高強度鋼在船體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用與使用要求分析

孫 輝

（煙臺打撈局，山東 煙臺 264012）

近幾年來，隨著我國社會經(jīng)濟水平的不斷提升，船舶行業(yè)得到了健康發(fā)展，高強度鋼在船體結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)了全面應(yīng)用。隨著船舶行業(yè)的快速發(fā)展，人們對應(yīng)用高強度鋼有著深入的了解，從思考小體積船體重量到提升材料屈服強度上，找出并探究了材料特性及節(jié)點疲勞強度，以此讓高強度鋼作用能夠在船體結(jié)構(gòu)中充分發(fā)揮，在實現(xiàn)船體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的同時，延長船體應(yīng)用年限，從而給人們帶來理想的效益。下面，文章將進一步對高強度鋼在船體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用與使用要求進行闡述和分析。

1 高強度鋼的基本概述

從高強度鋼自身角度來說，其主要是根據(jù)時代發(fā)展及技術(shù)水平提升而演變的。通常情況下，其屈服強度應(yīng)該超過 1 370 MPa（140 kgf/mm2），抗拉強度超過1620MPa（165kgf/mm2）。只有滿足上述標準的鋼材才被稱之為高強度鋼。結(jié)合合金程度以及組織成分進行劃分，剛強度鋼可以劃分為多種類型，例如低合金中碳馬氏體強化超高強度鋼、中合金中碳二次沉淀硬化型超高強度鋼等。

2 高強度鋼類型

2.1 折疊低合金

低合金中碳馬氏體強化型超高強度鋼是根據(jù)低合金調(diào)質(zhì)鋼發(fā)展才得以形成和應(yīng)用。通常情況下，從折疊低合金自身角度來說，其含有的合金元素數(shù)量一般不會超出6%，且在折疊低合金中，通常涉及了傳統(tǒng)意義上的鎳鉻鉬調(diào)質(zhì)鋼，其中含有的碳元素含量為0.45%。而折疊低合金中也包含了大量的鉻錳硅鎳鋼，其含碳量是0.30%。經(jīng)過真空熔煉，能夠有效減少鋼中雜質(zhì)元素含量，并且提升鋼自身韌性。因為鋼合金元素含量相對較少，投放的成本偏低，生產(chǎn)工藝較為簡便，被廣泛的應(yīng)用在船舶結(jié)構(gòu)制造、發(fā)動機軸等領(lǐng)域中。

2.2 折疊中合金

中合金中碳二次沉淀硬化型超高強度鋼則是根據(jù)5%Cr型模具形成起來的。因為其在高溫的環(huán)境下，具備的剛度及韌性相對較高，并且抗熱性能相對理想，組織較為穩(wěn)定，適合應(yīng)用在船舶制造中。其中最為典型的鋼種有H11和H13等。

2.3 折疊高合金

高合金中碳Ni-Co型超高強度鋼，其則是結(jié)合自身韌性及脆性程度，在9%Ni型低溫鋼逐漸發(fā)展的情況下形成。在9%Ni鋼中適當(dāng)?shù)脑黾鱼@，能夠有效的提升鋼的Ms溫度，降低鋼中殘余奧氏體。并且，鉆在鎳鋼中能夠發(fā)揮固溶強化的效果，通過采用加鉆的方式，有效的提升鋼的自回火性，利于在回火的過程中形成強化效應(yīng)。從折疊高合金自身角度來說，自身含有一定的力學(xué)特性，并且抗腐蝕能力比較強，操作工藝較為便利，被應(yīng)用在航空、航天等領(lǐng)域中。

3 高強度鋼在船體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用與使用要求

3.1 基本依據(jù)

在船體結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，為了將剛強度鋼作用得到充分發(fā)揮，需結(jié)合高強度鋼性能及類型，科學(xué)設(shè)定設(shè)計圖示，并交由相關(guān)部門進行審核。在進行設(shè)計時，要想核算出船體結(jié)構(gòu)強度，需要對建立船舶梁體結(jié)構(gòu)類型及應(yīng)用材料屬性進行確定。嚴格按照設(shè)計標準，在對船體材料進行選擇過程中，需要確保起強度值應(yīng)該根據(jù)高強度鋼情況加以核算。為了防止由于高強度鋼中自身存在一定漏洞或者不足，將會使得結(jié)構(gòu)在承受高水平荷載的情況下發(fā)生損壞現(xiàn)象。從另一個角度來說，高強度鋼系數(shù)k得到了科學(xué)把控，造成高強度鋼實際應(yīng)用效率不斷降低，提升了結(jié)構(gòu)重量。如：某船體結(jié)構(gòu)自身重量為3萬t，船體長度是300m，載重量已經(jīng)超出30萬t，空船情況下重量是4.8萬t。在對船體結(jié)構(gòu)基本要素進行核算的過程中，橫剖面在甲板及船底處船體梁靜剖面模數(shù)最小值是：

式中：Cw為波浪系數(shù)；h為高剛度鋼系數(shù)；B為型寬；Cb為方形系數(shù)。

在應(yīng)用高強度鋼的過程中，需要根據(jù)設(shè)計標準，保證垂向慣性矩之比是IH32/IH40，換句話說，在使用等級為H40高強度鋼的過程中，同等尺寸下的船體結(jié)構(gòu)能夠承載的重力水平比應(yīng)用H32等級的高強度鋼超出30%以上。由此可見，通過應(yīng)用H40的高強度鋼，能夠在確保船舶尺寸及裝載能力的基礎(chǔ)上，降低構(gòu)件規(guī)格。

3.2 提升船體結(jié)構(gòu)比例

（1）結(jié)構(gòu)抗屈曲能力。要確保包括板及組合型材和主要支撐構(gòu)建在內(nèi)的各個層次船體結(jié)構(gòu)具備較強的平穩(wěn)性，需要對構(gòu)件尺寸及特性加以科學(xué)把控。針對承受面內(nèi)軸向載荷的板，其屈曲限值計算公式是：

式中：kS為邊界條件系數(shù)；E為材料彈性模量；t為板的厚度；γ為材料泊松比；s為板格寬度。根據(jù)公式得知，如果把板荷載水平控制在某一范疇內(nèi)，應(yīng)用H40等級的高強度鋼板厚是應(yīng)用H32等級高強度鋼的0.8倍，重量相對減少10%左右。

（2）高強度比例。有限元方式作為當(dāng)前船舶結(jié)構(gòu)強度核算的主要方式，在進行船舶設(shè)計的過程中，其起到了關(guān)鍵性作用。通過對結(jié)構(gòu)模型的數(shù)學(xué)化分散，能夠快速了解結(jié)構(gòu)各個應(yīng)力分布情況，同時找出結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中峰值，根據(jù)實際情況，對結(jié)構(gòu)分布情況進行調(diào)整，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全性的提升。

4 結(jié) 語

總而言之，在進行船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計時，通過把剛強度鋼運用其中，能夠有效的降船體重量，極大限度的提升船舶產(chǎn)品市場競爭智力。隨著現(xiàn)代化技術(shù)及科學(xué)技術(shù)的提升，在不久將來，諸多新型高強度鋼逐漸出現(xiàn)，并應(yīng)用到船舶產(chǎn)品設(shè)計工作中，實現(xiàn)船舶性能的提升，促進船舶事業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。