用高强度钢建造轻质战舰所面临的挑战

现代水面战斗舰艇和潜艇等战舰为了具有较好的稳定性，增加有效载荷、机动性和生存性，要求不断增加采用能减轻壳体结构重量的高强度钢板比例。国防部要求海军舰艇建造使用的合金钢和装甲钢约占总量的50%。在舰艇服役过程中，其结构承受着复杂的载荷谱和环境，同时用来制造壳体的结构钢和焊接材料在这些环境中必须具有高断裂韧性。服役过程中的一般动载荷包括波浪载荷、波浪拍击、冲击、振动、在热带和寒带海域的热偏移、船货漂移、飞机的起飞与降落以及武器的反作用等。在这些服务环境下必须确保壳体结构的完整性以使其具有连续抗浪性以及对敌方武器做出快速的反应。海军舰艇的防断性是通过采用结构钢和焊接材料进行壳体装配来保证的，使得在这些极端恶劣工作环境中能具有高断裂韧性和许用裂缝。因此，对海军舰艇钢的关键要求，不仅要考虑强度、可焊性以及冲击载荷作用下的低温韧性，而且还要考虑经济性，以便保持合理的舰艇采购成本。

ＨＳＬＡ-80和ＨＳＬＡ-100钢

20世纪80年代初期，钢铁厂曾经生产了具有优良可焊性、低温韧性和屈服强度为60～80ｋｓｉ的高强度、低合金（ＨＳＬＡ）钢板。海军开展了一项发展和检验高强低合金钢的项目，使该合金钢可以不经或减少预热时间就具有可焊性、高强度、高韧性以及与高屈服钢相等的优质焊缝性能等。该项目研究的重点是在合理的壳体制造成本范围内减轻ＣＧ-47级驱逐舰和ＤＤＧ-51导弹驱逐舰的重量。这个项目表明，改进的ＡＳＴＭＡ710Ａ级钢板可以满足最低屈服强度80ｋｓｉ的要求，在低温下具有高却贝Ｖ型缺口冲击能，当采用与没有进行预热处理的ＨＹ-80相同的工艺和方法时，该钢板具有优良的可焊性。因此，ＨＳＬＡ-80钢是ＡＳＴＭＡ710钢中最佳的钢种，并且在1984年经过对钢板性能、焊接性以及制造特性，包括结构模型的建造和无损检测进一步评价之后，可证明这类钢板可用于舰艇制造业。据估算，用ＨＳＬＡ-80取代ＨＹ-80每吨制造成本可节约2000～3000美元。其中包括材料、劳动力、能耗和检验成本等。到2001年，大约有40000ｔＨＳＬＡ-80用于美国海军水面战斗舰艇结构上。

继ＨＳＬＡ-80项目之后，开始进一步的合金开发和鉴定项目，该项目的进行使得准许用ＨＳＬＡ-100来代替ＨＹ-100以进一步降低制造成本。ＨＳＬＡ-100也是一种含碳量低，铜沉淀强化钢，合金元素含量比ＨＳＬＡ-80的要高。这种新型钢种具有与ＨＹ-100相应的强度和韧性，运用与没有预热要求的ＨＹ-100钢相同的焊接材料和工艺时，具有可焊性。ＨＳＬＡ-100的开发由3个阶段组成：（1）合金设计，通过利用实验室标准的加热方式来不断优化设计钢的成分；（2）在钢板厂试生产钢板以达到临时性规范；（3）进行板厚0.25～3.75英寸的鉴定项目。

ＨＳＬＡ-100钢板和焊件的鉴定包括机械、物理和断裂韧性等性能测定，高约束度下可焊性和焊接工艺范围的评定（那些易于产生大量残余应力），研究疲劳性能和海洋环境的影响，以及大型结构模型的制造和评定来验证实验室确定的焊接工艺参数的适用性。根据在评定中演示的性能和可焊性，验证了ＨＳＬＡ-100钢在水面舰艇结构和防弹结构上的应用并用它来取代ＨＹ-100制造美国ＪｏｂｎＣ.Ｓｔｅｎｎｉｓ（ＣＶＮ74）核动力航空母舰以降低制造成本。根据结构的复杂性，估计该舰制造成本可节约500～3000美元/长吨（2240镑）。在2001年，大约有30000ｔＨＳＬＡ-100钢板用在海军水面战斗舰艇上（主要用在航空母舰上）。

ＨＳＬＡ-65钢

海军水面舰艇用高强度钢板主要包括屈服强度为50ｋｉｓ（345ＭＰａ）的ＡＢＳＤＨ/ＥＨ-36钢，屈服强度为80ｋｉｓ（550ＭＰａ）的ＨＹ-80或ＨＳＬＡ-80钢以及屈服强度为100ｋｉｓ（690ＭＰａ）的ＨＹ-100或ＨＳＬＡ-100钢。虽然舰艇的某些结构要求使用较厚的钢板，但是大多数结构包括船壳板则只需厚度为0.25～1.25英寸的钢板。在水面战斗舰艇建造中，还没有对屈服强度在50ｋｓｉ的ＨＳＳ钢和80ｋｓｉ的ＨＹ/ＨＳＬＡ-80之间的高强度钢板进行鉴定，也没有制定设计标准。除了舰艇防护板（装甲）外，在舰艇结构中使用高强度钢是为了减轻重量和降低成本提高效益。与用ＨＳＳ（ＤＨ/ＥＨ36）钢相比，用ＨＹ/ＨＳＬＡ-80只要求用较薄的板和更少的焊接金属。然而，这会导致扭曲发生，因此就需要附加加强件，这就不利于为减轻重量而对ＨＹ/ＨＳＬＡ-80的使用。此外，ＨＹ和ＨＳＬＡ钢板的每吨成本要比ＨＳＳ高2倍多而且制造成本也相对比较高。

显然，在ＨＳＬＡ-80钢项目中，屈服强度为65ｋｓｉ的钢是为供管线和近海平台使用而研制成的“纯粹”ＨＳＬＡ钢为基础的，它能满足具有高强度、韧性和可焊性的造船钢板要求。这种ＨＳＬＡ钢利用低含碳量和微合金化与热机械加工技术相结合来代替昂贵的添加合金元素和热处理（用这个与依赖于大量合金元素—Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｃｕ和线外热处理—淬火和回火来获得性能的ＨＹ/ＨＳＬＡ-80钢相比）。

海军海上系统司令部推荐继续开发ＨＳＬＡ-65级钢的计划。这是由于设计研究（驱逐舰型壳体）表明应用屈服强度为80ｋｓｉ的钢将受到限制（由于翘曲限制），而65ｋｓｉ屈服强度钢可以达到相似的减轻重量的目的。对用65ｋｓｉ屈服强度钢制造的大多数水面舰艇壳体结构，制造成本可以降低，该钢材料和制造成本类似于ＨＳＳ而且同时可减轻重量。对ＨＳＬＡ-65级的候选钢是控轧、微合金化、控制夹杂形状的低碳锰钢，类似于管线用钢ＡＰＩ5ＬＸ65。

服役寿命，重量和允许的稳定性是新一代航空母舰设计的关键性能。一艘具有50年服役期，壳体形状与ＣＶＮ-68级航空母舰类似的航空母舰，减轻重量是很困难的而且费用很高。在服役寿命的基础上，要绝对保证提高航母的作战能力和威胁性将会继续增加它的重量。因此必须考虑航空母舰结构能够增加重量极限的措施。

用ＨＳＬＡ-65代替ＨＳＳ将能够使用较薄的板材，从而使每艘舰减轻重量估计达1500长吨的水平（最大的减轻重量措施可以利用设计的方法）。ＨＳＬＡ-65钢板的成本大致与ＨＳＳ相等，其焊接工艺、程序和焊接材料与ＨＳＳ相同。对较薄的钢板使用较少体积的焊缝金属也将减少总的制造成本。因此，ＨＳＬＡ-65系列将经济有效地节省重量。

ＨＳＬＡ-65开发和焊接最优化

在20世纪90年代初，当诺斯罗普·格鲁曼公司纽波特纽斯船厂（ＮＮＳ）探索航空母舰主结构使用经济性好、工业规范的（ＡＳＴＭ）ＨＳＬＡ-65级结构钢时，ＨＳＬＡ-65钢的开发得到了发展的机会。据纽波特纽斯船厂估计，如果在ＣＶＮ-76和ＣＶＮ-77建造中采用这种钢，就可大大减轻舰艇的重量。ＣＶＮ-69级舰的重量逐渐增加，将会减少寿命延长极限。纽波特纽斯船厂提出了一项临时性的“净化”低碳钢标准说明书，并且通过了ＡＳＴＭ分委员会、海军水面作战中心（ＮＳＷＣ）、美国船级社（ＡＢＳ）和有关钢铁制造厂等的审查。在1995年年度标准中公布了ＡＳＴＭＡ945，它是利用低含碳量，限制硫含量来改善高强度低合金结构钢的可焊性、成型性和韧性的标准规范的。在1994～2000年间，对ＨＳＬＡ-65钢及其焊接性能同时展开了几个主要项目的研究，以测定它的机械、物理和断裂性能；可焊性和焊接工艺范围的评定；疲劳性能的研究和海洋环境的影响以及制造特点。对其中一些研究项目概述如下：

·ＮＮＳ航空母舰研究项目对ＨＳＬＡ-65生产性钢板的特性做了表征，并且对ＣＶＮ-77航空母舰上关键与非关键结构取代345ＭＰａ高强度钢的可能性进行了评论；

·海军研究署的海洋用材料项目评定了按照ＡＳＴＭＡ945生产的65级（ＨＳＬＡ-65）钢板的强度、韧性、疲劳性能和可焊性，其焊缝用高强度钢型焊接材料制造。ＨＳＬＡ-65焊接的开发研究，确定了高强度级焊接材料的性能要求；鉴别可提高ＨＳＬＡ-65焊接韧性的焊接材料以及在高热能下表征ＨＳＬＡ-65热影响区的韧性；

·海军研究署的制造技术项目表征了具有经济效益的可替代产品ＨＳＬＡ-65焊材利用典型的船厂焊接工序时，金属极气保护焊、埋弧焊、药弧焊以及溶剂芯电弧焊等的特征。审查了船用高强度钢（ＤＨ-36，ＥＨ-36）建造时的制造方法（火工矫直，热/冷成型，焊后热应力消除）对ＨＳＬＡ-65钢及其焊件性能的影响。本项目集中于ＨＳＬＡ-65焊接材料和工序的最优化；焊接接头性能的分析以及在苛刻工作条件下ＨＳＬＡ-65焊接接头性能的鉴定。

美国国内钢板厂按照ＡＳＴＭＡ945为这些项目提供了板厚为0.25～1.25英寸的65级钢板。按照ＡＳＴＭＡ945对所有钢板的生产方法（控轧，淬火和回火，热机械加工和加速冷却）进行了评定。表1归纳了海军研究署和纽波特纽斯船厂有关ＨＳＬＡ-65钢和焊件项目所取的研究成果。

表1海军研究署和ＮＮＳ对ＨＳＬＡ-65项目的研究成果

项目

内容

1

美国国内所有钢厂生产的钢板都满足ＡＳＴＭＡ94565级钢的化学成分、拉力性能和冲击韧性的要求，全部钢板都满足或者超过海军水面战斗舰艇结构规定的在-400Ｆ下，最低ＣＶＮ≥70（ｆｔ-Ｌｂｓ）的要求；

2

所有钢板采用的成分和加工工艺以其他工业用钢为基础（不排除军用型钢板），诸如ＨＹ/ＨＳＬＡ-80或ＨＳＬＡ/ＨＹ-100钢板；

3

舰船建造方法，诸如冷成型，火工矫直，焊后应力消除都是与采用高强度钢（ＤＨ-36，ＥＨ-36）相同工艺时同样的加工温度限制；

4

大多数70系列焊接材料规定的屈服强度比ＨＳＬＡ-65钢要低（低匹配屈服强度焊缝）；然而，实际上，大多数焊缝金属屈服强度和抗拉强度最终足够使ＨＳＬＡ-65钢板基体发生破坏；

5

ＨＳＬＡ-65的可焊性等于或优于高强度钢（ＤＨ-36，ＥＨ-36）；

6

ＨＳＬＡ-65焊接结构件断裂韧性试验呈现延展性，高的裂缝允许量，在-200Ｆ工作温度下显示高的抗脆性（焊缝在-400Ｆ下韧性超过20ｆｔ-ｌｂ）；

7

几种70系列焊材（根据钢板化学成分和焊接工艺决定）制成的焊缝，显示出具有良好的ＣＶＮ（在-400Ｆ下超过25ｆｔ-ｌｂ，它被海军设定为水面战斗舰艇的性能指标要求）；

8

ＨＳＬＡ-65对接和十字接头的高周疲劳性能，它的十字部分类似一拉丁十字，都在高强度钢和ＨＹ80焊接状态接头试验结果的分散度范围之内；

9

用70系列焊接材料制成的ＨＳＬＡ-65板焊缝爆炸鼓胀试验的厚度减薄率超过ＨＹ-80钢，而且在裂缝源爆炸鼓胀试验也呈现很好的性能。

ＨＳＬＡ-65系统认证

对ＨＳＬＡ-65钢板和利用高强度钢焊接工艺程序和焊接材料的焊件进行的检验和分析表明，这种系列材料的性能和特征是能够满足水面战斗舰艇结构要求的。它与ＨＳＬＡ-80，ＨＳＬＡ-100同时进行研制材料性能和特性的评定，并足以支持海军水面非主要结构件用ＨＳＬＡ-65钢系统的认证。然而，必须对其进行结构疲劳、板扭曲、侧向压力、局部不稳定性以及短柱和格子试验来验证设计标准和在主结构上全部利用ＨＳＬＡ-65高强度钢的优点（格子一般由纵向和横向加强的板连接而成）。

检验结构用ＨＳＬＡ-65

ＨＳＬＡ-65钢结构性能和稳定性的检验和评定集中在ＨＳＬＡ-65结构行为的六个方面：①焊接结构压缩性能；②加强件的局部稳定性；③板的扭曲；④板的侧面变形；⑤疲劳强度；⑥格子强度。目前由于缺乏这些方面的数据而妨碍了ＨＳＬＡ-65在水面战斗舰艇主结构的有效应用。

由于新型航空母舰十分需要减轻重量，所以建立了鉴定ＨＳＬＡ-65钢作为水面战斗舰艇主壳体结构应用的全部结构评估项目并且已在2002年完成。研究重点集中在预定应用的苛刻条件以取得数据库和一般结构用认证的可靠性。这也会减少舰船设计中使用新型65ｋｓｉ屈服强度钢的风险。由结构试验来验证ＨＳＬＡ-65板扭曲、侧向受压能力、结构疲劳、结构件的稳定性和格子性能等设计标准对主结构的证明和ＨＳＬＡ-65系统设计是很有必要的。一旦证实ＨＳＬＡ-65可以在水面战斗舰艇上使用，则它的潜在效益可能超出海军航空母舰的应用范围。可预料这种材料将会进一步用在ＤＤ（Ｘ），ＬＰＤ17和ＬＨＡ（Ｒ）级等舰上。

此外，重量的减轻将由ＨＳＬＡ-65组合（焊接）型材代替效率低的高强度轧制型材。没有厂家生产造船用的高强度轧制型材，而且这种型材基本上都是特大尺寸的。然而ＨＳＬＡ-65组合型材可以设计和制成满足强度要求的尺寸从而减轻舰艇的重量。此外，制造和安装成本将由于减少大型轧制型材公差误差而降低，这种误差会引起装配中的安装问题。要将ＨＳＬＡ-65钢组合成Ｔ型（两块平板焊接成Ｔ型-横截面形状）的设计标准必须使各尺寸成比例以防止法兰和腹板的局部扭曲。在认证过程中，进行了特殊结构元素测试替代极端恶劣环境下的组合型材来获取数据和支持焊接ＨＳＬＡ-65钢成型件的设计标准。

1结构性能圆柱体试验

在压缩载荷下的结构件的稳定性试验基本上用线弹性公式来定量表达，它只仅对应力在应力-应变曲线上的原始线弹性范围内才适用。舰船结构基本上按照接近屈服强度的应力点防止扭曲超过比例限来进行设计的。（比例限是应力不再与应变成线性比例关系的一点）。为了预测非弹性扭曲，采用比例限和屈服应力来校正线弹性扭曲公式和说明非弹性效应。

对很短的由ＨＳＬＡ-65Ｉ-梁组成的分段进行一系列的压缩试验。Ｉ-梁的法兰和腹板是成比例的，以防止局部扭曲，而试样的总长做成足够短以防止圆柱扭曲。由于存在纵向填角焊缝引起残余应力和制造引起非平面变形，测量了制成的ＨＳＬＡ-65Ｉ-梁的变形，然后加载到发生重大塑性变形后出现破坏。记录加载-变形曲线显示初始线性的偏移点结构比例极限。用这些结果校正非弹性行为的弹性扭曲公式。与ＨＳＳ和ＨＳＬＡ-80类似的Ｉ-型梁试验所得的数据相比，就可确定ＨＳＬＡ-65结构设计的工作应力的相应安全系数。

2局部非稳定性试验

舰船钢结构的组合Ｔ-加强件需要法兰与腹板有适当的宽-厚比（ｂ/ｔ）以避免在压缩载荷下的局部扭曲（即防止加强件的法兰和腹板扭曲）。忽略这种失效方式可能导致各个构件承载能力减少产生更严重的扭曲失效。在ＨＳＬＡ-65Ｉ-梁组合的分段上做圆柱试验，该梁短到足以防止圆柱扭曲的发生，但是当板扭曲模式占主导地位时，该梁又长到足够消除长宽比的影响。法兰和腹板的尺寸要设计成具有相同的稳定性，以此来满足下限强度，即法兰不能稳定腹板，而腹板又不能稳定法兰。在每端焊接端盖可将载荷很好的传递到梁上。圆柱上安装应变和位移片以保证载荷的均匀分布以及确定扭曲的发生和扭曲后的行为。对4种宽厚比的Ｉ-梁进行测试，测试方法与测试ＨＳＳ和ＨＳＬＡ-80钢类似。ＨＳＬＡ-65显示的结构行为和极限强度正如所预料的，跟ＨＳＳ和ＨＳＬＡ-80之间的屈服强度类似。ＨＳＬＡ-65钢结构行为的分析给ＨＳＬＡ-65板加强件设计提供了宽厚比极限的实验依据。

3板扭曲试验

舰船结构几乎完全由直角加强板组成。板材和加强件都必须设计成能够承受工作载荷。在舰船面板周围焊接加强件或与附近的面板焊接。焊接引起的残余应力，它可能会严重影响面板的强度。板扭曲一般用板的宽厚比参数表征，这些参数是宽厚比率、屈服强度和弹性模量。为了设计，假定面板边缘是简单支撑的，而且在均匀增加压缩边缘载荷下面板首先扭曲，然后直到最终发生压溃时产生扭曲后强度。对用不同宽度的面板通过边缘焊接并在轴向加载使得在超出宽厚比范围内发生扭曲行为的ＨＳＬＡ-65面板进行了性能评价。在面板上安装了应变片和位移传感器以测定扭曲的发生和追踪每块面板发生扭曲后的行为。ＨＳＬＡ-65面板的板格测试结果与海军舰船为防止板扭曲和极限强度所使用的曲线比较相符。

4侧面压力试验

舰船壳体结构的大多数板格是根据承受不同数值的侧向压力进行设计的，它们与吃水、压载、燃料和浮动条件的变化有关。此外，某些结构件（例如，壳板和壁板）是按照承受侧向载荷设计的，以使它可能使板承受某种程度的永久变形。设计指南已经发展到采用校正因素（称为“Ｃ-因素”）来确定板最大的宽厚比，给出板的长宽比和作用在板上的静压头。

对ＨＳＬＡ-65板进行测试，采用试验方法来测定钢板的弹性、破坏能力等性能，采用ＮＳＷＣＣＤ分部压力箱设备来测定该钢板的Ｃ-因素。圆柱装置是用柱面一端有加强件的厚板造成的。ＨＳＬＡ-65试验板与圆柱的内径和加强件焊接在一起。圆柱的另一端用厚圆板盖住。整个试验装置放在压力箱内，逐渐增加和减少压力以建立永久变形和施加压力之间的关系。应变片和位移传感器测量了板的反应和永久性装置。在收集足够的数据后，就可测定ＨＳＬＡ-65板的Ｃ-因素，增加压力一直达到最终保持压力。在这种压力下，在板材边缘的加强焊缝处发生了剪切破坏。对ＨＳＬＡ-65面板在侧向压力下建立的Ｃ-因素正如钢在屈服强度时所预料的那样。

5结构件疲劳试验

使用ＨＳＬＡ-65钢将获得比ＨＳＳ承受更大应力和更薄尺寸的结构。当主结构和辅助结构受到循环应力作用时，就可以在设计时考虑更高的疲劳强度。焊接结构件的疲劳强度由在恒定振幅的循环应力作用下的具有代表性的焊接接头出现疲劳裂缝产生破坏时决定的。由于最终将用恒定振幅载荷来预测航程中的载荷，在ＨＳＬＡ-65焊接接头评定中也应该采用随机振幅载荷作为精确地评定预测疲劳寿命的方法。为了表征焊接ＨＳＬＡ-65钢的疲劳强度也对简单的Ｔ型结构进行了测试。

疲劳试验接头结构在长度中部的两侧连接平板，无受载的侧面连接的全焊透填角焊缝与施加整个反复载荷振幅的轴方向垂直。这种结构代表在舰船结构中的焊接件的流行，也对由ＨＳＳ和ＨＳＬＡ-80钢做成的类似结构进行了试验。疲劳试验是在利用液压夹具的专用机械上进行的。

对疲劳应力幅大小进行的测试确定了整个舰船服役期间内防止疲劳设计的数据。这种数据有助于解决舰船结构老化的维修问题。试验结果表明，在整个服役期内，ＨＳＬＡ-65焊件的疲劳性能可以与ＨＳＳ和ＨＳＬＡ-80焊件的疲劳性能相媲美。焊件的疲劳强度与Ｔ型焊缝凸缘的应力集中有关（焊缝的几何形状）而与钢的屈服强度和抗拉强度无关。因此，当钢的强度和设计应力增加时，必须充分注意疲劳设计以获得适当的结构寿命。

6格子试验

如前所述，舰船结构一般包括纵向和横向加强板。前述试验旨在了解局部结构的性能，诸如在加强件之间板的承载能力，加强件的法兰和腹板单元的比例和焊接件的疲劳强度。然而，在设计更大的普通结构前，必须了解像那样的局部结构问题。当整个结构尺寸增加时，为了控制主载荷构件的扭曲要对构件的尺寸、形状和长度加以限制。由于扭曲模型相互作用的复杂性以及因制造引起的初始变形和残余应力的影响，大型结构的最终承载能力通过实验就可很好地确定。格子测试结构，包括多层纵向和横向加强件被用来评定灾难性的扭曲失效模式并确定了防止最终破坏的安全极限。格子试验使用的是8×24英尺的结构，其中包括3块舱室隔板，由纽波特纽斯船厂制造。由ＮＳＷＣＣＤ室内的独特格子试验设备进行仪表安装，测试非平面变形、试验、分析和拟订文件等。

ＨＳＬＡ-65钢设计标准/指南

ＨＳＬＡ-65结构试验对板扭曲的设计标准、侧向受压能力、结构疲劳、结构的稳定性和格子性能提供了实验验证。这些数据支持全面实施无限制地使用ＨＳＬＡ-65作为主壳体结构并且减少舰船在建造和服役中存在的未预料问题的风险。结构试验演示ＨＳＬＡ-65系统（基体材料和焊接结构）的全面性能以便在现有标准和指南下按照所预料的条件下使用。

未来海军用钢

ＨＳＬＡ钢的研究和开发项目给海军提供开发用低成本钢取代ＨＹ钢系统和较高生产率的新型高强度焊接产品的机会。海军在高强度钢研究上已取得的主要成果是通过冶金手段获得可焊、韧化的结构钢而不再受到自20世纪60年代以来ＨＹ系列钢的成本和焊接的限制。

以前受到限制研究的先进超低碳钢冶金系统和加工技术，已由国外生产改变成国内工业生产了。随着成熟的热金属处理、微合金化、改进钢坯生产、热机械控制轧制和在线冷却的共同作用，可能得到屈服强度为150ｋｓｉ的固有可焊合金钢板。

先进的ＨＳＬＡ冶金系统，钢板加工技术和高强度钢的先进连接技术将继续成为21世纪海军研究和开发的一部分。可以预料“下一代海军”舰艇的性能要求是提高对钢种的要求，而减轻舰艇重量改进其防护性是另一个要求，这将要求合金钢系统的屈服强度能增加到130-150ｋｓｉ以此来抵御未来武器的威胁。