一、研究背景与问题

世界经济的繁荣促进了船舶和海洋工程建造行业的发展，在“双碳”背景下，高等级船舶及海洋工程比例强势上升。新一代高技术船舶核心是建造过程的绿色低碳、运输过程的高效环保、运采的介质是绿色清洁能源三个方面。

建造过程的绿色低碳主要是体现在设计应用更高强度等级钢材以减少用钢量、采用具有抗疲劳的材料保证服役周期和安全性、高的材料利用率（高精度钢板）和高效加工过程（特别是焊接）；运输的高效节能主要是以集装箱船为代表的大型化带来的高效节能，及往返北极新航线缩短的效率提升。

我国已经连续几年成为造船接单、完工的大国。为支持我国高等级船舶整体制造水平的技术进步，《钢铁工业调整升级规划（2016-2020年）》提出“重点推进高技术船舶、海洋工程装备等领域重大技术装备所需高端钢材品种的研发和产业化”，重点支持“大线能量焊接钢、高止裂性能厚板、极寒与超低温环境船舶用钢、海洋平台桩腿结构用钢及配套焊材”等产品；《中国制造2025》将海洋工程装备及高技术船舶和新材料列入整体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—“重点基础材料技术提升与产业化”重点专项将“高强度、大规格、易焊接海洋工程用钢及应用”与“极寒与超低温环境船舶用钢及应用”列入重点研发方向。

近十年来，中国船舶工业迈入高质量发展轨道。但中国也面临着严峻的挑战，韩国、日本在如超大型集装箱船、LNG船、LPG船、深海平台、极地型运输船舶等高附加值船舶领域显示更强的优势。特别是建造材料与先进水平差距较大，限制了中国船厂参与国际竞争，突出表现为：材料关键性能的机理研究不深入，高性能船舶与海洋工程用钢跟不上行业步伐，设计选材、应用评价、标准规范等体系不完备，材料在重大工程中批量性能质量稳定性存在问题。

本项目开展了新一代高技术船舶用材料的研制开发与应用，提升了我国冶金行业的制造水平，填补我国在该领域的多项空白。项目得到国家工信部、国家科技部资助，分别承担了“极寒与超低温环境船舶用钢及应用”（国家科技部，十三五重点研发计划项目，2016YFB0300700）、 “极寒与超低温环境船舶用钢的产业化及工程应用”（国家科技部，2020科技助力项目，SQ2020YFF0426397）、“大型集装箱船用高强度止裂钢板关键技术及评价方法的研究”（国家工信部，船重科2018-239号）等项目，完成了高技术船舶领域重大技术装备所需高端钢材品种的研发和产业化应用突破。

二、解决问题的思路与技术方案

项目总体思路是根据高性能厚板的共性技术要求，开展大厚度、超低温环境下微观组织对钢材强韧性影响机制的研究，明确大尺度、超低温环境下材料的断裂力学行为和止裂机理；创新设计新一代绿色船舶及海洋工程用高性能厚板的成分工艺体系，攻克关键核心技术，掌握精细化、批量稳定化制造的一贯制关键制造技术；开展关键应用技术研究，建立极端环境服役材料的评价体系和规范标准，实现批量稳定的产业化工程应用。具体聚焦以下四个方面：

1、大尺寸、低温与超低温环境船舶钢强韧化机制、断裂行为及止裂机理研究

首次系统分析了成分、组织和工艺对韧性的影响，确定了超低温环境用钢的成分体系、微观组织设计原则；明确了脆性裂纹传播特点及止裂的冶金影响因素，进行了大尺寸厚度超低温环境用钢板的断裂行为、止裂机理机制的表征，在此基础上提出板厚芯部性能均匀性对整体止裂性能的重要影响。为国内钢厂止裂钢的开发指出了重要方向。

2、极寒与超低温环境船舶用钢的关键制造技术及产品研制

攻克了极寒与超低温环境船舶用高性能厚板及配套焊接材料的关键技术和质量稳定性控制技术，实现了集装箱船用止裂钢、LPG液化气船用低温钢、LNG船用殷瓦钢、极地船舶用钢等四大类产品及其配套焊接材料研制与资质认可，实现了高性能钢在内质、表面、板形、精度、性能的稳定化批量制造，产品质量达到国际领先水平，填补了我国在该领域内的空白，提升了我国冶金制造水平。

3、自主建立新一代绿色船舶与海洋工程用钢的设计方案、标准指南、评价平台

自主设计建造国内首套极地环境冰池磨蚀实验室及腐蚀磨损性能评价平台，形成低温冰载荷条件下金属摩擦-腐蚀耦合行为测试标准，建立低温磨蚀评价体系；国内首次自主设计建造了国内唯一台套大尺寸全板厚断裂力学特性评价装备，国际上首次提出并写入统一规范的侧面落锤等效试验方法。

形成了完备的超低温环境船舶用钢断裂特性评价技术体系；国内首次编制重要船型的应用设计选材方案；制定重要船型的船级社材料指南/规范。上述应用技术的创新成果体现了我国冶金工业在材料应用领域的技术进步。

4、构建全产业链的协同创新体系，核心产品国内首次实现重大工程的批量示范应用

建立了“船体设计-产品制造-检测评价-应用建造-规范标准”的产业链协同创新体系，解决了重大工程技术瓶颈。创新实现了我国15000~24000TEU系列超大型集装箱船、84~93K VLGC系列液化气船、“雪龙”2号破冰船、全球最大的双燃料液化气船、全球最大的中型液氨船、大型测量船等重大工程关键材料的首次国产化示范建造，超过30万吨，实现了冶金行业与制造行业的联动技术进步。

三、主要创新性成果

本项目主要目标是研究确定极寒与超低温环境船舶用钢的强韧化机制、断裂行为及止裂机理，并突破超低温用钢的成分、组织、生产工艺、应用评价及制造关键技术，开展液化天然气船用殷瓦钢薄板、超大型集装箱船用止裂厚板、液化石油气船用高强韧性低温厚板、极地船舶用钢及配套焊材的研制生产，实现国产化；针对目标钢种开展极寒与超低温环境下服役性能评价体系的建立、性能评价及应用技术研究，制定应用设计选材方案及船级社指南或规范，实现产业化示范应用。具体 创新性成果主要体现为以下几个方面。

1、极寒与超低温环境船舶用钢的强韧化机制及断裂行为、止裂机理研究

通过研究，突破了高强度厚板钢的强度与韧性均衡性控制、厚规格船舶用钢组织性能均匀性控制原理和技术、极寒超低温环境下钢板及焊接接头的断裂与止裂机理、原板厚试样与小尺寸试样断裂行为相关性规律等多项关键技术。

明确了脆性裂纹传播特点、阻滞脆性裂纹传播的影响因素，提出了止裂钢生产关键显微组织控制因素；提出了利用织构控制改善低温韧性的设计思路，探明了M-A岛形态对低温韧性的影响规律；完成了大尺度、极寒环境下船舶用钢断裂力学行为研究，明确了板厚对断裂韧度及韧脆转变特性、疲劳裂纹扩展特性的影响规律，提出了提升止裂性能的新思路，建立了止裂性能小尺寸试验方法及相关性方程，为提升钢板止裂性能指明了方向。

2、极寒与超低温环境船舶用关键材料的研制

（1）超大型集装箱船用高止裂EH40、EH47特厚板及配套焊接材料的研制。掌握了确保大厚度止裂钢止裂性能指标的关键生产控制技术，完成止裂钢工业试制及大型止裂性能评价试验，止裂指标达、焊接特性和裂纹敏感特性达到国际同类产品水平，最大100mm厚大厚度止裂钢关键技术指标符合标准及建造要求，通过了ABS、CCS、DNV GL、BV船级社认证；掌握了EH47BCA、EH40BCA、EH36BCA三个级别止裂钢配套埋弧焊焊丝及气保焊焊丝制造关键成分、工艺技术，完成了焊剂配套选择和焊丝的CCS船级社认证，具备止裂钢配套焊接材料的生产供货资质，填补国内空白。

（2）极地冰海破冰船用低温钢及配套焊接材料的研制。基于极地钢服役环境及服役条件分析调研，根据新型极地钢要求具备-80℃下超低温韧性和高耐海水海冰磨损腐蚀性的严苛要求，成功实现极地钢的工业试制，关键指标达到国际领先水平，通过了权威船级社认证，解决了我国极地破冰船用钢的“卡脖子”问题；完成埋弧、气保焊材研制，并通过了CCS船级社认证，具备极地钢配套焊接材料的生产供货资质，填补国内空白。

（3）液化石油气船（LPG）用超低温钢及配套焊接材料的研制。围绕液化石油气船用低温钢，成功实现了系列低温钢的制备，超低温强韧性能和屈强比控制水平达到国际先进水平。超大型液化石油气船用低温钢完成研制开发和工业生产制备，并通过了ABS、CCS、DNV 等权威船级社的工厂生产许可认证；掌握了32kg、36kg、40kg三个级别LPG船用低温钢配套埋弧焊及气保焊配套研制技术，通过了CCS船级社认证，具备LPG船用低温钢的配套焊接材料的生产供货资质，填补国内空白。

（4）薄模型液化天然气船（LNG）用殷瓦钢及其配套焊材研制。开发了满足GTT标准要求的高精度、大宽度、大卷重的殷瓦合金带材，完成了典型厚度0.7mm-3.0mm殷瓦合金带材的试制。

带材的低温膨胀性能、-196℃低温力学性能、十字焊缝及焊接性能测试等指标完全满足GTT-M3020规范要求，获得了GTT认证证书，并通过英国LR、美国ABS、中国CCS三大船级社认证；基于国产LNG船用殷瓦合金带材的焊接材料和焊接工艺技术研究，成功开发了满足GTT要求的同钢种配套焊丝，使焊丝熔覆金属的冲击性能达到了母材的标准要求，突破了LNG船用殷瓦合金焊接技术难题，形成了适应国产材料的焊接工艺规范。配套焊丝通过了GTT认证测试，实现了LNG船用殷瓦合金国产自主焊接的能力。

3、极寒与超低温环境船舶用钢的关键服役性能评价研究

（1）建立了极寒与超低温环境综合力学性能评价试验平台。研究建立了完整的极寒与超低温环境材料力学性能试验平台，基于工程型服役性能评价理念，设计了大尺寸止裂性能试样、大尺寸防断性能试样、大尺寸耐疲劳性能试样，完成了大尺寸双重拉伸试样止裂性能测试、原板厚深缺口试样防断性能测试、双轴弯曲疲劳釜试样疲劳寿命测试。建立了极寒与超低温环境下钢板的断裂、疲劳、止裂、结构等力学性能评价方法及评价标准。完善了极寒与超低温环境船舶用钢的服役性能评价体系。

（2）建立了冰池磨蚀实验室及极地环境模拟试验平台。开展低温冰海环境下船板钢的摩擦磨损行为研究，建立了极寒环境船用钢板在常温、低温海水条件下的磨损腐蚀机理，阐述低温冰载荷条件下金属摩擦-腐蚀耦合行为，设计和建造国内首套极寒环境低温冰池磨蚀实验室及极地环境模拟和材料服役性能测试平台，建立了极寒与超低温环境对钢板摩擦磨损、腐蚀等性能的综合评价方法及评价标准；在雪龙号破冰船舷及甲板上放置试验挂板，进行了为期3年的极地破冰船材料跟踪服役评价，明确了极地破冰船用钢冰载荷冲蚀机理，并形成了极地破冰船用钢冰载荷摩擦磨损测试标准方案，在国内首次取得破冰船用钢极地运行服役性能评价数据。

4、极寒与超低温环境船舶用钢的工程示范应用

（1）极寒与超低温环境船舶用钢的加工工艺研究。开展了极寒与超低温环境船舶用钢的加工性能研究，深耕用户端火工、水火弯板、热成型、焊接等应用技术研究，充分掌握产品使用技术关键技术，确定了各类低温钢加工工艺，制定加工过程的冷热成型、焊接工艺操作指导方案，完成焊接焊材的选择和匹配试验，并就极地钢的火工成型、冷成型等加工工艺性能继续进行了系统试验研究，各项性能符合要求，显示出新型极地钢良好的工程应用适应性，为后续我国首艘核动力极地重载破冰船的建造解决了“卡脖子”的材料问题。

（2）极寒与超低温环境船舶用钢的设计及规范研究。开展了止裂钢、LNG/LPG超低温钢、极地钢的船体应用设计研究及相应船型关键区域典型结构或特有结构部件的选材设计研究方案研究。完成《超大型集装箱船大厚度低温止裂钢应用设计研究报告》、《液化石油气船液货舱低温钢应用设计研究报告》、《极地破冰船用低温钢的应用设计研究报告》编制，形成完整极寒及超低温船舶用钢的选材应用设计方案；编写《船用高强度钢厚板应用指南》、《极地破冰船用钢技术要求》、《LPG船用钢技术要求》、《薄膜型天然气运输船用Fe-36%Ni合金指南》船级社指南规范，系统性明确了集装箱船用止裂钢、液化气船用低温钢、极地破冰船用低温钢、薄膜型殷瓦合金带钢的选用材及加工使用要求。

（3）极寒与超低温环境船舶用钢的工程应用。基于用户端良好的焊接工艺评定结果及优异的工程应用特性，大厚度止裂钢先后在江南造船、沪东中华、南通中远川崎的15000TEU-24000TEU超大集装箱船上实现工程示范应用，最大厚度95mm厚止裂钢首次应用于全球最大的24000TEU集装箱船建造，累计实现止裂钢批量生产制造及工程应用6万余吨，助推我国超大型集装箱船建造的快速高质量发展，引领形成大厚度止裂钢关键材料全面国产化局面，大幅降低了高技术集装箱船舶建造的材料成本压力和受制于材料进口的压力，为我国超大型集装箱建造领域具备国际顶级市场竞争力奠定了坚实的材料基础和产业链配套空间。

图1 24000TEU集装箱船

凭借稳定优异的焊接性能表现、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，液化石油气船用低温钢成功用于江南造船超过20艘的40000m³液氨船及83000m³-93000m³超大型液化气石油气系列船建造，生产应用总量达到二十万吨级，一举打破以往此船型低温钢被国外钢厂垄断的局面，实现低温船板全面国产化替代，有力的助推我国超大型液化石油气船的建造发展跃上新台阶，彻底摆脱了VLGC船用关键材料依赖进口、受制于人的局面，全面助推江南造船VLGC船建造技术快速跃升台阶形成系列化发展和全球领先的建造能力，在直面韩国的竞争中保持强有力的市场态势。

图2 液化石油气船 图3 40k型液氨船

针对我国首艘自主设计、建造的极地科考破冰船“雪龙2”号建造需求，千吨级高韧性耐磨蚀极地钢成功用于新科考破冰船船体关键结构，并在“雪龙号”破冰船关键部位维修批量供货，实现了极地低温耐磨蚀钢的首次小批量国产化制造和工程示范应用，填补了领域空白，为我国新型极地海域重载破冰船的建造解决了关键材料“卡脖子”的问题，为我国多型号极地破冰船的建造及关键材料需求提供了最有力的材料技术保障。

图4 雪龙号与雪龙2号破冰船

四、应用情况与效果

通过为期4.5年的实施研究，项目研究探明了大厚度、超低温环境下显微组织对钢材强韧性的影响机理，确定大尺度、极寒环境下船舶用钢的断裂力学行为和止裂机理，开发完成超大集装箱船用大厚度止裂钢、液化石油气（LPG）船用低温钢、极地破冰船用低温耐磨蚀钢、殷瓦合金带钢四大类钢板产品及其配套焊接材料，成功实现了100mm厚止裂钢、68mm厚低温钢以及60mm厚极地钢及各配套焊接材料的研制开发，研制出符合法国GTT规范的LNG船用殷瓦合金带材及配套焊丝产品

通过了权威船级社认证，并研究完善了极寒与超低温环境对钢板的断裂、疲劳、止裂、结构等力学性能评价体系，研究建立了极地低温环境模拟磨蚀腐蚀试验评价平台，完成了止裂钢、低温钢、极地钢的船体应用设计研究及相应船型关键区域典型结构或特有结构部件的选材设计研究方案，完成了止裂钢、低温钢和极地钢的加工使用应用技术研究，推进实现了止裂钢、低温钢和极地钢的30余万吨级批量生产制造及工程建造应用。

项目的研究成果及技术实现，提升了我国高技术船舶用低温钢板材料的生产、应用的整体竞争力上一个台阶，满足我国高技术船舶的快速发展需要，促进了我国船舶钢铁材料的结构调整、产业升级和高质量发展，显著提升我国船舶制造业的全球竞争力，助推形成了以以宝钢股份、江南造船、沪东中华、南通中远川崎、大连船舶重工等为代表的世界一流船舶用钢研发、生产、应用基地。