海事公务与海工科技

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。 船用材料在加工过程中需要经过冷热加工与焊接，船舶在使用中会受到海浪的冲击和海水、海泥、海洋大气的腐蚀。因此，要求船用材料具有很高的综合性能，包括良好的塑性和可焊性，较高的刚度、强度、良好的塑性和冲击韧性，较好的耐腐蚀性。塑性就是材料在载荷作用下产生塑性变形而不损坏的能力。表现材料塑性的指标是伸长率。塑性好的金属材料，冷热加工工艺过程简单，质量容易保证；塑性好的零件，在使用时如果发生过载，因其能发生一定的塑性变形故可避免突然断裂。冲击韧性是指金属抵抗冲击载荷的作用而不破坏的能力。船体结构在使用期间要受到海浪抨击等冲击载荷的作用，由于冲击载荷的加荷集中度高，作用时间短，金属在受到冲击时应力分布与变形很不均匀，因而冲击载荷比静载荷破坏能力要大得多。材料的冲击韧性值与材料的内在因素，如成分、组织等，以及试样的形状、尺寸、面质量有关外，还受温度的影响。工程上常用的结构钢均会产生冷脆现象。所谓冷脆是材料工作在某一低温温度以下时，其冲击值明显下降，转变为脆性状态的现象。由于冷脆导致的船舶、桥梁等大型结构脆性断裂事故，曾在世界各地多次发生，造成了巨大损失。由于船舶的航行区域从极地到热带，因此在船用钢材进行冲击韧性试验时要特别说明温度。冲击韧性虽可反映脆断趋势，但实际上并没有明确的物理意义。它不能直接与设计联系起来。造船规范上对材料的韧性指标要求，只是依据经验，特别是对焊接结构船只出现的许多脆断事故进行研究后得出的。强度是指材料在外载荷的作用下抵抗塑性形变和断裂的能力。按外力作用的性质不同，主要有屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等，常用的是屈服强度和抗拉强度，这两个强度指标可通过拉伸试验测出。对于船舶而言，会受到重力、浮力、水压力等等不同情况的力，因此，船体材料需要足够的强度。可焊性是指在一定的工艺条件和结构状态下，材料经过焊接后，不形成裂纹，并具有足够的强度、塑性和韧性的焊接接头的性能。所谓的优良的可焊性是指：(1)焊接工艺简单；(2)焊接时不易产生裂纹及各种缺陷；(3)焊缝处保持足够的强度和韧性。对于船用金属材料，一般都要进行可焊性试验。评定钢材焊接性能的衡量标准如下。(1)焊缝热影响区的最高维氏硬度值（HVmax）。当HVmax< 350时，焊接时不易产生裂纹。(2)(2)钢材的碳当量(CE)
若CE≤0. 40%时，焊接性能好，施焊时不需预热；  若0. 40%≤CE≤0.70%时，该钢焊接性能一般，施焊后要进行热处理；  若CE>1.00%时，一般认为该钢种不能焊。  除化学成分外，厚板比薄板易产生裂纹。焊前预热、焊后进行消除应力退火，可防止或减小裂纹的产生。
    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）。
君权级战列舰 目前对于民用船舶，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：
力学性能如下：
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：
目前的船用钢材应用在了各种船舶和海洋平台上，应用范围极为广泛，但也对船用钢材提出了越来越高的要求。总体而言高强度钢的需求占比继续提高。在强度要求方面，随着船舶大型化及安全、涂装规范的变化，总的趋势是普通A级板用量逐渐减少，高强板用量增加。目前国内散货船高强板（AH32-AH36;DH32-DH36）使用比例在60%左右，集装箱船使用比例在45%左右，油船高强板使用比例约为30%。在高强度船板生产方面，目前我国大型钢厂都能够生产，但12毫米以下高强度船板还有部分依赖进口。 特殊性能的钢材需求大幅度增加。随着我国建造高技术船舶的能力不断增强，特殊性能的钢材需求也在大幅度增加。例如低温韧性钢、双向不锈钢。如大型LNG船采用的低温压力容器板，不仅要满足高强度船板的要求，还要满足－163℃的耐低温压力容器性能要求。新型集装箱船等船型所用船板几乎涵盖所有级别，品种达1200多个，并向F级、Z级钢船板和型材发展。 经过钢铁企业多年努力，我国船用钢材的国产化率已超过95%。2013年，我国仅有少量钢材品种需要进口，进口船用钢材的品种主要是满足-60℃低温要求的F级高强度钢，屈服强度达到620兆帕（MPa）、690兆帕级别的超高强度钢以及部分特殊钢材。具体品种包括殷瓦钢、双相不锈钢等，主要应用于液化天然气（LNG）船、化学品船、超大型集装箱船等。海工装备对钢材机械性能要求很高，抗拉强度、低温韧性、可焊性、Z向性能、腐蚀疲劳特性、耐蚀性、冷热加工性能等方面较常规船舶有特殊要求，个别品种需要进口，主要涉及：热机械控制工艺（TMCP）钢，TMCP技术国内多数钢厂均已掌握，但有的钢厂因温度控制技术精确度的原因，产品性能不够稳定；悬臂梁结构中应用的超高强度钢EQ56，厚度55~76毫米，目前已知宝钢、沙钢能生产此类钢种，但质量稳定性尚待提高，桩腿结构中最主要的齿条和弦管用钢为美标材料ASTM A517 GR Q，其最大厚度为177.8毫米。舞阳钢厂已开发出齿条钢，但实船应用业绩较少，且齿条板的厚度仅限于150毫米以下，无法全面满足船厂需求。
“海洋石油981”半潜式钻井平台，类似的海工装备要面对长期的海洋环境和恶劣海况，个别品种的钢材需要进口。 经过多年努力，我国民用造船用钢性能及质量有了很大的提高，但与日韩等国相比仍有一定差距，特别是在厚度、宽度及长度、精度等方面与日韩有较大差距；36公斤以上的高强度钢，往往因为焊接工艺不过关或材料自身要求较高，难以通过船检认证，致使不能实船使用； 船板表面麻点等质量问题时有发生， 钢板边缘平整度、直线度不高，国产钢板通常要至少10毫米的边缘切割量，除对钢材利用率造成一定影响，还多了一道切割加工工序，增加了加工成本。 截至2013年底，我国船板产能超过3500万吨。而2013年我国船板产量还不到1000万吨，产能利用率不到30%。由于市场持续低迷，产能严重过剩，目前国内约有20套中厚板轧机处于停产或半停产状态，船板生产企业盈利空间大幅萎缩，部分钢铁企业开始退出船板生产领域。受全球航运市场运力过剩的影响，船舶市场已连续5年低迷，船企手持船舶订单量持续下降，2013年船舶企业开工、完工船舶大幅减少，船板需求降幅较大，造船板市场供大于求矛盾突出，全年船板平均价格震荡下滑。统计显示，1月份20毫米造船板平均价格为4179元/吨，2月份曾达到全年最高价4249元/吨，后逐月下降至7月底的3983元/吨。从8月份开始，造船板价格低位企稳，截至12月底，20毫米造船板平均价格为3978元/吨，同比下降3.7%，远低于钢厂平均成本4400元/吨。
船用结构钢

国内船用钢生产厂家
舰船用钢。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.在二战之前美国一直采用屈服强度不低于235MPa的钢材建造军舰，1940年研制成功屈服强度不低于343MPa的HTS高强度钢，其后该钢用于建造第一艘核潜艇和水面舰船.随后从20世纪50年代开始研发HY系列高强度结构钢，首先于1952年研制成功屈服强度不低于550MPa的HY-80，在HY-80的基础上改变合金含量及回火温度以提高强度，研制了屈服强度不低于690MPa的HY-100钢，该钢1966年用于航空母舰的飞行甲板。在60年代中期美国又研制了屈服强度为不低于896MPa的HY-130钢，使用HY-130钢的“海狼”级核潜艇，下潜深度可达560m。随后研制出的HY-156钢的屈服强度不低于1078MPa。

世界第一艘核潜艇“鹦鹉螺号”采用HTS高强度钢建造
海狼”级核潜艇，使用屈服强度为不低于896MPa的HY-130钢建造 从20世纪八十年代开始，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，美国海军开发、应用了新一代高强度易焊接舰船用钢——HSLA系列船体钢。从冶金学上来讲，新一代船体钢与传统调质型高强度船体钢完全不同，它是以低碳铁素体钢或超低碳贝氏体钢为基础发展起来的。该系列钢合金设计具有如下特点：为了保证优良的焊接性和良好的低温韧性，钢中碳含量明显降低。Cu是该钢中最主要的强化元素。通过时效处理析出细小弥散的ε-Cu颗粒，产生强烈沉淀强化，弥补了降碳引起的强度损失。由于碳当量的降低，这类钢的某些高强品种甚至可以实现0℃焊接不预热，大大简化了造船工艺，缩短了造船周期。该系列中的HSLA-80的屈服强度与HY-80相当，但可焊性更好，已经在“黄蜂”级两栖攻击舰上使用。在HSLA-80的基础上，美国海军在1985年开发了更好可焊性的HSLA-100钢用于替代HY-100钢。最近又研发了强度级别785MPa级的HSLA115钢，已经开始在新型航母——福特号上使用。



福特号航空母舰，采用了强度级别为785MPa级的HSLA115高强度易焊接舰船用钢。 日本也相继开发了Ns30（屈服强度不低于294MPa）、Ns46（屈服强度不低于451MPa）、Ns63（屈服强度不低于618MPa）、Ns80（屈服强度不低于785MPa）、Ns90（屈服强度不低于882MPa）、Ns110（屈服强度不低于1078MPa）等高强度钢(该系列牌号中的30、46的单位为千克每平方毫米)。1956年用Ns30钢建造了战后日本自行设计的第一艘潜艇“亲潮”号,1958年又用于建造排水量2350吨级航速32节的“明月”号驱逐舰。1959～1962年用Ns46钢建造了“早潮”和“大潮”号潜艇,1975年又将该钢用于建造排水量5200吨航速32节的直升机护卫舰飞机起降甲板及其它主要部位。1959年日本防卫厅组织有关部门开始仿制和改进HY-80钢并定名为Ns63钢。其可焊性与HY-80钢相当,1966～1967年间还进行了铸锻钢及建造方法的研究,1967～1968年间进行了全尺寸模拟结构试验,从1968年起该钢用于建造潜艇,1971年建成“涡潮”号。1977～1978年间曾用Ns80钢建造“夕潮”级潜艇,1969年日本防卫厅技术本部又组织了Ns90钢的研制。1970～1973年对该钢各项性能进行了鉴定。1978年10月,用NS90钢成功地建造了“深海—2000”深潜器,下潜深度可达2000m。“亲潮”级采用NS110高强度建造钢耐压艇体。
日本亲潮级潜艇。亲潮”级和之后的苍龙级均采用NS110高强度建造钢耐压艇体。 俄罗斯（前苏联）开发了CXЛ-4（屈服强度不小于392MPa）、CXЛ-45以及AK和AB两个系列的高强度钢材，AK系列有AK17、AK25、AK27、AK28、AK29。AK-25的屈服强度不低于590MPa，AK-29的屈服强度不低于785MPa、AK-34的屈服强度不低于1175MPa，AB-2的屈服强度不低于690MPa。目前,俄罗斯已开发了屈服强度不小于785MPa系列高强度可焊结构钢,并成功将其用于焊接结构的建造。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431MPa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。    法国在第二次世界大战后开发了ST52（屈服强度不低于343MPa）、60HLES（屈服强度不低于590MPa）、80HLES（屈服强度不低于700MPa）、100HLES（屈服强度不低于890MPa）高强度钢。

　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、440MPa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。

目前，国内正在研制开发采用电渣重熔技术生产超大潜深潜舰艇用980MPa级钢，大型水面舰船用低碳铜实效易焊接690MPa（应该与美国HSLA-100钢类似，用途也应该相似）、590MPa级钢、新一代易焊接超细组织控制440MPa级舰船用钢等。这些研究有效地促进了我国船体结构材料体系的配套完善，为实现船体材料的升级换代奠定了技术基础。 舰船用钢的发展方向向高强化方向发展。为了满足大型水面舰船和大潜深潜艇的需求，舰船用钢在向高强度化方向发展。美国航母大量采用690MPa级高强钢作为航母甲板用钢，新近又研发了强度级别为785MPa级的HSLAll5钢，并已在航母“福特号”上试用。为满足大潜深潜艇的建造要求，俄、美、日等国都已采用了屈服强度为900MPa~1080MPa级超高强度潜艇耐压壳体用钢。美国研制的HY、HSLA系列高强钢，最高强度达到900MPa，被美国政府作为战略物资，不允许擅自出口;俄罗斯开发了屈服强度达到1175MPa的钢种。我国在这方面也取得了可喜进步，为满足大潜深潜艇需求研制的屈服强度达到785MPa级高强钢，已经取得了阶段性成果，正在开展模型建造和应用研究。为下一代超大潜深潜艇研制的屈服强度为980MPa超高强度钢，也取得了突破性进展，完成了技术储备。向超长、超宽、超厚方向发展。海军舰船向大型化方向的快速发展，对大型水面舰船用钢的需求在持续增加，对海军舰船用钢也提出了新的要求。为了提高舰船建造质量和建造速度，舰船用钢向超长、超宽、超厚方向发展是必然趋势。以海军各型号产品建造的主力钢种为例，目前钢板的使用宽度多为2.0米~2.5米，长度一般小于12米，为了提高建造速度，冶金企业研制开发了超宽(大于3800mm)、超长(大于12000mm)的舰船钢板，从而有效减少了焊缝数量，降低了水火弯板和火攻矫正的时间。向低磁或无磁化方向发展。磁性对军舰来说是非常不利的，因为这容易被敌方磁力探测到。低磁或无磁钢对舰船隐身能起到非常好的效果。无磁钢是一种功能材料，它在舰艇等装备方面用途很广泛。钛合金具有强度高、重量轻、耐腐蚀、非磁性等特点，非常适合在舰艇上使用，也早已被各国所关注。尤其是苏联将钛合金成功用于潜艇建造，取得了令人瞩目的成就。我国在无磁钢的研究方面也取得了很大成绩，如已研制成功某低磁钢并用于扫雷艇壳体、潜艇磁罗径围壁和消磁码头结构件等。向军民通用化方向发展。追求舰船用钢与民船及其他民用用钢的通用性、一致性，是世界各国随着材料科学和造船工业发展的共性，其核心和本质是要打破军民界限，在国家利益的平台上配置军民资源，将整个国防科技工业寓于国民经济基础之中。由于军舰的建造批量小，小批量多品种、多规格钢材的生产通常会增加成本，或难以满足生产要求，而且随着现代冶金技术的发展，民船用钢的要求和性能已不亚于军船用钢，因此国际上普遍提倡军民通用的原则。由此基础上诞生的就是采用民标高强度钢制造军舰，例如采用DH36德国F-123，有效地降低了成本。近年来，我国在这方面也进行了有益的尝试，组织了舰船用钢军民通用化研讨，开展了《球扁钢军民通用化论证》。特别针对某轻型护卫舰的需求，提出了以民用船板替代军用钢用于船体建造的军民一体化设想，并完成了相关可行性验证工作，已成功应用于轻型护卫舰的批量建造，目前，首批舰已交付海军服役。积极推进利用民用连铸钢的成熟技术，成功实现将军用钢全面由模铸转连铸供货，不仅提高了效率，产品质量也有大幅度提升，同时大大降低了成本，军事和经济效益显著。 此外，船体结构用钢还包括铸钢件和锻钢件，常见的铸件有舵柱、锚穴等、常见的锻件有艏柱、舵杆、轴托架等等。它们受力状态复杂，对钢材要求较高。
船用铝合金。铝合金是以铝为基的合金总称。主要合金元素有铜、硅、镁、锌、锰，次要合金元素有镍、铁、钛、铬、锂等。铝合金密度低，，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，工业上广泛使用。船用铝合金具有重量轻、抗腐蚀性能好、加工成型性能好、无磁性等优点。但同时也有强度低（一般低于300MPa）、熔点低（有过惨痛教训）、易氧化等缺点。对于船用铝合金，要具有一定的屈强比、高温强度、疲劳强度和伸长率。高温强度应保证在加热到100摄氏度时应保持机械性能不变，在加热到250摄氏度时屈服极限不得降低40%以上。 由于铝合金具有一系列的优点，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。 船用铝合金的发展历程。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“Diana 2”游艇，长16.75m，宽3.66m，吃水1.74m，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。此后随着钨级氩弧焊和熔化极氩弧焊等铝材焊接方式的不断发展，新型铝材的不断研发，铝材价格的降低，铝合金船也越来也多。目前在船体结构上应用的主要是5083、5086、5383三种合金，它们的耐腐蚀性能、机械性能、焊接性能都较好。 船用铝合金的化学成分

船用铝合金的力学性能



采用搅拌摩擦焊焊接而成的铝合金带筋板，搅拌摩擦焊是1991年出现的焊接方法，这类新的焊接方法的出现促进了船舶制造业的发展。

铝合金建造的夏威夷双体客滚船,有不少类似结构的双体快艇采用铝合金建造。

夏威夷双体铝制客滚船的建造过程

美军LCAC气垫登陆艇，采用铝合金制造，类似的气垫登陆艇基本都是采用铝合金制造。

056轻型护卫舰，据说上层建筑的材料为铝合金（来源：百度百科）