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干货 | 船舶材料之进化与发展

2017-11-22 16:31:09
作者:王元
来源:《腐蚀防护之友》

从石器时代开始,人类为了探索江河湖海,从筏子开始,一步步的发展船舶,最早的是筏子和独木舟,后来发展到用木板和梁材组合的结构。18 世纪随着冶金工业、机械制造业的发展,开始出现铁质和铁木混合结构的船舶。

    从石器时代开始,人类为了探索江河湖海,从筏子开始,一步步的发展船舶,最早的是筏子和独木舟,后来发展到用木板和梁材组合的结构。18 世纪随着冶金工业、机械制造业的发展,开始出现铁质和铁木混合结构的船舶。19 世纪后半叶,进一步开始采用低碳钢来造船,钢材便成为造船的主要材料,20 世纪后半叶随着科技的进一步发展,越来越多的新材料使用在船体制造上,可以想象随着科技的不断进步,可以用来制作船体的材料将会越来越多,性能也不断提升。


    目前常用的船体材料包括金属材料和非金属材料。金属材料有钢材、铝合金、钛合金等等;非金属材料有木材、水泥、复合材料等等。


    木材

 

    木材是最古老的船体材料之一,具有重量轻,力学性能好等特点,但是容易腐朽、虫蛀、着火。在冶金工业不发达的时期、木船是海上运输的主要工具,也见证了各个海上强国的兴起与衰落。


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    “古观落叶以为舟”,就反映了我们祖先早期对一些物体能浮在水面上的认识。也许正是因为这种自然现象,才引起人们航行的念头。人骑坐在一根圆木上,就可以顺水漂浮;如果他还握着一块木片,就可以向前划行。如果把那根圆木掏空,人就可以舒适地坐在里面,并能随身携带上自己的物品。这就是人们创造的最早的船——独木舟。以后人们又逐步学会了就地取材,制造了简单、平稳、装载面积较大的筏。筏的种类较多,有木筏、竹筏、皮筏等。


    原始社会出现的独木舟和筏,使人类在征服江河的斗争中迈出了重要的一步。到了大约三千多年前,中国就开始出现了木板船。木板船出现以后,显示了它强大的生命力,也为船舶的进一步发展和改造奠定了基础。


    随后人们又在长期航行的实践中,创造了利用风力行驶的船——帆船。初期的帆不能转动,只有风顺时才能使用,风不顺就只有落帆划桨。后来人们在航行的实践中逐步发现,即使不顺风,只要使帆与风向成一定的角度,帆上还是能受到推船前进的风力,于是人们又创造了转动帆,在逆风的情况下,船也能前进。


    自从人类创造了帆船以后,帆船运载着人们在世界的海洋上来往,直到十九世纪,世界上一些大型的船还是帆船,有的帆船,桅杆高达 30 米,挂帆30 多面。?但是无论是独木舟、木筏船还是后来的帆船,船体的主要材料都是木材。


    直到 19 世纪末水泥、铁和钢的大量生产和应用,使得木材的使用减少。到 20 世纪随着人们环保意识增强和各种新材料的应用,使木材仅限于建造船模型和小型船舶。


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古田轮(世界最大的水泥船)

 

    水泥

 

    以水泥与钢丝(钢筋)为主要材质的船舶。包括钢丝网水泥船和钢筋混凝土船。水泥船具有抗腐蚀性和耐久性。中国有许多钢丝网水泥船使用 20 年以上。水泥船造价低廉,材料容易获得,建造设备和施工工艺简单,维修保养费用低,且能节约木材和钢材。主要缺点是自重大,抗冲击性能差,只能在一定范围内使用。钢丝网水泥船可作农船、渔船和运输船舶。钢筋混凝土船可作对自重要求不高,泊位固定或较少移动的工程船舶和趸船。


    1848 年法国人 J·L·兰波特用钢丝为筋和水泥砂浆制造出世界上第一条小型水泥船,后来发展出用钢筋取代钢丝的钢筋混凝土船。早期的水泥船工艺简陋,船舶吨位较小,自重大。在两次世界大战期间,因钢材匮乏,两度出现建造钢筋混凝土船的高潮。欧美各国建成大批钢筋混凝土船,有的船排水量超过一万吨。


    1945 年意大利人 P·涅尔维教授建造了一艘165吨的钢丝网水泥机帆船“爱伦”号。船壳厚 3.6 厘米,与同类型木船比,重量轻 5%,造价低 40%,性能符合航海要求,引起各国造船界的注意。中国自 1958 年起建造了大批钢筋混凝土趸船和钢丝网水泥农船、内河驳船、内河拖船、沿海渔船和沿海中小型货船。其保有量达数百万吨,居世界第一位。


   

 

    19 世纪末出现了铁船,很快被性能更加优异的钢船所代替。低碳钢和高强度钢至今一直是大型船舶结构材料的常用材料。


    钢是对含碳量质量百分比介于0.02% 至 2.11% 之间的铁碳合金的统称,钢材是目前使用最为广泛的的船体材料,1787 年,约翰·威金逊用铁板造成长 21 米的驳船“试验”在塞文河上放下 , 并在伦敦泰晤士河上航行。1892 年,英国人建造出世界上第一艘采用中轴线纵列方式布置主炮炮塔的全钢质战列舰“君主”号(HMS?Royal?Sovereign,也译成“君权”号或“皇权”号)。


    对于民用船舶,船体结构钢按强度可分为一般强度船体结构钢和高强度船体结构钢。


    一般强度船体结构钢按其不同温度下的冲击韧性分 A、B、D、E 四个等级,化学成分如下:


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    力学性能如下:

 

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    A 级钢主要用于船体内部构架和承受一般应力的外板等区域。B、D、E 各级钢材可用于船体外板、主甲板等高应力区的重要结构。E 级钢具有较好的低温性能适用于在冰区航行的船体外板、甲板等。


    高强度船体结构钢按其最小屈服强度划分强度级别,每一强度级别又按其冲击韧性不同分为 A、D、E、F 四级。常用的高强度钢有 AH32、DH32、EH32 等等。高强度船体结构钢的化学成分如下:


    力学性能如下:


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    舰船用钢是指军用的水面舰船 ( 如驱逐舰、巡洋舰 ) 和水下潜艇 ( 如常规动力潜艇、核动力潜艇 ) 以及扫雷艇等船体结构用钢,是现代舰船建造最主要、最重要和最关键的结构材料,其性能优劣直接关系到舰船的战术性能。舰船用钢必须具有足够的强度和韧性、良好的工艺性和耐海水腐蚀性。舰船用钢的特点是批量小、规格多、要求高、更新慢。


    二战之后,世界各个海军强国为了满足军舰的发展需求,研究开发了系列高强度军用舰艇结构钢。为了不断满足舰船对船体钢的更高要求,世界各国都在对现有成熟钢种不断改进,进行深化完善的研究工作。


    美国的船体结构钢从 50 年代就开始建立 HY 系列高强度结构钢的体系平台。发展了综合性能好的屈服点达到55 MP a 级 HY 280 钢 , 该钢用于美国海军第二代的弹道导弹核潜艇——“伊桑·艾伦”级核潜艇的全部耐压壳体。一直到 80 年代 ,HY 系列钢仍然是美国舰船的主要结构用钢。美国用 HY2130钢建造的“海狼”号最新式攻击型核潜艇 , 下潜深度可达 560 m。进入 20 世纪80年代后,随着超低碳、超纯净钢冶炼、微合金化及控轧控冷等冶金技术的发展 , 开始研制不需预热或者只需较低温度预热就能焊接的 HSLA 系列钢。开发的 HSLA280 钢其强韧性已达到 HY280 钢的水平 , 而焊接性更好。HSLA280 钢因具有优良的焊接工艺性能 , 且合金元素含量低 , 从而简化了舰船的建造工艺 ,大大降低了舰船成本 , 使船体结构钢的开发进入了一个新时代。


    除美国外 , 近年来 , 俄罗斯、日本、法国、英国等国家也开发了系列高强度舰船用钢。日本舰艇用钢研制开发水平是很高的。列入防卫厅规格的就有 NS30、NS46、NS63、NS80、NS90、NS110 等各级舰艇用钢。


    俄罗斯 60 年代所形成的比较完整的 AK 系列钢 , 目前已逐渐被 AB 系列钢所取代。法国在第二次世界大战后开发了 60 HLES、80 HLES、100 HLES 三 代 潜艇耐压壳体用钢。


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    英国在 20 世纪 40 年代以前制造舰船壳体主要采用 U、X、W 钢。50 年代采用了屈服强度不低于 431 MPa 的 QT28钢 ,1958 年至 1965 年又广泛地采用了屈服强度不低于 549MPa 的 QT35 钢,1965 年由于该钢在冶金中出现层状撕裂问题 , 于是改用从美国进口 HY-80 代替QT35 钢。1968 年仿造 HY-80 钢获得成功 , 并制订了 Q1(N) 规范 , 其化学成分与 HY-80 相当 , 但杂质控制更严。1969年 1 月用 Q1(N) 钢建造潜艇 ,70 年代以后还仿制了美国的 HY-100 和 HY-130钢 , 即英国的 Q2(N) 和 Q3(N) 钢。此外 , 在制造水面舰船上还大量使用 A 级钢(屈服强度不低于 245MPa)、B 级钢(屈服强度不低于 314MPa)。为了降低军舰造价 , 充分发挥材料性能 , 常常在同一条舰艇上根据设计要求大量使用不同强度级别的材料。


    我国海军舰船钢的发展可划分几个历史阶段:


    20 世纪 50 年代~ 60 年代,主要是依赖苏联进口和仿制;相继研仿试制成功了 921、922、923、907、917 等钢;

 

    20 世纪 70 年代~ 80 年代,开始立足于无镍合金钢,自行研制了我国第一代舰船用钢———锰系无镍铬钢和低镍铬钢,如 901、902、903、904 系列钢种 ;

 

    20 世纪 80 年代后,海军装备有了很大发展,对舰船用钢也提出了更高的要求,第一代舰艇用钢满足不了现代海军的的需求,在对第一代舰船用钢改进提高的基础上,开始研制综合性能更好的第二代舰船用钢及其配套材料,如440MPa 级的 945 钢、590MPa 级的 921A系列钢、785MPa 级的 980 钢等 ;20 世纪90 年代后,舰船用钢的研究以改进提高和自主研发并举,特别是 2000 年以后,进入快速发展阶段,许多具有世界先进水平的钢种研发成功并得到实船应用。目前已经形成了较为完整的耐蚀可焊舰艇用钢系列,主要代表有:390MPa 的907A 钢、440 MPa 的 945 钢(945 钢 采用 Ni、Cr、Mo、V 合金系 , 碳当量较高 ,焊接难度大 , 建造成本高)、590MPa 的921A 钢、510MPa 的 922A、923A 钢、785MPa 的 980 钢等。我国舰船用钢 40年来的研制与发展基本满足了不同时期舰船发展的需要,但与国外先进国家舰船用钢有一定差距。


    铝合金

 

    近年来 , 由于能源短缺的加剧以及全球环保运动的日益高涨 , 舰船的轻量化及合金材料再生利用的要求 , 使铝合金在实际应用中得到进一步的发展。铝合金由于具有密度小、比强度大以及无磁性、高导电性和导热性等特点 , 目前铝合金已经大量用于中小型客船、游艇、快艇、高速导弹艇、巡逻艇、驱护舰(例如部分军舰的上层建筑)等船上。


    1891 年 瑞 士 的 EcherWyss 首 次 建造了一艘 8 人乘坐的湖上全铝汽艇,随后其他国家也开始建造,只是当时的铝合金强度不大,耐腐蚀性能差,使用受限制;20 世纪 30 年代随着冶金专业的发展,出现了机械性能较好的铝镁合金1931年,英国制造了铝镁合金的“Diana2”游 艇, 长 16.75 m, 宽 3.66 m, 吃 水1.74 m,1940年,美国建造了全铝快艇;1945 年日本建造了“阿拉卡塞”号全铝巡视艇。20 世纪 50-60 年代,铝焊技术开始出现,美国又开发出 5086 和5456 的铝合金板材与型材,此时铝合金船取大量发展,1966-1971 年美国建成14 艘铝制“阿西维尔”级高速快艇,这是第一批全铝军舰,使用 5086 铝合金。


    1958 年,我国建造了第一艘全铝铆接水翼艇。60 年代以后形成舰船及装甲板用的铝合金系列 , 如 LF 系、LD30、LD31、919 铝 合 金、147、4201 和 180铝合金 ( 也称 2103 合金 ) 等。目前 ,我国船体结构上主要使用 180 合金。60年代初 , 我国用 LY12CZ 铝合金做船体 ,也成批建造了水翼快艇。80 年代 , 我国用 180 合金 , 采用焊接工艺建成了一艘全铝结构的海港工作艇“龙门”号。


    钛合金

 

    钛化学活泼性很高,易与氧、氢、氮、碳等元素形成稳定化合物。钛具有耐热性。钛可与氧或氮彤成化学稳定性很高的氧化物或氮化物保护膜,因此钛在低温或高温气体中具有极高的抗腐蚀性能。钛在淡水或海水中也具有极高的抗腐蚀性能,钛在海水中的抗腐蚀性比铝合金、不锈钢、镍基合金的抗腐蚀性能好。工业纯钛具有极高的冷加工硬化效应。


    金属钛作为工程材料仅有 50 多年的历史,但因为其具有无与伦比的特殊性能迅速在各行各业得到了应用。钛合金之所以被称为“海洋金属”,是因为其具有舰船材料所要求的耐蚀性、耐久性、牢固性、可靠性、稳定性及各种特殊性能。


    国外早在 20 世纪 50 年代就开展了钛合金的应用研究[3] ,70 年代以后 , 钛合金广泛应用于潜艇和深潜器的耐压壳体。俄罗斯在建造钛合金核潜艇研究和制造技术上 , 处于国际领先地位 , 也是用钛合金建造耐压壳体的唯一国家。?到目前为止俄罗斯研制的核潜艇已有四代。从第一代 661 型 (P 级 ) 试验性核潜艇开始就采用钛合金作耐压壳体 , 如在 20 世纪 70 年代初开始研制并引起世界广泛关注的 A 级攻击型核潜艇 , 该艇是采用铁合金作为船体材料 , 是核潜艇中最先进的一型核潜艇。俄罗斯目前在建造钛合金核潜艇上处于世界领先地位,拥有专门的船用钛合金系列,形成了 490,585,686,785MPa?等强度级别的船用钛合金产品。其“阿库拉”级核潜艇的钛合金耐压壳能保证“阿库拉”级在深达 650 米左右的海底安然无恙。美国也对船用钛合金也进行了大量的工程研究,主要应用的钛合金有纯钛、Ti-0.3Mo-0.8Ni,Ti-3AL-2.5V,Ti-6AL-4V,Ti-6AL-4VELI,Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo 和 Ti-3AL-8V-6Cr-4Mo-4Zr 等等。


    各国的深潜器大都采用钛合金建造,例如美国“阿尔文”号深潜器,在 1973 年使用钛合金,潜深 3600m;法国的“鹦鹉螺”号潜水器使用钛合金,潜深6000 m;我国的“蛟龙”号载人潜水器也使用的是钛合金。


    我国舰船钛合金的研究始于 1962 年。经过 40 多年的发展,其研究制造水平有了很大提高,现已形成了我国专用的船用钛合金体系,已能批量生产板、管、锻件、中厚板、各种环材、丝、铸件等多种形式的产品,可满足不同强度级别和不同部位的要求。


    目前我国的船用钛合金主要有:

 

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    复合材料上世纪 40 年代中,美国海军首次将复合材料用于船舶建造,从此掀起了船舶建造新的篇章,全世界各国相继开始研制各种各样的复合材料船舶。复合材料在快艇、游艇、赛艇以及诸如拖网渔船等小型商业渔船上的使用逐渐得到了普遍认可。


    复合材料作为新型功能结构材料,具有重量轻、比强度和比刚度高、阻尼性能好、耐疲劳、耐蠕变性能、耐化学腐蚀、耐磨性能好、热膨胀系数低、以及 X 射线透过性好等特点,备受造船界的重视,尤其是在制造高质量的船体结构方面有着巨大的优势。随着社会发展,无论是用于军事,还是救援、执法方面的船只,都对船速提出了新的要求,特别是在武装攻击中,必须降低船艇的重量,以便在相同动力获得更高的有效载荷,并节约燃料、降低成本,在提高航速的同时,也提高了船只的机动灵活性。近年来,先进复合材料和轻量化结构技术已发展成为减轻船体重量的关键技术。


    美国是最早的复合材料舰船制造者,目前其复合材料造船量稳居世界首位。1996 年美国制造的探海艇,是石墨纤维增强环氧树脂单壳结构,可下潜 6096 m 的深度。美国建造大型复合材料舰船方面的能力在 80 年代后期开始批量化生产沿海猎雷舰的 MHC 工程中得到了显示。2006年制造的代号 M80 的“短剑”(Stiletto)是最新型高速隐形试验快艇,是碳纤维一次成型的最大船体,由于工艺无焊接、无铆接,大幅度实现了船只的整体轻量化,使快艇能够轻易获得较高航速。


    日本在 60 年代初成为美国游艇承包建造基地,为后来建造复合材料渔船和大型艇奠定了基础。到了 1993 年,日本复合材料渔船的数量就已经超过 32万艘,复合材料游艇则超过了 20 万艘。


    英国不仅是大型复合材料反水雷舰艇的先驱国家,它在复合材料高速艇的研制技术方面也属世界一流水平,建造过不少军用高速艇。在上世纪 90 年代,英国开始利用一流的复合材料轻量化技术,研制高速轻型气垫船和 HM-2 型气挚渡船。制造的“施培正”号凯芙拉巡逻艇,艇壳比玻璃钢减重 20%,比铝合金减重近 5t。目前英国 20 m 以下的船舶有 80% 都是复合材料制造的。热塑性复合材料坚韧、可回收,并可缩短生产周期的优点,使热塑性复合材料成为船用复合材料轻量化的发展方向之一。


    近年英国罗斯柴尔德的 Plastiki 塑料瓶船,符合材料可生物降解和可循环利用的发展方向,就引起了不小的轰动。英国 VT?Halmatic 舰船制造商利用真空袋固化工艺制造了简单的热塑性塑料底船DUC 也证明了这一点。采用玻纤 / 聚丙烯材料制造,完美实现了轻量化。此船已被英国军队采用,作为 Mk 6 军事突击艇,试验登陆沙滩时非常坚韧。


    意大利的复合材料游艇工业不仅发展较早,而且技术非常先进,是欧洲制造35 m以上大型豪华游艇的中心之一。


    意海军对复合材料反水雷舰艇的开发研究非常重视,1967 年就开始研究新颖的硬壳式猎雷舰,并成功研制出多型 Lerici猎雷舰。瑞典也非常重视复合材料在舰船中的应用。应该指出的是,瑞典的夹层结构复合材料技术堪称世界一流,用于建造了不少高速军用艇和巡逻艇,如TV 171 和 CG 27 型海岸巡逻艇。值得一提的是,瑞典在 1991 年研制成世界第一艘复合材料隐形试验艇“Smyge”号,该艇集先进复合材料技术、夹层结构技术、隐身技术及双体气垫技术于一体,实属舰船中的高科技产品。


    中国自 1958 年开始试制,拉开了复合材料造船的序幕,迄今也已经制造了数以万计的各种复合材料船艇。有总长近 39 m 的扫雷艇;渔船则是以 80 年代中后期批量建造的长度接近 20 m 的远洋捕捞渔船为代表;92 年以来,广东地区还掀起了研制复合材料高速客船的热潮,先后研制出各种单体高速船、高速双体气垫船、机动帆艇等。2008 年,深圳海斯比设计建造的 SD1388 全复合材料高速艇成功下水,这艘具备完整自主知识产权的船艇最高时速达 70 节,将碳纤、芳纶等航天理念成功诠释到了船艇上,打破了欧美极少数几家公司的技术垄断,被媒体观众形象地誉为“海上奔驰”。海斯比开发的 HP1500 超高速巡逻艇,已经成为我国边防、海关等海上执法单位的定型装备,为打击走私、保护国家海域边防安全,安保国家盛事做出了卓越贡献,堪称国内高速高性能复合材料船艇批量建造的典范。


    用于船体的复合材料主要有碳纤维,芳纶纤维和玻璃纤维。复合材料船体的典型结构形式主要有五种 : 单板加肋结构、夹层结构、硬壳式结构、波形结构及其混杂结构。


    结语

 

    经过三千年的发展,目前因海洋探测的需要加之环境的恶化,对船舶船体材料的要求更加的苛刻。船舰正向着轻量化、低成本化、整体化、数字化的方向发展。着眼于当前船舶材料技术的发展状况,立足于21世纪前期(2035年前)的高新技术发展,可以预见,21 世纪前期船舶材料技术的发展趋势将呈现出以下“高”、“复”、“钛”、“隐”、“防”、“有”、“无”、“前”、“用”、“低”等十大特征。


    “高”:船舶船体钢材仍向高性能化发展;

    “复”:研发高性能多功能复合材料的趋势方兴未艾;

    “钛”:高性能钛合金的研发与推广应用势在必行;

    “隐”:仍将研发高性能隐身材料列为重要发展方向;

    “防”:船舶防护材料以环保高寿命为重点正蓄势待发;

    “有”:船舶用有色金属材料仍需加强推广应用;

    “无”:开辟无机材料在船舶装备上应用的新领域;

    “前”:船舶材料前沿技术呈现百花齐放的发展趋势;

    “用”:加强材料应用技术的研究不可或缺;

    “低”: 船舶材料技术一如既往向低成本化的方向发展。

标签: 船舶, 材料, 木材, 金属, 发展

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