摘要：文章从化学组成、力学表现角度，深入分析高强度船板性能，以期揭示国际各类船用钢板规范的差异性。以DH36船板钢为视角，分析焊接条件下的力学表现。经研究发现：DH36船板钢在0~1600℃温度范围内，弹性模量、屈服强度会逐渐减小至0，泊松比参数稳定、热膨胀系数会有少量增长；在焊接期间，DH36船板钢横纵焊缝两个方向沿线，不同距离的应力表现有一定差异性，据此可设定合龙焊缝节点，切实增强板材整体力学效果。

　　关键词：高强度船板；焊接；化学成分；力学性能

　　在海洋石油勘测工作持续推进的背景下，国内海洋平台需要更多的钢材，逐年增加高强度板材的使用量。海洋平台长时间处于海洋中，作业环境具有多变性，且服役期是普通船舶类的2倍以上。在长时间低温、光照、海水侵蚀的条件下，平台结构规划使用的材料，应具有高强度、强韧性、不易冲击、耐疲劳、焊接效果较好等特点。

　　1高强度船板的化学组成分析

　　1.1造船标准

　　在全球范围内，针对造船、钢材生产的行业标准规范较多，中国、美国、法国等都制定了各自的造船标准。在海洋石油勘测、造船技术持续更新的背景下，逐步产生了质量较大的海洋平台、规模较大的货船。此类海上作业设施，需要使用质量更好的船体板材。当前，国内较为成熟的标准规范为《船舶及海洋工程用结构钢标准》（GB/T 712—2022）。

　　1.2化学组成上下限控制方法

　　文章有针对性地选择中国、挪威、法国等多个国家的造船标准，侧重分析高强度船板的化学组成。中国钢材的实际质量会高于规范，表现出较好的板材性能。中国钢材性能具有一定差异性，在钢材生产前期就提出了具体的生产方案和标准，以此来把控钢材中各类化学成分的比率。在钢材生产过程中，为保证船板技术性能，有效融合“微合金技术”，尝试在钢材内融合钛、钒等各类合金元素，参照所需控扎工艺，以期细化晶粒，间接增强船板强韧性。在使用锰、硅元素时，需要明确上下限，确保板材力学表现的平稳性。在硫、磷、氮各类成分用量把控方面，应参照船级社规范，确保用量控制效果。各类化学成分上下限控制方法，详见表1。

　　由表1对比发现，碳、酸溶铝、铜、锰等元素，在不同规范中的用量相同；硅元素，仅有美国给出了下限0.10，用量上限各个规范一致，均为0.50；硫、磷使用时，仅有《船舶及海洋工程用结构钢标准》（GB/T 712—2022）与各国造船钢规范有一定差异性，其上限值略低。

　　1.3高强度船板钢各类化学成分的功能

　　1.3.1碳

　　高强度船板钢内使用的碳较少。一般钢种中碳含量较高，聚集了较多的珠光体相，此种成分会产生数量较多的原电池，间接增强钢材腐蚀速度，弱化钢材韧性。

　　1.3.2锰

　　锰含量增多时，会间接提高钢材强度、硬度，适当弱化钢的韧性。主要是锰与硫会产生MnS，引起锰发生偏析，由此降低了钢材韧性。

　　1.3.3硫、磷

　　硫、磷元素含量较多时，会形成热脆，致使钢在高温条件下出现裂纹，焊接生产时出现疏松孔、气孔等情况。为此，硫、磷含量需要严格把控。

　　2高强度船板的力学表现分析

　　2.1制造高性能船板钢的力学要求

　　当前，中国船板钢的生产体系中，高强度钢抗拉性的最大值，调整为660N/mm2，相比调整之前高出了170N/mm2。力学要求对比，具体见表2。

　　“DH/EH”表示高强度钢，“32”“36”“40”表示的是板材公斤数。各国标准中，高强度力学表现均如表2数据。仅有美国规范略有差异，集中体现在伸长率方面。在美国规范中，三种高强度板材的伸长率均为20%，无差异要求。在冲击功方面，法国、美国限定了板材厚度在100mm以内，其他各类规范给出的板材厚度为≤150mm。在对照《船舶及海洋工程用结构钢标准》（GB/T 712—2022）时，冲击功能规范更为严格，钢板厚度应≤50mm。

　　2.2使用高性能船板钢的力学性能要求

　　2.2.1高强度

　　在船舶服役安全性需求下，高性能船板钢的生产、加工各个环节，均应保证技术效果。细化晶粒、析出相是保证钢材强度的关键。多数情况下，采取“微合金”“控轧控冷”等各类技术方法，以此保证晶粒细化程度。
       2.2.2强韧性

　　近年内，国家较为关注北极区域，极寒环境内船舶用量较大。一般情况下，在较低的温度条件下，会削弱钢材韧性。为此，在极寒区域内增强船板钢韧性，是较为关键的技术任务。船板钢应具有较强的韧性，依照其使用环境的特点，兼具止裂韧性，确保强度、韧性的平衡性。

　　2.2.3强抗腐蚀性

　　增强钢材抗腐蚀性，使其拥有较长的服役能力，有助于控制船舶生产、运维的支出。

　　2.2.4优异的焊接工作性能

　　在船舶生产期间，可能会出现船舶焊接任务。造船效率主要依赖于焊接技术。原有的焊接技术，难以顺应造船需求。大线能量焊接表现出生产速度快、技术安全性较强等特点。此种新型焊接技术，逐步成为船板钢的主要生产技术。在焊接处理形成的热影响范围，可能会发生软化、脆化等现象，间接弱化了焊缝韧性。

　　3 DH36船板钢的力学分析

　　3.1热力学分析

　　在力学计算期间，利用有限元模型，判断高强度板材焊接生产阶段的应变、位置变化量等情况。在力学分析之前，在有限元模型内，添加热学、力学的各类属性信息。力学计算的关键参数，具体包括弹性模量、热膨胀系数等。DH36板材在温度增长时，其热力学性能表现，见表3。

　　在0~1600℃范围内，DH36高强度船板的弹性模量、屈服强度会逐渐变小，直至为零，泊松比不会发生变化，热膨胀系数会逐渐升高。如图1所示，是本次应力分析使用的DH36船板钢焊接接头的技术图。

　　图1中，试件长边为40mm，宽边150mm，厚度有20mm。采取6层焊接方式，共设12个焊缝，即图中编号1~12。

　　3.2应变增量计算方法

　　在力学分析期间，需要考虑相变与塑性之间的关系。在焊接生产期间，各个节点高温时间不长，可排除蠕变应变因素。测定材料加工硬化表面时，可利用各个方向的相同准则。为此，在分析DH36高强度船板时，其应变增量共有4个部分，具体见式（1）：

　　△etotal=△eo+△ep+△eT+△etr（1）

　　式中：△etotal表示DH36船板产生的应变总量；△eo表示弹性应变的变化总量；△ep表示塑性应变的总量；△eT表示热应变总量；△etr表示相变总量。

　　3.3建模分析方法

　　依照DH36船板的情况，创建仿真模型。在线上模型中，设计的焊缝有12个，共有6层。每个焊缝起始点、终末点均一致。在焊接期间，需要经历不均衡的加热处理。焊接热源、热量干扰区域的温度变化量较大。在焊缝四周，均采取网格加密处理方式，确保计算结果准确，显著提高计算速度。在焊缝较远的位置，使用网格稀疏分割形式。在网格划分完成时，得出了大约5万个节点。在力学计算期间，外部边界条件与测定流程一致，尝试在4个不同方位，设定固定约束。在焊件冷却完成时，卸除约束条件。如图2所示，是在线热处理的技术图。

　　3.4焊接变形分析

　　线上模拟数据，得出焊接完成时DH36板材变形表现：整体为V字型，具有角变形特点。对比实际板材焊接后的变形情况，在角变形方面的表现一致。线上模拟与实际板材的角变形偏差不足10%。由此可知：使用线上模型，能够预测DH36船板焊接生产可能形成的变形问题。如图3所示，焊接生产各个环节船板钢可能会出现的显微结构变化。

　　3.5焊接应力分析

　　数值模拟开展焊接应力分析时，在横、纵各个方面，焊接完成DH36板材剩余应力，主要分布在焊缝四周位置。使用小孔法，逐步测定板材表面焊缝、四周应力情况。在应力测定期间，主要查看焊缝两侧、中部各个位置的剩余应力。测定结果，见表4。

　　参照应力分析数据发现：焊缝四周的剩余应力具有一定变动性。其一，在焊接沿线上，焊缝横向、纵向各个距离的剩余应力，具有两端测值一致、中间数值相似的特点；其二，在焊缝四周位置，以焊接方向为参考，从初期剩余压应力转移至剩余拉应力，在末端再转换成剩余压应力。参照DH36板材的焊接应力变化情况，可确定各个合龙焊缝的节点，以此保证板材整体的力学表现。

　　4结论

　　（1）高性能船板含有多种化学成分，依照其功能、含量规范，有效控制用量，是保证船板力学性能的关键措施。

　　（2）高性能船板钢生产时，应参照船舶及海洋工程用结构钢标准（GB/T 712—2022）的要求，确保造船整体性能。

　　（3）DH36船板钢在温度从0升至1600℃时，其弹性模量、屈服强度会逐渐减小，直至没有，泊松比较为稳定、热膨胀系数会有小幅度增长；在焊接加工中，在DH36船板钢焊缝沿线，应力表现具有波动性，以此确定合龙焊缝节点，有助于提高板材整体力学性。

        参考文献：

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　　［3］高珍鹏，宫旭辉，薛钢，等.高强度钢板常规力学性能与化学成分的相关性分析［J］.材料开发与应用，2018，33（5）：7-13.