極地船用材料測試標準和評價現狀分析1

孫 偉，溫 靜，曹 晶，陳彥臻，王園園，張大勇

0 引言

隨著極地開發(fā)的深入，極地資源的競爭逐漸白熱化，其中油氣和航道的價值使得極地戰(zhàn)略地位不斷提升。美國、俄羅斯、歐洲等科技發(fā)達國家和地區(qū)，長期以來都在北極地區(qū)開展合作與競爭，開發(fā)各類新型極地裝備，極地科考、商運和資源開發(fā)能力在持續(xù)進步，以保障在極地區(qū)域的長期競爭能力。

國際形勢的變化不穩(wěn)定，競爭已成為當今世界的主旋律，獨立自主的裝備開發(fā)能力已迫在眉睫。極地事務參與和極地資源開發(fā)已成為我國重要國家戰(zhàn)略之一，為實現該目標，我國亟需持續(xù)開發(fā)適應極地環(huán)境的戰(zhàn)略裝備。極地環(huán)境低溫、冰雪、鹽霧、強紫外線以及風載荷等多因素耦合環(huán)境對裝備的安全和穩(wěn)定運行有特殊的要求，裝備材料在嚴苛的服役環(huán)境中面臨巨大的挑戰(zhàn)。極地環(huán)境下，材料的測試和評價需要制定專門的標準。本文重在梳理國內外近年來關于極地環(huán)境下材料測試和評價標準與規(guī)范，以期為日后針對性的補充和完善極地材料設計、開發(fā)能力奠定基礎。

1 極地標準、規(guī)范制定組織

為保障極地環(huán)境下船舶裝備、油氣作業(yè)裝備的航行及操作安全，世界公共組織以及各個國家制定了多項公約、規(guī)范以及標準，主要公共組織有國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）、國際船級社協會（International Association of Classification Societies，IACS）、國際標準化組織（International Organization for Standardization，ISO），其他包括各國船級社，其中比較有影響力的有中國船級社（China Classification Society，CCS）、美國船級社（American Bureau of Shipping，ABS）、法國船級社（Bureau Veritas，BV）、挪威船級社（Det Norske Veritas，DNV）以及俄羅斯船級社（Russian Maritime Register of Shipping，RS）等。陸續(xù)發(fā)布的公約和標準對船舶極地惡劣環(huán)境下的構造、設備、設計、操作、航運，搜救、環(huán)保、安全和檢驗、船員的培訓、航道的規(guī)劃等都有詳細要求。本文重點關注極地船用裝備材料，研究各類材料在極地復雜環(huán)境下的測試和評價標準，下面以時間軸為序，梳理相關標準中對材料的選型、評價和測試的具體要求。

2 極地船舶涉及材料類標準分析

本節(jié)按時間線對現有標準、規(guī)范、公約中涉及材料部分的要求、測試和評價進行分析。

2.1 《國際海上人命安全公約》

《國際海上人命安全公約》（International ConventionfortheSafetyofLifeatSea，SOLAS）[1]由各締約國政府于1974 年統一原則共同制定，在第Ⅱ章中講述了對船舶機器設備的要求，其中涉及到相關材料。SOLAS 主要適用于貨船和客船的運動部件、熱表面等，對建造中使用的材料、設備的預定用途以及將要遇到的工作條件和船上環(huán)境條件等都做出一些規(guī)定。

SOLAS 對船舶甲板、艙壁、船艙等材料給出基本要求，以保持船舶結構的完整性。對于船體、上層建筑、結構艙壁、甲板以及甲板室應用鋼或其他等效材料建造，為保證安全，公約規(guī)定了船舶的破損穩(wěn)定性，結構強度等，對船舶的載重量、長度等做出要求，但是未對材料的選擇做出明確的指導。

SOLAS 涉及面較廣，主要以保障安全為主，但均為一般性要求，關于極地環(huán)境下船舶材料選擇標準以及試驗方法等未提及。

2.2 《北方海航道航行船舶設計、裝備和必需品要求》

《北海航線船舶的設計、裝備和必需品要求》（RequirementsfortheDesign,Equipment,andSupplies ofVesselsNavigatingtheNorthernSeaRoute）[2]由俄羅斯聯邦政府于1996 年頒布，主要列舉了允許通過北極航線的船只在船體、機械設備、穩(wěn)定性和不沉性、導航和通信設備、供應和應急設施、船員條件等方面的要求。

2.3 《用于在極地水域航行的船舶的建造和分類指南》

《用于在極地水域航行的船舶的建造和分類指南》（GuideforBuildingandClassingVesselsIntended forNavigationinPolarWaters）[3]由ABS 在2008 年頒布，對極地船舶的結構與機械提出了相關要求。其中，結構方面的要求包括設計冰荷載、材料、殼板、船體框架與電鍍、焊接結構等；機械方面的要求包括圖紙、系統設計、推進機械功率、機械緊固裝載加速度等。

與RS 相比，ABS 缺少對導航、通信設備與應急設施的要求，但是在機械方面的要求更為詳盡。

2.4 《鋼船建造和入級規(guī)則》

《鋼船建造和入級規(guī)則》（RulesforBuildingand ClassingSteelVessels,Part6OptionalItemsand Systems）[4]由ABS 于2010 年頒布，其第6 部分“可選項目和系統”包括“加強冰雪航行”和“擬裝載冷藏貨物的船舶”這兩章內容。“加強冰雪航行”主要介紹了極地船舶結構和機械、航行要求、冰級要求；“擬裝載冷藏貨物的船舶”主要介紹了船體結構、裝卸設備、冷藏空間、制冷機械、輔助系統、控制系統、集裝箱運輸船、液體運輸船、冷凍漁船和測試等內容。

在材料方面，《鋼船建造和入級規(guī)則》對結構構件材料等級、設計強度彎矩、框架結構、材料類別要求、腐蝕保護及絕緣材料等內容進行了規(guī)定。該規(guī)范對于材料選取具有一定參考價值，但在試驗方面涉及較少，多為對部件或結構的概述性試驗描述，未提及具體材料的試驗方法。

2.5 《冰級規(guī)則指南》

《冰級規(guī)則指南》（GuidanceNotesonIceClass）[5]由ABS 于2014 年頒布，針對低溫環(huán)境中冰這一特殊形式，規(guī)定采用非線性有限元法對側縱面和側殼板進行結構強化。

《冰級規(guī)則指南》由冰對船體結構的影響入手，通過建模分析合適的材料性能，但并未給出具體的材料。該指南重點關注船舶材料一般性能要求，不涉及具體材料的分類和型號。

2.6 《石油和天然氣工業(yè) 北極作業(yè)的材料要求》2.6 （ISO/DTS 35105: 2018）

《石油和天然氣工業(yè) 北極作業(yè)的材料要求》（PetroleumandNaturalGasIndustriesArctic OperationsMaterial）[6]由ISO 于2018 年發(fā)布，給出了在北極和寒冷地區(qū)中運行的海上和陸上石油和天然氣設施的材料選擇、制造方法和制造要求，并提出了鋼結構和部件的測試和鑒定的建議。

該標準對材料的規(guī)定主要針對以鋼材為主的金屬材料。規(guī)定主要包括技術基礎、制造要求和評估、腐蝕和磨損控制等內容，見圖1。

圖1 《石油和天然氣工業(yè)北極作業(yè)的材料要求》對材料的相關規(guī)定

《石油和天然氣工業(yè)北極作業(yè)的材料要求》針對北極或低溫地區(qū)環(huán)境，重點關注材料的力學性能，除常見的拉伸性能和疲勞性能外，還根據裂紋尺寸定義斷裂韌性和止裂韌性。從微觀角度和能量角度介紹在低溫影響下鋼材力學性能變化的原理，并給出一些具有借鑒意義的模型和經驗公式，這些模型和經驗公式可用來預測者驗證鋼材的力學性能隨溫度變化的曲線，從而更好地改進鋼材的性能。

此外，《石油和天然氣工業(yè)北極作業(yè)的材料要求》還指出要特別關注力學性能不同于常見鋼材的呂德斯應變材料。該標準根據微觀結構和斷裂模式，給出韌脆轉換溫度區(qū)間，并指出低溫下所主要考慮的斷裂模式為解理斷裂。這些原理是國內標準尚未研究的，對于國內標準的制定具有指導意義。

針對低溫下的力學性能，該標準給出相關測試標準和方法；對于指定溫度拉伸性能，該標準給出相關參考標準；對于斷裂韌性，該標準給出J 積分測試和裂紋尖端開口位移（Crack Tip Opening Displacement，CTOD）測試的標準和方法，并給出夏比V 型沖擊試驗的具體參數，可用于驗收材料的斷裂韌性。除此之外，該標準還給出鋼材在各種情況下的焊接要求、焊接工藝的評定、對北極或低溫地區(qū)鋼材的保護要求等內容。

目前國內雖有與海洋工程材料相關的標準，但多關注于室溫下常見的力學性能，對北極或其他低溫地區(qū)專門制定的材料研究不足，且多數標準并未從原理上解釋鋼在低溫下的力學性能如何變化。由于鋼在低溫下會發(fā)生脆性失效，鋼的彈性變形并不是低溫下重點關注的參數，而塑性、韌性和疲勞性能的關系是需要重點關注的內容，故可在這一方面對目前國內標準進行補充。如CCS 的《材料與焊接規(guī)范》[7]主要給出室溫下各種常見力學性能的測試方法，針對各種船用金屬材料的常見力學性能參數（如屈服極限、強度極限、斷面伸長率等）給出相應要求。

目前很多極地項目已提出極地海上結構的功能要求，但現有的指導規(guī)范未能充分考慮北極的運行條件。《石油和天然氣工業(yè)北極作業(yè)的材料要求》填補了這方面的空白。標準內容詳細、全面，對于我國的標準制定和極地工程建設具有重要參考價值。

2.7 《推進裝置及船體附體的冰區(qū)加強》

《推進裝置及船體附體的冰區(qū)加強》（Ice StrengtheningofPropulsionMachineryandHull Appendages）[8]由DNV 于2019 年頒布，包含推進裝置受冰沖擊載荷影響，驗證部件的承載能力（極限和疲勞強度）所需的程序和方法，螺旋槳葉片、輪轂和螺距機構、軸、減速齒輪、吊艙與推進器水下外殼在冰荷載下的模型、有限元分析以及強度評估。在螺旋槳葉片方面，該規(guī)范增加了葉片設計載荷要求；在輪轂和螺距機構方面，該規(guī)范增加了負載與應力要求。此外，該規(guī)范還提出了模擬設計指南，對推進軸進行疲勞分析與設計。

2.8 《石油和天然氣工業(yè) 北極近海結構》2.6 （ISO 19906: 2019）

《石油和天然氣工業(yè) 北極近海結構》（PetroleumandNaturalGasIndustriesArctic OffshoreStructures）[9]由ISO 于2019 年頒布，詳細介紹了海洋結構在北極和寒冷地區(qū)條件下如何進行規(guī)劃、設計、建造、選材、運輸、安裝、使用評估和退役。

《石油和天然氣工業(yè) 北極近海結構》概述了北極海洋結構物設計所需的物理環(huán)境參數，如日照、氣象條件、海洋條件及海冰等。ISO 35106: 2019[10]詳細介紹了北極和寒冷條件下具體物理環(huán)境數據的收集、分析和建議。該標準還對ISO 19901-1: 2015[11]、ISO 19902: 2020[12]、ISO 19903: 2019[13]等標準規(guī)定的海洋結構基礎性進行了補充，提出了材料選擇和檢驗要求。

《石油和天然氣工業(yè) 北極近海結構》主要針對北極和寒冷條件下海上結構所使用的鋼材，鋼材的選擇應符合ISO 19902: 2020 標準。在北極和寒冷地區(qū)環(huán)境下選擇鋼的試驗溫度應基于最低預期使用溫度。材料的最低韌性和無損檢測應符合ISO 19902:2020 標準的規(guī)定。此外，該標準還分析了不同暴露環(huán)境下材料的腐蝕情況，并給出磨損防護方法。在確定涂層的長期耐腐蝕和耐磨性要求時，要評估涂層的耐久性和預期壽命。

該標準應與ISO 19901-1: 2015、ISO 19902:2020、ISO 19903: 2019 等標準一起使用，以便為北極和寒冷地區(qū)的海洋結構提供合適的物理環(huán)境參數、設計方案和材料。

2.9 《船舶及海洋工程用低溫韌性鋼》

《船舶及海洋工程用低溫韌性鋼》[14]由CCS于2020 年頒布，該標準適用于液化氣體運輸船、極地船及低溫海洋工程用碳錳低溫鋼和鎳系低溫鋼板，鋼板的厚度不得大于60 mm。該標準對船舶及海洋工程用低溫韌性鋼的牌號表示方法、訂貨內容、尺寸、外形、重量、技術要求、試驗方法、檢驗規(guī)則、包裝、標志及質量證明書等進行了規(guī)定。

該標準對碳錳低溫鋼及鎳系低溫鋼中的部分鋼材在做拉伸試驗和夏比沖擊試驗時應考慮的力學性能做出了規(guī)定，包括上屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率、材料厚度、試驗溫度、沖擊吸收能量以及最低設計溫度。此外，該標準還對鋼材表面質量做出規(guī)定：不應有裂紋、氣泡、結疤、折疊和壓入氧化鐵皮等對使用有害的缺陷，不應有目視可見分層，不應有焊補等。該標準對鋼材試驗的檢驗項目、取樣數量、取樣方法和試驗方法，以及小尺寸試樣沖擊試驗、尺寸檢查和檢驗規(guī)則等進行了規(guī)定。

《船舶及海洋工程用低溫韌性鋼》對船舶及海洋工程用低溫韌性鋼的規(guī)定較為全面，對極地船用鋼的選用測試具有較好的參考價值。

2.10 《石油和天然氣工業(yè)——固定式海上鋼結構》2.6 （ISO 19902: 2020）

《石油和天然氣工業(yè)——固定式海上鋼結構》（PetroleumandNaturalGasIndustries—FixedSteel OffshoreStructures）[12]由ISO于2020年頒布最新版，該標準主要介紹在一般環(huán)境條件下（除北極及寒冷地區(qū)環(huán)境外）固定式海上鋼結構所使用的鋼結構的類型、選材及應用條件。

《石油和天然氣工業(yè)——固定式海上鋼結構》首先提出了海上結構在不同情景下的設計要求，確保結構在給定情景下的正常使用和使用壽命。該標準要求對海洋結構進行建模和分析，從而確定結構或部分在給定情景下的作用效果。該標準對海洋結構中管狀結構、管接頭以及其他結構部件的強度提出要求，提供對結構的疲勞和腐蝕的分析方法和建議，并對海上鋼結構的選材提出建議和指南。最后，該標準提供對海洋結構的在役檢查方法、結構完整性檢查方法，以及對現有結構的評估方法，以此保證海上鋼結構在服役中的安全性和在給定情境下的適用性。

該標準主要針對一般環(huán)境下海上結構所使用的鋼材，為鋼材的選擇提供詳細的建議和指南。鋼材可根據強度或韌性進行分級。該標準規(guī)定鋼材的具體選擇標準，包括屈服強度要求、暴露等級、組件臨界性以及其他因素，如在塑性變形下的抗斷裂能力、成本、可用性、可焊性等。由材料特性和選擇標準，可以將海上結構所使用的鋼材的選擇方法分為2 種：材料類別方法（Material Category，MC）和設計類方法（Design Class，DC），見圖2。

圖2 鋼材的選擇邏輯流程圖

該標準雖非直接面向極地環(huán)境，但配合其他標準一起使用可提供極地環(huán)境下鋼材的選擇和測試方法。

2.11 《極地水域航行船舶及破冰船分類規(guī)范》

《極地水域航行船舶及破冰船分類規(guī)范》（RulesfortheClassificationofShipsOperatingin PolarWatersandIcebreakers）[15]由BV 于2021 年頒布，其給出了鋼質船舶（包括破冰船）在結冰極地水域航行的要求。在材料方面，該規(guī)范給出了材料（主要為鋼材）的等級評定，并給出每個等級對應的船上部件或結構，見表1。此外，該規(guī)范將船用材料總結為3 類，分別為暴露于海水的材料、暴露于低溫海水的材料和暴露于低溫空氣的材料。

表1 平臺構件的材料等級

該規(guī)范對每一類材料的用途范圍、等級都做出規(guī)定，并給出每一類材料力學性能的要求與測試方法，規(guī)定低溫下材料測試所需滿足的最低性能參數。該規(guī)范對極地船舶提出運行規(guī)范、結構要求以及零部件的性能要求，但涉及材料的部分較少。對北極或低溫地區(qū)所應用的材料雖做出規(guī)定，但不夠詳細。該規(guī)范在材料方面主要側重于對等級的評定與用途分類，僅對材料的力學性能做出簡要的規(guī)定，并未對材料的疲勞、焊接性能和腐蝕磨損防護做出規(guī)定。

3 極地船舶材料標準總結及發(fā)展建議

極地區(qū)域在資源、交通、地緣戰(zhàn)略等方面的價值日益突出，極地材料是開發(fā)極地裝備的重要支撐。通過對30 年來國內外極地公約、規(guī)范、標準中涉及材料部分的歸納和總結，可以發(fā)現目前極地裝備材料類要求和標準呈現的規(guī)律和特點。

3.1 標準比較新，時間集中

隨著北極地區(qū)在資源、交通、地緣戰(zhàn)略等方面的價值提升，各國開始陸續(xù)開發(fā)極地裝備，關于極地開發(fā)用材料的選擇、測試與評價標準近10 年來開始密集出臺和發(fā)布，直接反應出極地戰(zhàn)略的重要性。從時間線上分析，極地專用材料開發(fā)處于上升期，我國科研機構需要重點投入，抓住發(fā)展黃金期，實現科研和工程的雙豐收。

3.2 標準寬泛、尚無船舶類專用材料標準

早期標準涉及材料部分考慮大多為極地環(huán)境操作和運行的基本要求，針對機械設備、電子設備、甲板艦身等，而不針對具體材料，不涉及具體的測試評價。極地船舶的材料要適應惡劣、復雜的極地環(huán)境，因此對材料性能有特殊要求。針對不同類型極地船舶材料，需制定針對性的性能指標，形成通用測試技術標準。針對不同冰級要求下的極地船舶的甲板、船身、結構用耐低溫、耐腐蝕鋼等特殊材料，需制定專用焊接工藝和極地環(huán)境檢測標準等。

3.3 材料標準比較單一，需豐富材料類型

近年來，逐漸形成和發(fā)布專門針對材料的測試、選型和評價標準，但其主要針對金屬鋼材以及焊縫測試。而非金屬一直是船舶工程的關鍵材料，包括塑料、橡膠、涂層以及復合材料等。各類非金屬材料承載的關鍵功能包括：密封、保溫、防腐、減震、絕緣、防火等，但極地環(huán)境下非金屬材料的測試標準基本屬于空白區(qū)，尚無系統、分類的測試評價技術。本文建議先從非金屬材料分類著手，建立高分子、陶瓷以及復合材料在極地復雜環(huán)境下的通用性測試及評價標準；其次，針對特殊功能非金屬結構，形成例如玄門、窗用密封橡膠材料，船身防腐、抗磨、耐低溫、耐沖擊涂層、輕質保溫防火材料、耐低溫、抗老化電纜保護套材料、救生類玻璃鋼復合材料等特性材料的測試標準。以上標準分散且繁瑣，但對于極地船舶的開發(fā)具有重要的意義。

4 結論

鑒于極地資源競爭白熱化，極地船舶裝備的開發(fā)顯得尤為重要，而材料是基礎，極地惡劣環(huán)境下材料的測試與評價、選型與開發(fā)等亟待標準化。本文通過對近30 年國內外極地開發(fā)標準進行梳理分析，著眼于裝備材料的選型、試驗等方面，結合我國極地船舶材料標準現狀，指出極地船舶材料標準的特點，提出相關建議，為我國極地船舶裝備開發(fā)提供材料研究提供參考。