性，還需采用焊縫金屬屈服強(qiáng)度比母材低的匹配焊接接頭。采用低匹配焊縫金屬同時可以改善可焊性，焊縫抗裂性，提高抗應(yīng)力腐蝕開裂能力。對焊接材料必須控制低含氫量，預(yù)熱溫度等。

美國努力開發(fā)HY－130 (屈服強(qiáng)度900 MPa級)鋼的過程中，在金屬極惰性氣體保護(hù)焊時產(chǎn)生焊接裂紋問題，在1992年這一問題才得到解決，使得HY－130 鋼基本達(dá)到實用化階段。美國以提高可焊性為目的，開發(fā)了抑制合金成分的HSLA－80(屈服強(qiáng)度550MPa 級)和HSLA－100 (屈服強(qiáng)度700 MPa 級)，作為非關(guān)鍵部位使用。美國正在考慮使用的低碳、易焊接的HSLA－130 鋼，該材料在焊接時不必進(jìn)行預(yù)熱。

目前英國所有潛艇耐壓殼體均使用Q1N 鋼，而焊接材料是按照英國海軍工程標(biāo)準(zhǔn)NES770 第2 部分的規(guī)定。它采用20世紀(jì)90年代研制的2 種焊接材料。一種是實心氣保焊接材焊絲，另一種是直徑為1.2 mm的熔劑芯焊絲LEXAL T 22.9.3N (名義成分22 % Cr－9% Ni－3% Nb)，應(yīng)用80%Ar和20%CO2保護(hù)氣體。在三叉戟工程(核潛艇工程)的開發(fā)中還開發(fā)了1.2 mm 直徑的混合熔芯焊絲(FCAW)Dualshield 101TM，可以大大提高生產(chǎn)率，使用這種焊絲取得了巨大成功。英國國防部目前已經(jīng)用脈沖鎢極惰性氣體保護(hù)焊(MIG)和FCAW 焊接工藝完成評定潛艇改裝工作中使用雙相不銹鋼焊接材料的試驗。另一個重要成就，就是用電子束焊接鍛鋼件(閥)與潛艇殼體，并滿足性能要求。

3 國外潛艇用鋼的發(fā)展和現(xiàn)狀

1940年以前，世界上所有的潛艇都是用低碳鋼建造的，鋼的屈服強(qiáng)度僅為220 MPa，潛艇的下潛深度也比較淺，即100 m 左右［3］。1940～1958年，美國采用屈服強(qiáng)度為340 MPa 級的碳錳系低合金高強(qiáng)度鋼HTS (High Tensile Steel)建造潛艇，使?jié)撏У南聺撋疃仍黾?，可達(dá)100～200 m，提高了潛艇的隱蔽性。1958年美國開始使用屈服強(qiáng)度為550 MPa 級的鎳鉻鉬系淬火回火的低合金高強(qiáng)度鋼HY－80 建造潛艇，在80年代中期之前建造的所有核動力潛艇均采用HY－80 鋼。在此鋼的基礎(chǔ)上，采用增加合金化元素和熱處理又發(fā)展了HY－100 鋼，使鋼的屈服強(qiáng)度達(dá)到690 MPa 級，工作深度可達(dá)610 m。從80年代中期開始實施“海狼”號計劃［4］，“海狼”號是首次用HY－100鋼建造核潛艇整個殼體。1963年美國鋼鐵公司又開始研究屈服強(qiáng)度為890 MPa 級的HY－130 鋼。該鋼曾嘗試用于建造“海狼”號核潛艇殼體分段，因發(fā)生焊接裂紋問題，為不影響工程進(jìn)度， “海狼”號又改為采用HY－100 鋼。雖然1992年已經(jīng)解決HY－130 鋼焊接裂紋問題［5－6］，具備建造潛艇殼體的條件，海狼級后續(xù)的2艘艇仍采用HY－100 鋼，HY－130 將作為技術(shù)成熟的貯備鋼種。

蘇聯(lián)/俄羅斯海軍為了與美國海軍對抗，花費(fèi)大量財力和人力研發(fā)隱蔽性好、武器裝備先進(jìn)的潛艇，其中，潛艇殼體材料采用了高強(qiáng)度鋼和高強(qiáng)度鈦合金。蘇聯(lián)已經(jīng)研制了屈服強(qiáng)度為390 MPa的提供常規(guī)潛艇和核動力潛艇所需要的耐壓殼體用鋼СХЛ－4，屈服強(qiáng)度為588～1 176 MPa的AK－系列鋼以及屈服強(qiáng)度為588～1 176 MPa 范圍的適合北極寒冷地帶應(yīng)用的艦艇和民用船舶使用的AБ 系列鋼。其高強(qiáng)度鋼的屈服強(qiáng)度達(dá)到世界最高水平，下潛工作深度已從200 多米發(fā)展到610 m。蘇聯(lián)也是世界上唯一把鈦合金用于潛艇耐壓殼體的國家，其下潛工作深度可達(dá)1 250 m。

日本在戰(zhàn)后的較短時間內(nèi)，借鑒美國的先進(jìn)技術(shù)與經(jīng)驗，利用合作開發(fā)先進(jìn)鋼的機(jī)會，在20世紀(jì)50年代至80年代，研制成一系列常規(guī)潛艇用鋼，把屈服強(qiáng)度從294 MPa (NS30 鋼)提高到1 078 MPa (NS110鋼)，其相應(yīng)的下潛深度從150 m 提高到500 m 以上，成為世界上常規(guī)潛艇用鋼最先進(jìn)的國家。

歐洲英、法兩國均具有常規(guī)和核動力潛艇建造能力，對潛艇耐壓殼體用鋼具有獨立研究能力，潛艇鋼材及其配套焊接材料均立足于國內(nèi)，而且也借鑒了美國潛艇用鋼的先進(jìn)經(jīng)驗。其中，英國潛艇用鋼先是獨立研制，隨后吸收美國潛艇用鋼發(fā)展的經(jīng)驗，研制成具有與美國HY－80，HY－100 同等屈服強(qiáng)度水平的Q1N、Q2N 鋼，并開展了與HY－130 鋼同等水平的Q3N 鋼的研究工作。目前英國的常規(guī)潛艇和和核潛艇均采用Q1N 耐壓殼體，已制訂了Q2N的軍用規(guī)范。法國潛艇至今采用3 種屈服強(qiáng)度等級鋼，即60HLES，80HLES和100HLES，前者用于建造常規(guī)潛艇，后2種用于核潛艇，其屈服強(qiáng)度等級分別與HY－80、HY－100和HY－130 相當(dāng)。德國則擅長于低磁鋼建造常規(guī)潛艇的工作，其強(qiáng)度級別相當(dāng)于美國HY80 潛艇用鋼。荷蘭，意大利等國則是通過購買潛艇用鋼進(jìn)行建造工作。荷蘭建造的潛艇采用HY－80和HY－100鋼。意大利近代建造的“薩烏羅”級潛艇采用HY－80 鋼，最大下潛深度250 m。

世界各國潛艇典型用鋼的情況及相應(yīng)的工作深度、屈服強(qiáng)度指標(biāo)如表2所示。

表2 世界各國潛艇典型用鋼Tab.2 Typical steel using in submarine of countries all over the world

4 未來發(fā)展趨勢分析

根據(jù)國內(nèi)外艇體結(jié)構(gòu)鋼的發(fā)展現(xiàn)狀以及海洋環(huán)境下的作戰(zhàn)使用要求，分析未來艇體結(jié)構(gòu)鋼技術(shù)的發(fā)展趨勢主要有:

1)為適應(yīng)潛艇的超大潛深要求，研發(fā)更高強(qiáng)度的艇體結(jié)構(gòu)鋼及其配套材料的設(shè)計、制備和應(yīng)用技術(shù)仍是未來的主要發(fā)展方向之一。

2)注重提高鋼材整體的性能，包括塑性、韌性、抗爆性能、耐腐蝕性、抗疲勞特性等。

3)注重高強(qiáng)度鋼不預(yù)熱或低溫預(yù)熱及焊后不預(yù)熱的焊接技術(shù)、高強(qiáng)度鋼焊接及冷熱加工工藝研究。進(jìn)一步改善結(jié)構(gòu)鋼的工藝性能也是今后重要的研究方向。

4)追求鋼材高性能的同時，更加強(qiáng)調(diào)低成本的經(jīng)濟(jì)性能。

5)進(jìn)一步發(fā)展高強(qiáng)度鋼焊縫無損檢測、結(jié)構(gòu)鋼健康性能監(jiān)測、安全評價、壽命分析等理論和技術(shù)，為鋼材性能的評價和監(jiān)測提供完備的技術(shù)手段。

6)適用于北極地區(qū)等極端環(huán)境條件下使用的耐寒鋼等特殊鋼材的研發(fā)。

鑒于高強(qiáng)度鋼不可替代的優(yōu)勢，研發(fā)高性能的結(jié)構(gòu)鋼仍將是艇用材料的主要發(fā)展趨勢之一。我國的艇用鋼材體系雖已基本建立，但在材料設(shè)計的基本理論等基礎(chǔ)研究方面還較薄弱，在艇體鋼材的制備應(yīng)用技術(shù)方面還不能完全滿足潛艇建造和使用的需求，同時鑒于材料研究的基礎(chǔ)性和長期性，在艇用結(jié)構(gòu)鋼的研發(fā)方面還有許多工作需要加大投入力度，國外的研發(fā)經(jīng)驗和發(fā)展歷程可以為我國這方面的研究提供參考和借鑒。

［1］S R.HELLER，F(xiàn)IORITI I，JOHN V.An evaluation of HY－80 steel as a structural material for submarine，Part I［J］.Naval Engineering Journal，1965(2).

［2］HELLER S R，F(xiàn)IORITI I，VASTA J.An evaluation of HY－80 Steel as a structural material for submarine Part II［J］.Naval Engineering Journal，1965(4).

［3］潛艇用鋼［EB/OL］.2009－07－20，http://www.sososteel.com/.

［4］SSN－21 Seawolf class［R］.2005:2－8.

［5］M.C.JOHN.Text from the congressional record［R］.McCain，John.

［6］Navy Ships:Problems Continue to Plague the Seawolf Submarine Program［R］.NSIAD－93－171 August 4，1993.

［7］戶部陽一郎.潛艇用材料的過去，現(xiàn)在和將來［J］.防衛(wèi)技術(shù)，1990(11):19－39.

［8］The history of welded structures in Japan［R］.The Japan Welding Engineering Society，2002.