建造高性能船舶需要堅固的材料,而船舶制造業(yè)一般不會將不銹鋼納入考慮范圍,但是這種情況正在發(fā)生變化。事實上,世界各地的政府和企業(yè)開始對一種新型、環(huán)保和低維護的船體產(chǎn)生興趣,這種船體完全由高強度的含鉬超級雙相不銹鋼和特超級雙相不銹鋼制成,卻沒有增加額外的成本。
根據(jù)船舶尺寸和用途的不同,船舶建造最常用的材料是鋼、鋁或玻璃鋼(FRP)。無論什么材料,船舶的維護成本通常都很高,因為船舶一直暴露于水和濕氣中,幾乎任何材料都會隨著時間的推移而發(fā)生損壞。鋼制船舶堅固耐用,但鋼很重,需要腐蝕防護和大量的維護。鋁雖然輕,但非常軟,容易出現(xiàn)凹坑,有嚴(yán)重的疲勞開裂問題,腐蝕也是一個問題。碳纖維增強塑料非常輕,但價格昂貴,在碰到巖石時會斷裂,甚至易發(fā)生火災(zāi),使用壽命結(jié)束后也無法回收。因此,采用更好、更可持續(xù)解決方案的時機已經(jīng)成熟。
船舶性能方面最重要的設(shè)計考量是船舶的重量和船體表面質(zhì)量。減輕重量可以改善船舶的靈活性、最高速度和燃料消耗。而如果船體表面粗糙,則在水中阻力更大,會減慢船速并增加油耗。此外,藤壺、海藻和其他海洋生物很容易附著在浸入海水的船體表面,這個過程叫做 “生物污損”,它使船表面粗糙且凹凸不平,給航行帶來較大阻力。
為了最大程度地減少海洋生物的附著,通常水線以下的船體采用殺菌涂料處理。這些涂料不僅對目標(biāo)生物有毒,而且對一般的水生生物也極具毒性。即使采用了殺菌涂料,也只是減緩而不能消除海洋生物的附著,仍必須由潛水員來清除生物的附著。商用船舶可能每個月都需要清理一次。由于防污涂料本身會隨著時間的推移而失去效力,所以至少每隔幾年就必須重新涂一次。涂漆期間船舶被拖出水面,無法運營。而現(xiàn)在,采用特種不銹鋼建造的船舶給出了較好的解決方案。
SSY的企業(yè)家H?kan,Petra和AlistairRosén,一直夢想建造一條更輕,更快,更堅固的全不銹鋼船只,但要實現(xiàn)它并非一帆風(fēng)順。傳統(tǒng)的不銹鋼如304或316奧氏體不銹鋼,在海水中的耐腐蝕性能不足;雖然韌性很好,但強度不足。當(dāng)企業(yè)家發(fā)現(xiàn)超級雙相不銹鋼和特超級雙相不銹鋼顯著優(yōu)越的性能,特別是其高強度和優(yōu)異耐腐蝕性的完美結(jié)合,開始萌生出打造不銹鋼船的想法。
如果采用比傳統(tǒng)的碳鋼材料強度高可達三倍的不銹鋼來造船,可以大大減薄船體的厚度,從而減輕整艘船的重量。但問題是,在通常的船舶設(shè)計中,薄薄的鋼板無論強度多高,都容易在波浪載荷下發(fā)生彎曲。
為了解決這個問題,工程師們研究了一千多年前航海維京人的造船技術(shù)及其高效堅固和靈活的木制船體,靈感最終來源于此。對不銹鋼采用類似的設(shè)計方法可以使船體結(jié)構(gòu)既堅固又輕巧,船在水中可以毫不費力地滑行,非常省油,并且可以承受重大沖擊而不產(chǎn)生裂縫或發(fā)生結(jié)構(gòu)損壞。
雙相不銹鋼的延展性和能量吸收特性賦予船體良好的防彈性能,確保其可吸收潛在的沖擊而不發(fā)生破裂。因為船舶增強了防彈和防爆能力,軍事和執(zhí)法部門對此表現(xiàn)出興趣。
造船廠的原型船不銹鋼船體
船舶采用高級雙相不銹鋼的主要驅(qū)動因素是其重量輕,而另一個更大的優(yōu)勢是船無需任何保護性涂層即可抵抗海水的嚴(yán)重腐蝕。設(shè)計中使用的兩種雙相不銹鋼合金,其鉬含量都超過了316不銹鋼中的2%。2507超級雙相鋼含有約4%的鉬,3207特超級雙相鋼含有約3.5%的鉬。
這兩種雙相不銹鋼有較高的鉬含量,大大提高了不銹鋼的耐腐蝕性能,使其非常適合長期用于海水這種氯離子含量很高的環(huán)境。這類不銹鋼在海上油氣勘探以及熱帶海洋環(huán)境中的液壓系統(tǒng)和儀表領(lǐng)域已有成功的應(yīng)用記錄。
縱桁點焊到船體上,焊接到縱桁上的框架不與船體直接接觸。縱桁的柔性使船能夠吸收波浪的沖擊力,防止船體彎曲。
高強度不銹鋼也十分有助于提高了船舶的燃油效率。材料強度的提高意味著所需材料的重量大大少于傳統(tǒng)的船舶。例如,長度為15-25米的高速不銹鋼巡邏船需要厚度為2-3毫米的不銹鋼板,這是傳統(tǒng)船舶所用鋼材厚度的1/3-1/5。總體而言,這些輕快的不銹鋼船比類似的碳鋼船重量減輕約50%。出人意料的是,它們也比鋁制的船輕,甚至比通常認(rèn)為最輕的材料——碳纖維增強塑料還要輕。
此外,船體的鏡面拋光表面最大程度地減少了阻力和摩擦,同時改善燃油效率和減少排放,獲得更快的速度和靈活性。而且,船舶的性能表現(xiàn)不會隨時間推移而變差,因為船體十分光滑,任何降低船舶性能的海洋生物如藤壺都難以附著在船體表面,由此避免了每月由潛水員來清除生物污垢,也無需每5-7年重涂有毒的防污涂料,從而可節(jié)省大量的運營成本。船舶不僅有直接的維護成本,在港口或干船塢上涂漆時也不產(chǎn)生任何收益。
由于超級雙相不銹鋼不發(fā)生腐蝕,因此也無需修理和更換。在使用壽命結(jié)束后,不銹鋼可完全回收再利用。所有這些好處使船舶在整個生命周期內(nèi)節(jié)省大量成本,更重要的是,可以顯著減少排放并消除殺菌劑對海洋生物的影響。
焊接薄壁超級雙相不銹鋼和特超級雙相不銹鋼,得到堅固且耐腐蝕性能良好的焊縫,是船舶設(shè)計核心強度的一部分。SSY與不銹鋼生產(chǎn)商、焊接供應(yīng)商和工業(yè)氣體公司合作,開發(fā)了專門的焊接技術(shù)。事實證明,這些焊縫的強度與不銹鋼薄板和縱桁的強度相當(dāng),團隊對結(jié)果的一致性和質(zhì)量感到滿意。得益于輕巧、優(yōu)化的設(shè)計和高效的焊接技術(shù),這些不銹鋼船的成本與傳統(tǒng)的鋁、鋼或復(fù)合材料建造的船差不多。未來隨著產(chǎn)量的增加,不銹鋼船的價格甚至比傳統(tǒng)材料的船更低。
船舶內(nèi)部結(jié)構(gòu)的焊接
第一艘10.8米的原型船Elvira于2014年首航。這一革命性的船舶設(shè)計方法標(biāo)志著更快、更輕,更敏捷的船舶新時代的開始。第一艘船之后,又有兩艘長度分別為7.5米和17.5米的原型船問世,并計劃在不久的將來再建造六艘。這些船將在美國、歐洲和其他地方的展覽和活動中展出。
該公司開發(fā)的耐用輕巧的船舶設(shè)計將使許多海洋船舶方面的應(yīng)用受益,例如,利用太陽能和波浪能發(fā)電的靜態(tài)浮船。第一艘采用超級雙相不銹鋼建造的波浪發(fā)電原型船目前正在測試,這是為瑞典一家電力公司打造的。計劃最終將集中建造大約100個85米的巨型海洋浮式結(jié)構(gòu)物。如果采用超級雙相不銹鋼制造船體,則浮船在海洋中的使用壽命可長達50年以上而無需任何維護。
其他潛在的應(yīng)用包括大型船舶,如長度超過100米的超級游艇和大型游艇,甚至集裝箱船和郵輪。采用鏡面拋光的含鉬超級雙相不銹鋼來減少船舶的重量和阻力,可在很大程度上降低燃油消耗,進而減少污染。據(jù)估計,一艘集裝箱船(六個足球場的長度)每年可產(chǎn)生多達5,000噸的硫,相當(dāng)于五千萬輛汽車的排放量。計算表明,雙相不銹鋼船體可以減少大約20%的燃料消耗和排放。
無論是建造巡邏船還是豪華郵輪,采用含鉬超級雙相不銹鋼的好處都顯而易見。輕量化的船體表面非常光滑,在保持其結(jié)構(gòu)完整性和強度的同時,其燃油消耗比傳統(tǒng)船舶低得多。同時,無需定期維護保養(yǎng),也無需重新噴涂有毒的防污漆。由此大大節(jié)省了運營成本,也大大減少了對環(huán)境的影響。憑借這些優(yōu)勢,超級雙相不銹鋼在海洋船舶領(lǐng)域的應(yīng)用前景不可限量。
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