美国航母结构用钢情况分析

张依

1  美国典型航母用钢情况



美国航母的高强度结构用钢已经从最初的 HTS 钢及 HY 钢发展到现在的 HSLA 钢，其屈服强度值 从 352 MPa 到 903 MPa 共 5 个等级。其中 HSLA 钢 目前共有 HSLA-65、HSLA-80、HSLA-100 和 HSLA115 四个品种，屈服强度分别为 449 MPa、549 MPa、 689 MPa 和 795 MPa；其中，HSLA-65 钢首次在航母 上应用是“布什”号航母（CVN 77），而 HSLA-115 的首次应用将是在未来航母“福特”号航母（CVN 78）上。


1）“尼米兹”级航母


“尼米兹”级航母是目前世界上最先进的大型航 空母舰，也是美国海军现役航母的主要构成部分， 共造 10 艘。该级航母首舰“尼米兹”号于 1968 年 开始建造，1975 年 3 月服役，到 2008 年已经有 9 艘“尼米兹”级核动力航母在役；其最新的“乔治 • 布什”号（CVN 77）于 2006 年下水，2009 年初服 役。CVN 77 核动力航母总长 332.9 m，宽 40.8 m， 吃水 11.3 m，满载排水量 102 000 t；飞行甲板长 332.9 m，斜角甲板长 237.7 m，宽 76.8 m；机库甲板 长 208.48 m，宽 32.92 m，机库净高 8.07 m；最大航 速可达 30 kn。


“尼米兹”级航空母舰从首舰建造到如今已有 40年的时间，这段时间航母的船体结构材料得到了迅 猛发展，从最初的 HY 系列到现在已经拥有成熟技 术的 HSLA-80、 HSLA-100 钢材，这些船体材料的发 展在“尼米兹”级航母上都能充分体现出来。


“尼米兹”级航母飞行甲板由 20 ~ 50 mm 厚的钢 板和复合装甲材料组成。为减轻航母自身重量，早期 的“尼米兹”级的舰体主要采用屈服强度为 549 MPa 的 HY-80 高 强 度 钢， 装 甲 结 构 采 用 屈 服 强 度 为 689 MPa 的 HY-100 超高强度钢。20 世纪 80 年代中 期以后建造的“尼米兹”级航母主要结构材料改为 HSLA-80 和 HSLA-100 高强度低合金钢。HSLA-100 钢在航母上的应用最初是在“尼米兹”级的“斯坦 尼斯”号（CVN 74）上，用量约为 2 080 t。图 1 及图 2 为“斯坦尼斯”号上相关板架图例，图 3 是其应用 示意。据初步估算，与采用 HY-100 钢相比，引入 HSLA-100 钢每吨可节省 500 ~ 3 000 美元不等。不过 对于厚度大于 25.4 mm 的钢板，仍需采用与 HY-100 相同的焊接预热工艺，造成这种预热要求的原因并 不是材料本身，而是对焊条的各种限制。目前美国 已经开发出低氢敏焊条，以便能在较低的预热温度 下焊接较厚的 HSLA-100 钢材。


HSLA-100 钢是美国为先进的攻击型核潜艇（非 耐压壳体）和新建的航母壳体而研制的专用钢，属低碳铜沉淀强化钢，其强度性能已达到 HY-100 钢的水 平，板厚可达100 mm，焊接材料与HY100钢的相同。与 HY100 钢相比，不同之处在于可在较低的焊接预 热 / 层间温度下施焊，从而降低了建造成本。该型号 钢焊接预热温度仅在 15.6℃ ~ 93.3℃之间，而 HY100 钢根据厚度不同预热温度在 51.7℃ ~ 149℃之间。HSLA-100 钢材在“斯坦尼斯”号上的应用取得了很 好的效果，因而很快在“杜鲁门”号航母（CVN75） 上开始了大范围应用。在“杜鲁门”号航母上，该钢 用量已增加到大约 11 600 t，在“里根”号（CVN-76） 上的应用更为广泛，但该钢被禁止用于止裂结构及海 军海上系统司令部规定的08编号区（核动力装置区）。表 1 列出了 HSLA-100 在美海军舰艇上的使用情况， 图 4 是 HSLA-80/100 钢在美国海军水面舰艇中的用 量。总体而言，该级舰的舰桥、飞行甲板、舷部水线 附近舷侧外板、尾舵和螺旋桨附近外板均采用大厚度 的 HY-100 或 HSLA-100 装甲钢板。

2）“福特”级航母


“福特”级新型航母将逐艘替代“企业”号航 母（美第一艘核动力航母）和“尼米兹”航母，将 成为未来美海军海上打击的核心力量。早在 2004 年，诺思罗普 • 格鲁曼的纽波特 • 纽斯船厂就获得 了一份价值 13.9 亿美元的合同，用于该级航母动力 装置的设计和装备。“福特”级航母的首舰为“杰 拉尔德 • R • 福特”号（CVN 78，以下简称“福特” 号）。“福特”号航母长约 255 m，宽 80.8 m，满载排 水量约 100 000 t。在船体材料的选择上，“福特”号航母与“尼米兹”级航母的“布什”号在结构钢使 用上最大的区别是：美国海军金属材料研究中心计 划将 HSLA-65 在“福特”号上推广应用，而且将首 次应用 HSLA-115 钢。目前已经完成了 CVN 78 用 HSLA-65 钢板的大小及厚度评价，并且美国海军海 上系统司令部（NAVSEA）已经颁布了鉴定书，证明 这种材料满足“福特”号航母的采购要求及设计需 求。目前该厂已经将 HSLA-115 钢纳入到“福特”号 航母的设计中。

2  HSLA 钢分析



HSLA 钢即高强度低合金钢，这种钢工艺性能 好，有良好的焊接性；此外，它们的应用还能显著 降低航母自重并提高结构的抗损能力。


HSLA 系列钢中碳和碳当量都很低，加之其内 部的非马氏体组织，保证了该型钢的高强韧化水平 和优异的抗氢致开裂性能。在 HSLA 钢中，铜和镍 是主要合金元素。加入铜可使 HSLA 在固熔处理和 时效后形成富铜相，富铜析出相阻碍位错运动，提 高屈服强度，产生沉淀硬化；还改善了钢材在海水 中的耐蚀性；提高了钢材的耐磨性。加入镍可充分 防止由铜引起的热脆性，还可提高淬透性。铌也是 重要的元素，含量约为 0.02% ~ 0.06%，它可使晶粒 细化，加铌后产生的细晶粒组织有利于 HSLA 钢的 强韧化。此外，比起HY钢，HSLA刚的韧性加强了， 这对于舰体的直接好处就是提高了防弹效果；采用 HY 型焊接材料焊接时，HSLA 钢的热裂抗力及冷裂 抗力都优于 HY 钢，而且预热成本较低，焊接成本 可降低 50% 以上，它有逐渐替代水面舰艇用 HY 钢 的趋势。


HSLA-80 和 HSLA-100 钢 分 别 是 HY-80 以 及 HY-100 钢的替代品种，屈服强度分别为 549 MPa、 689 MPa，它们具有比 HY 系列钢更优异的焊接特 性，不需预热或预热温度较低，焊接时可以采用与 HY 系列相同的焊条及焊接工艺，大大降低了水面舰 艇的建造成本。此外，控扎得到的 HSLA-80 钢可取 消热处理，进一步降低了成本；这种以轧制状态供 应的控扎钢板材尺寸不受热处理炉的限制，可生产更长的板，既能减小横向焊缝的总长度，又能将一 些横向焊件置于低应力区内。据美国海军官方数据， 若采用 HSLA-80 钢板，每磅（0.453 6 kg）HSLA-80 钢的纯制造成本就比 HY-80 钢低 40% ~ 90%。美海 军海上系统司令部曾作出预测，若用 HSLA-80 取代 HY-80 钢板，每 10 年就可节省经费 2 亿 ~ 10 亿美元。对于 HSLA-100 钢而言，在航母上所用的钢中一半 以上都是在 25.4 mm 以下（25.4 mm 以下钢板可以在 室温下焊接，因为其预热温度为 15.6 ℃），因此美国 海军预测，因为预热成本的减少，美海军在其研制 成功后的 10 年中节省的资金高达 1 亿美元 / 年。表 2 是 HSLA-80 钢的焊接材料及焊接工艺。

HSLA-65 钢由民船用钢改进而来，美国海军研 究这种钢材是准备在未来的舰船建造中代替HTS钢。HSLA-65 钢的屈服强度约为 449 MPa，可以填补高 强度钢（HSS）DH/EH-36 与屈服强度为 549 MPa 的 HY 及 HSLA 钢之间的空白；同时又能克服 HSLA80 钢作为船壳板时的缺陷。HSLA-80 钢虽然用较薄 的板和更少的焊接金属可满足强度要求，不过会产 生扭曲，需要附加加强件，增加了成本和舰艇重量， 因此美国海军于 20 世纪 80 年代开发了 HSLA-65 钢， 它的成本及加工费用基本与 HSS 钢相同，焊接工艺、 程序和焊接材料也与 HSS 相同。使用 HSLA-65 代 替 HSS 可使用较薄的板材，从而使每艘舰重量减轻 约 1 500 t。


HSLA-65 钢的化学成分与 HTS 钢相似，采用电 炉冶炼，氩—氯脱碳精炼，真空脱氧，加钙处理以 控制夹杂物形成，控扎；其板厚可达 51 mm，机械 性能、韧性均能满足舰艇用钢的要求。表 3 是这几 种钢的机械性能。


3）最大位移位于罗经甲板 7.3 mm，满足运输安 全性要求，详见图 12。


综上可知，应用SPMT运输车组的地面运输过程， 经计算分析符合安全规范要求，该方案优化可行。