艇體結構用鋼材料技術發展與展望

孟曉宇，吳始棟，王祖華

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

0 引 言

21世紀是海洋的世紀，黨的十八大提出了“堅決維護國家海洋權益，建設海洋強國”的目標，這就對艦船裝備的性能和發展提出了更高的要求。

材料技術是艦船裝備研制和發展最基礎的因素，是使艦船裝備達到預定戰術技術性能、確保使用安全可靠、易于建造維修的關鍵因素之一。尤其對于潛艇這樣一個龐大、復雜的水下武器發射平臺，艦船材料的性能對于其總體設計和實現下潛深度等戰技性能指標至關重要，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)體結構材料、各系統和設備材料、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、復合材料等。

其中潛艇的艇體結構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)。根據相關報道，每艘“俄亥俄”級核潛艇建造時需要耗費10 000 t 鋼材，而每艘“弗吉尼亞”級核潛艇需要4 500 t 鋼。艇體結構鋼的體系是否合理完整、綜合性能的優劣直接影響到潛艇的戰技性能和水平。潛艇結構鋼經歷發展，目前美、俄、英、德等各潛艇強國都建立了較完整的潛艇結構鋼體系，并在繼續投入研發。

1 海洋環境對艇體結構鋼的要求

1.1 潛艇工作的海洋環境

潛艇長期運行在復雜的海洋環境中。根據調查，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、鹽度等條件也會發生變化，如圖1所示。

圖1 海洋環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;考慮戰術要求，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、水下導彈等兵器的攻擊，在受到攻擊時，在運行工作深度以及動態載荷等沖擊作用下，耐壓殼體不被破壞，不產生失穩現象，這就要求艇體結構具備一定抗沖擊性能;腐蝕性的海洋大氣和海水介質、不同地區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境。

1.2 海洋環境對艇體結構鋼的性能要求

根據潛艇使用環境和作戰的需求，為了保證潛艇安全可靠的運行，美國海軍曾經對潛艇用鋼的性能、焊接材料、制造技術進行全面的評價［1－2］，提出了艇體結構鋼材的總體要求:考慮到耐壓殼體接觸的海洋環境，必須具備適當的耐腐蝕性和在－30°F～+12 000°F 溫度范圍內的相對穩定的物理性能;由于使用典型的結構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，并希望高彈性模量、密度和高屈服強度相結合;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，諸如環形加強肋，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;無論何種形式交貨的鋼材都很容易利用船廠常用裝備進行軋制、彎曲和壓力等冷加工成型(保持一致的屈服強度);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當比較合理。

考慮到海洋環境的影響，對艇體結構鋼性能關注的重點如下:

1)高強度

開發高強度的潛艇結構鋼是潛艇實現大潛深的物質基礎，強度與潛深的關系如表1所示。因而追求高強度一直是各國潛艇結構鋼的發展趨勢。

表1 鋼的強度與下潛深度的關系Tab.1 The relaitonship between intensity of steel and depth of submergence

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

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

2)高韌性和抗爆性

圖3 展示了美國潛艇用鋼的韌性發展。可以看出，美國潛艇用鋼在提高強度的同時，繼續保持具有相當的韌性，以提高艇體的抗爆性能。

一般說來，高強度材料呈現脆性，但是通過熱處理可以提高鋼的強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種方法已經在HTS，HY－80，HY－100 等潛艇用鋼上進行了試驗，結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，美國曾經分別用1個HTS 制造的潛艇結構模型、2個HY－80 制造的結構模型，進行類似受到敵人攻擊的水下爆炸試驗，潛艇結構是T型框架與殼板焊接，這些框架連接焊縫承受達到臨界載荷。通過結構上裂紋起源和擴展觀察，發現HTS 結構模型性能較差，產生幾處脆性破壞，而HY－80 結構模型，只發生微量裂紋傳播，產生大量永久性變形。說明HY－80 鋼結構優于HTS。

3)耐腐蝕性能

根據《中國腐蝕調查報告》(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2.6 萬億元，大于所有自然災害損失的總和(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。

通過微合金成分設計調整鋼鐵材料中的化學元素成分，保持較高的潔凈度，對組織、夾雜物和腐蝕產物膜的性質進行控制等方法，可以實現降低電化學反應速度，從而顯著改善鋼鐵材料耐海洋環境腐蝕的性能。

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(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，都曾經出現過焊接裂紋問題。經過研究，從調整焊接材料化學成分和改進焊接工藝著手，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焊(GMAW)和鎢極惰性氣體保護焊(GTAW)3 種方法。對HY－80和NS63 鋼的試驗結果表明，只有最后一種方法能夠保證潛艇結構所要求的韌性。為了保證其韌性，還需采用焊縫金屬屈服強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，提高抗應力腐蝕開裂能力。對焊接材料必須控制低含氫量，預熱溫度等。

美國努力開發HY－130 (屈服強度900 MPa級)鋼的過程中，在金屬極惰性氣體保護焊時產生焊接裂紋問題，在1992年這一問題才得到解決，使得HY－130 鋼基本達到實用化階段。美國以提高可焊性為目的，開發了抑制合金成分的HSLA－80(屈服強度550MPa 級)和HSLA－100 (屈服強度700 MPa 級)，作為非關鍵部位使用。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行預熱。

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準NES770 第2 部分的規定。它采用20世紀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)，應用80%Ar和20%CO2保護氣體。在三叉戟工程(核潛艇工程)的開發中還開發了1.2 mm 直徑的混合熔芯焊絲(FCAW)Dualshield 101TM，可以大大提高生產率，使用這種焊絲取得了巨大成功。英國國防部目前已經用脈沖鎢極惰性氣體保護焊(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 國外潛艇用鋼的發展和現狀

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，美國采用屈服強度為340 MPa 級的碳錳系低合金高強度鋼HTS (High Tensile Steel)建造潛艇，使潛艇的下潛深度增加，可達100～200 m，提高了潛艇的隱蔽性。1958年美國開始使用屈服強度為550 MPa 級的鎳鉻鉬系淬火回火的低合金高強度鋼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。在此鋼的基礎上，采用增加合金化元素和熱處理又發展了HY－100 鋼，使鋼的屈服強度達到690 MPa 級，工作深度可達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，因發生焊接裂紋問題，為不影響工程進度， “海狼”號又改為采用HY－100 鋼。雖然1992年已經解決HY－130 鋼焊接裂紋問題［5－6］，具備建造潛艇殼體的條件，海狼級后續的2艘艇仍采用HY－100 鋼，HY－130 將作為技術成熟的貯備鋼種。

蘇聯/俄羅斯海軍為了與美國海軍對抗，花費大量財力和人力研發隱蔽性好、武器裝備先進的潛艇，其中，潛艇殼體材料采用了高強度鋼和高強度鈦合金。蘇聯已經研制了屈服強度為390 MPa的提供常規潛艇和核動力潛艇所需要的耐壓殼體用鋼СХЛ－4，屈服強度為588～1 176 MPa的AK－系列鋼以及屈服強度為588～1 176 MPa 范圍的適合北極寒冷地帶應用的艦艇和民用船舶使用的AБ 系列鋼。其高強度鋼的屈服強度達到世界最高水平，下潛工作深度已從200 多米發展到610 m。蘇聯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1 250 m。

日本在戰后的較短時間內，借鑒美國的先進技術與經驗，利用合作開發先進鋼的機會，在20世紀50年代至80年代，研制成一系列常規潛艇用鋼，把屈服強度從294 MPa (NS30 鋼)提高到1 078 MPa (NS110鋼)，其相應的下潛深度從150 m 提高到500 m 以上，成為世界上常規潛艇用鋼最先進的國家。

歐洲英、法兩國均具有常規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，而且也借鑒了美國潛艇用鋼的先進經驗。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展的經驗，研制成具有與美國HY－80，HY－100 同等屈服強度水平的Q1N、Q2N 鋼，并開展了與HY－130 鋼同等水平的Q3N 鋼的研究工作。目前英國的常規潛艇和和核潛艇均采用Q1N 耐壓殼體，已制訂了Q2N的軍用規范。法國潛艇至今采用3 種屈服強度等級鋼，即60HLES，80HLES和100HLES，前者用于建造常規潛艇，后2種用于核潛艇，其屈服強度等級分別與HY－80、HY－100和HY－130 相當。德國則擅長于低磁鋼建造常規潛艇的工作，其強度級別相當于美國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的工作深度、屈服強度指標如表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 未來發展趨勢分析

根據國內外艇體結構鋼的發展現狀以及海洋環境下的作戰使用要求，分析未來艇體結構鋼技術的發展趨勢主要有:

1)為適應潛艇的超大潛深要求，研發更高強度的艇體結構鋼及其配套材料的設計、制備和應用技術仍是未來的主要發展方向之一。

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)注重高強度鋼不預熱或低溫預熱及焊后不預熱的焊接技術、高強度鋼焊接及冷熱加工工藝研究。進一步改善結構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，更加強調低成本的經濟性能。

5)進一步發展高強度鋼焊縫無損檢測、結構鋼健康性能監測、安全評價、壽命分析等理論和技術，為鋼材性能的評價和監測提供完備的技術手段。

6)適用于北極地區等極端環境條件下使用的耐寒鋼等特殊鋼材的研發。

鑒于高強度鋼不可替代的優勢，研發高性能的結構鋼仍將是艇用材料的主要發展趨勢之一。我國的艇用鋼材體系雖已基本建立，但在材料設計的基本理論等基礎研究方面還較薄弱，在艇體鋼材的制備應用技術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性和長期性，在艇用結構鋼的研發方面還有許多工作需要加大投入力度，國外的研發經驗和發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，FIORITI 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，FIORITI 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，現在和將來［J］.防衛技術，1990(11):19－39.

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