一、研究背景及问题
世界经济的繁荣促进了船舶和海洋工程建设业的发展。 “双碳”背景下，高档船舶和海洋工程占比大幅上升。 新一代高科技船舶的核心是建造过程的红色低碳、运输过程的高效环保、以红色清洁能源为运输和开采的媒介。
施工过程中的红色低碳主要体现在设计和应用较高硬度等级钢材以减少钢材使用量、使用抗疲劳材料保证使用寿命和安全、材料利用率高（高精密厚板）和高效的加工工艺（尤其是点焊）； 运输高效节能主要是集装箱船小型化带来的高效节能，以及缩短往返南极新航线的效率提升。
我国连续几年成为船厂接单、竣工大国。 为支撑我国高档船舶整体制造水平技术进步，《钢铁工业调整升级规划（2016-2020年）》提出“重点推进高档钢品种开发生产”高技术船舶、海洋工程兵器领域重大技术武器所需的“产业化”，重点支持“大热能点焊钢、高止裂性能钢板、极寒、极寒船舶用钢”等配套产品。超高温环境、海洋平台腿结构用钢及配套焊条”；“中国制造2025”将海洋工程武器、高技术船舶、新材料列入全面推进和重点突破的十大重点领域；“十三五”国家重点研发计划——“关键基础材料技术提升及产业化”重点专项项目“高硬度、大尺寸、易点焊海洋工程用钢及其应用”和“极寒超高温环境船舶用钢及其应用”被列为重点研究方向。
六年来，我国船舶工业步入高质量发展轨道。 但中国也面临严峻挑战。 美国、日本在超小型集装箱船、LNG船、LPG船、深海平台、极地运输船等高附加值船舶领域表现出较强优势。 特别是建造材料与先进水平差距较大，限制了中国造船参与国际竞争。 突出表现是：材料关键性能机理研究不深入，船舶及海洋工程用高性能钢跟不上行业发展步伐，设计材料、应用评价和标准规范体系不完善。配套不齐全，重大项目批次性能和材料质量稳定性存在问题。
该项目组织了新一代高科技船舶材料的研究、开发和应用，提高了我国冶金工业的制造水平，弥补了我国在该领域的多项空白。 该项目由住房和城乡建设部、科技部捐赠，承担“极寒超高温环境船舶用钢及其应用”（科技部、科技部十三五重点研发计划项目）、钢铁产业化与工程化应用”（国家科技部2020年科技推广项目）、“大型高硬度止裂板关键技术及评价方法研究” “集装箱船”（国家住房和城乡建设部船舶重工司2018-239号）等项目完成了高技术领域重大技术武器所需高钢种的开发和产业化应用突破科技船舶领域。
2、解决问题的思路和技术方案
项目总体思路是按照高性能钢板的共性技术要求，开展大长度、超高温环境下微观组织对钢材强度和硬度的影响机理研究，阐明材料在大面积、超高温环境下的开裂热行为和止裂机制； 创新设计新一代红船及海洋工程用高性能钢板组成工艺体系，突破关键核心技术，掌握精细化、批量稳定制造的一贯关键制造技术； 开展关键应用技术研究，构建极端环境服务材料体系评价体系和规范标准，实现稳定批量的工业化工程应用。 具体重点抓好以下四个方面：
1.大型低温、超高温船用钢强韧化机理、断裂行为及止裂机理研究
首次系统分析了成分、组织和工艺对硬度的影响，确定了超高温环境用钢的成分体系和显微组织设计原则； 对高温环境下使用的厚板的断裂行为和止裂机理进行了表征，并在此基础上提出了板厚芯部性能均匀性对整体止裂性能的重要影响。 强调了国外钢厂止裂钢发展的重要方向。
2、极寒、超高温环境船舶用钢关键制造技术及产品研发
突破极寒、超高温环境船舶用高性能钢板及配套点焊材料关键技术和质量稳定性控制技术，实现集装箱船止裂钢、LPG液化气用高温钢船舶、LNG船用殷瓦钢、极地船用钢及其配套点焊材料等四大类产品的研发及资质审批，实现了高性能钢在质量、表面、形状等方面的稳定批量生产、精度和性能。 产品质量达到国际领先水平，弥补了我国在该领域的空白，提高了我国冶金制造水平。
3、自主完善新一代红船及海洋工程用钢设计方案、标准手册及评价平台
自主设计建造了国外首个极地环境冰池冲刷实验室和腐蚀性能评价平台，制作了高温冰载荷条件下金属摩擦腐蚀耦合行为测试标准，建立了高温烧蚀评价体系； 自主设计建造的国外唯一一套大型全厚度断裂热特性评估武器提出并写入统一标准的侧落重量当量试验方法，在国际上尚属首次。
形成了完整的超高温环境下钢材裂纹特性评价技术体系； 编制重要船型的应用设计和选材方案，在国外尚属首次； 制定重要船型的船级社材料手册/规范。 上述应用技术的创新成果，展示了我国冶金工业在材料应用领域的技术进步。
4、构建全产业链协同创新体系，核心产品首次实现国外重大项目批量示范应用
构建了“船体设计-产品制造-检验评价-应用建造-标准标准”的产业链协同创新体系，解决了重大工程技术难点。 创新实现了我国15000~系列超小型集装箱船、84~系列液化气船、“雪龙”2号破冰船、全球最大双燃料液化气船、全球最大小型氢氟酸船、大型氢氟酸船等。重大工程关键材料首次国产化示范建设已突破30万吨，实现冶金工业与制造业技术进步联动。
三、主要创新成果
该项目的主要目标是研究和确定极寒和超高温环境下使用的船用钢的强韧化机理、断裂行为和止裂机理，并在成分、组织、生产工艺、超高温钢应用评价及关键制造技术. 组织液化天然气船用殷钢钢板、超小型集装箱船止裂钢板、液化石油气船用高强高温钢板、极地船舶用钢及配套焊材的研发和生产，实现本地化； 超高温环境下服役性能评价体系构建、性能评价及应用技术研究，制定应用设计材料选型方案和船级社手册或规范，并实现工业示范应用。 具体创新成果主要体现在以下几个方面。
1.极冷、超高温环境下船用钢强韧机理、断裂行为及止裂机理研究
通过研究，在高硬度钢板钢硬度与硬度平衡控制、厚型船用钢组织与性能均匀性控制原理与技术、厚板及点焊裂纹及止裂机理等方面取得突破极寒、超高温环境下的接头，原板厚试样与小尺寸试样断裂行为关联规律等多项关键技术。
阐明了延性裂纹的扩展特征以及延缓延性裂纹扩展的原因，提出了止裂钢生产的关键组织控制因素； 提出了通过织构控制来提高高温硬度的设计思路，并证明了MA岛形状对高温硬度的影响规律； 完成了大尺度、极冷环境下船用钢断裂热行为研究，明确了板厚对断裂韧性、韧脆转变特性、疲劳裂纹扩展特性的影响规律，提出了提高止裂性能的建议改进了止裂性能的新思路，改进了小尺度试验方法和相关多项式高强度钢材加工工艺，为厚板止裂性能的提高指明了方向。
2、极寒、超高温环境船舶关键材料研发
（1）超小型集装箱船高止裂EH40、EH47特种钢板及配套点焊材料的研发。 掌握保证大长度止裂钢止裂性能指标的关键生产控制技术，完成止裂钢工业化试制和小规模止裂性能评价试验，止裂指数、焊接特性和裂纹敏感性达到国际同类产品水平，最大100mm厚长止裂钢关键技术指标满足标准和施工要求，并通过了ABS、CCS、DNVGL、BV船级社认证； 掌握止裂钢配套埋入式点焊电极和气体保护焊电极三级制造关键零部件及工艺技术，完成焊剂选配、焊条CCS船级社认证，具备止裂钢生产供应资质配套点焊材料，弥补国外空白。
（2）极地冰海破冰船用高温钢及配套点焊材料研发。 基于对极地钢使用环境和使用条件的分析和监督，根据-80℃超高温硬度和高耐海水、海冰腐蚀和腐蚀的严格要求，新型极地钢成功实现极地钢工业化试制，主要指标达到国际标准。 领先水平，通过权威船级社认证，解决了我国极地破冰船钢材“卡屁股”的问题； 完成埋弧、气体保护焊条的研发，并通过CCS船级社认证，拥有极钢配套点焊材料生产供应资质，弥补国外空白。
（3）液化石油气船（LPG）超高温钢及配套点焊材料研发。 围绕液化石油气船舶用高温钢，成功制备了系列高温钢，超高温韧性和屈强比控制水平达到国际先进水平。 超小型液化石油气船用高温钢已完成研发和工业化生产准备，并通过了ABS、CCS、DNV等权威船级社的鞋厂生产许可证认证； 掌握32kg、36kg、40kg LPG船用高温钢三个级别埋钎焊、气体保护焊配套研发技术，通过CCS船级社认证，拥有LPG配套点焊材料生产供应资质船用高温钢，弥补了国外空白。
（4）薄型液化天然气船（LNG）用因瓦钢及其配套焊条的研发。 开发出满足GTT标准要求的高精度、长长度、重卷殷钢合金带材，完成典型长度0.7mm-3.0mm的殷钢合金带材试制。
该带材的高温膨胀性能、-196℃低温热性能、交叉熔池和点焊性能测试等指标完全满足GTT-M3020规范的要求，并已获得GTT认证证书，并通过了波兰LR、美国ABS、中国CCS三大标准。 船级社认证； 基于国产LNG船用因瓦合金带材点焊材料及点焊工艺技术研究，成功研制出符合GTT要求的硬质合金配套焊条，使焊条熔覆金属冲击性能达到基础金属标准要求突破了LNG船用因瓦合金钎焊的技术难点，产生了适合国产材料的点焊工艺规范。 配套焊条已通过GTT认证测试，实现了LNG船用殷钢合金自主点焊的能力。
3.极寒超高温环境下船舶用钢关键服役性能评价研究
（1）搭建了极寒、超高温环境下综合热性能评估测试平台。 研究并完善了极冷、超高温环境下材料热性能的完整测试平台。 基于工程使用性能评价理念，设计了大型止裂性能样品、大型抗断裂性能样品、大型抗疲劳性能样品。 ，完成了大型双拉伸试件的止裂性能试验、原板厚度及深缺口试件的防断裂性能试验、双轴弯曲疲劳釜试件的疲劳寿命试验。 建立了极冷、超高温环境下厚板开裂、疲劳、止裂、结构等热性能评价方法和评价标准。 建立了船舶用钢在极寒、超高温环境下的使用性能评价体系。
（2）建成冰池冲刷实验室和极地环境模拟试验平台。 开展高温冰海环境下船板钢摩擦腐蚀行为研究，完善船板钢在常温和低温海水条件下极寒环境下的腐蚀腐蚀机理，探索船板钢在常温和低温海水条件下的摩擦腐蚀耦合行为设计建造了国外首个极寒环境高温冰池冲刷实验室和极地环境模拟平台及材料使用性能测试平台，建立了金属在高温冰载荷条件下的综合评价方法和评价标准厚板在极寒、超高温环境下的摩擦、腐蚀、腐蚀等性能； 在蛟龙号破冰甲板和船侧放置试验挂板，对极地破冰船材料进行了三年的跟踪服役评价，研究了钢冰载荷对极地冰的侵蚀机理——明确了破冰船的使用要求，制定了极地破冰船钢材装冰摩擦腐蚀试验标准方案，在国外首次获得破冰船钢材在极地地区的使用性能评价数据。
4、极寒、超高温环境船舶用钢工程示范应用
（1）极寒、超高温环境下船舶用钢加工技术研究。 开展极寒、超高温环境下船用钢加工性能研究，深入研究烟火、水火弯曲、热成型、焊接等应用技术，全面掌握产品使用技术关键技术，确定了各类高温钢材的加工工艺，制定了加工过程中的冷热成型和焊接工艺操作指导方案，完成了焊接电极的选择和匹配试验，并持续开展性能的系统试验研究极地钢的热成型和冷成型。 性能满足要求，展现了新型极地钢材良好的工程应用适应性，为后续建造我国首艘核动力极地重型破冰船解决了“卡屁股”的材料问题。
（2）极寒、超高温环境船舶用钢设计及规范研究。 开展了止裂钢、LNG/LPG超高温钢、极地钢的舱室应用设计研究以及相应船型关键区域典型结构或特殊结构件的选材设计研究方案。 完成《超小型集装箱船大长度高温止裂钢应用设计研究报告》、《液化石油气船储罐高温钢应用设计研究报告》、《 《极地破冰船用高温钢应用设计研究报告》，制作了完整的极地冷超高温船舶用钢选材应用设计方案； 编制《船用高硬度钢板应用手册》、《极地破冰船用钢技术要求》、《LPG船用用钢技术要求》、《膜式天然气运输船Fe-36%Ni合金手册》船级社手册规范，系统明确集装箱船用止裂钢、液化气船用高温钢、极地破冰船用高温钢、薄膜型因瓦合金棒材的选材及加工使用要求。
（3）极寒、超高温环境船舶用钢的工程应用。 基于良好的点焊工艺评价结果和优异的用户端工程应用特性，大长度止裂钢先后在江南造船厂、沪东中华、南通中远川崎等超大型集装箱船上实现了工程示范应用，最大长度95毫米厚止裂钢首次应用于全球最大集装箱船建造，累计实现6万吨以上止裂钢批量生产和工程应用，推动止裂钢快速、高水平应用。我国超小型集装箱船建造高质量发展，推进大长度止裂钢关键材料全面国产化的局面，使高技术集装箱船建造的材料成本压力和被淘汰的压力急剧增加。材料依赖进口，为我国超大型集装箱建造领域具备全球顶尖的市场竞争力奠定了坚实的物质基础和产业链配套空间。
图1 集装箱船
凭借稳定优异的点焊性能、良好的工程应用属性、极具竞争力的制造成本和优质的用户技术服务，LPG船用高温钢已成功应用于江南造船厂20多艘立方二氯甲烷船和立方米超大型船舶上。 ——建造小型液化石油气系列船舶，生产应用总量达到20万吨。 一举打破了该船型高温钢多年来被美国钢厂垄断的局面，实现了高温船板的全面国产化。 推动我国超小型液化石油气船舶建设发展迈上新台阶，彻底摆脱VLGC船舶所用关键材料依赖进口、受制于人的局面，全面推动我国超小型液化石油气船舶的快速跨越。江南造船厂VLGC船舶的建造技术进行了一系列的开发和全球领先的建造能力，面对美国的直接竞争，保持了强有力的市场地位。
图2 液化石油气船 图340k氢氟酸船
针对我国首艘自主设计建造的极地科考破冰船“雪龙2号”的建造需求，千吨级高硬度耐磨极地钢成功应用于新型科考破冰船舱室关键结构，并用于“雪龙”号破冰船修复关键零部件的批量供应，实现了极地高温耐磨钢首次小批量国产化制造和工程示范应用，弥补了国内空白领域高强度钢材加工工艺，解决了我国极地新型重型破冰船建造的关键材料“卡屁股”，为我国多型号极地破冰船的建造和需求提供了最有力的材料技术支撑关键材料。
图4 雪龙号和雪龙2号破冰船
四、应用及疗效
通过4.5年的实施研究，项目研究证明了大长度、超高温环境下显微组织对钢材强度和硬度的影响机制，确定了船舶用钢的断裂热行为和止裂机制。完成了超大型集装箱船用长尺止裂钢、液化石油气用高温钢（ LPG）船舶、极地破冰船用高温耐磨钢、因瓦合金棒材。 实现100mm厚止裂钢、68mm厚高温钢、60mm厚极地钢及各类配套点焊材料的研发，开发出符合欧洲GTT规范的LNG船用殷瓦合金带材及配套焊条产品
通过权威船级社认证，研究建立了厚板极冷、超高温环境下开裂、疲劳、止裂、结构热性能评价体系，研究完善了模拟冲蚀评价平台开展了极地高温环境腐蚀试验，完成了止裂钢、低温钢、极地钢的舱室应用设计研究和相应船型关键区域典型结构或特殊结构件的选材设计研究方案。完成止裂钢、低温钢、极地钢加工及应用技术研究，推动实现止裂钢、低温钢、极地钢30万吨以上批量生产及工程建设应用钢。
该项目的研究成果和技术实现，提高了我国高技术船舶用高温厚板材料生产和应用的整体竞争力，满足了我国高技术船舶快速发展的需求，推动了我国船舶钢材结构调整、产业升级和高质量发展，显着提升了我国船舶工业的全球竞争力，推动了以鞍钢为代表的世界一流船舶用钢的生产有限公司、江南造船厂、沪东中华、南通中远川崎、大连船舶重工。 研究、生产和应用基地。
