建造高性能船舶需要堅(jiān)固的材料,而船舶制造業(yè)一般不會(huì)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(shí)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(hù)的船體產(chǎn)生興趣,這種船體完全由高強(qiáng)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(hù)成本通常都很高,因?yàn)榇耙恢北┞队谒蜐駳庵?幾乎任何材料都會(huì)隨著時(shí)間的推移而發(fā)生損壞。鋼制船舶堅(jiān)固耐用,但鋼很重,需要腐蝕防護(hù)和大量的維護(hù)。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(gè)問題。碳纖維增強(qiáng)塑料非常輕,但價(jià)格昂貴,在碰到巖石時(shí)會(huì)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(shí)機(jī)已經(jīng)成熟。
船舶性能方面最重要的設(shè)計(jì)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(huì)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(gè)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(gè)月都需要清理一次。由于防污涂料本身會(huì)隨著時(shí)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(yùn)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(jiān)固的全不銹鋼船只,但要實(shí)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度高可達(dá)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(jì)中,薄薄的鋼板無論強(qiáng)度多高,都容易在波浪載荷下發(fā)生彎曲。
為了解決這個(gè)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(jiān)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(jì)方法可以使船體結(jié)構(gòu)既堅(jiān)固又輕巧,船在水中可以毫不費(fèi)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?yàn)榇霸鰪?qiáng)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(dòng)因素是其重量輕,而另一個(gè)更大的優(yōu)勢是船無需任何保護(hù)性涂層即可抵抗海水的嚴(yán)重腐蝕。設(shè)計(jì)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(diǎn)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(qiáng)度不銹鋼也十分有助于提高了船舶的燃油效率。材料強(qiáng)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(qiáng)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(shí)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(huì)隨時(shí)間推移而變差,因?yàn)榇w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(yùn)營成本。船舶不僅有直接的維護(hù)成本,在港口或干船塢上涂漆時(shí)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(gè)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(jiān)固且耐腐蝕性能良好的焊縫,是船舶設(shè)計(jì)核心強(qiáng)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(shí)證明,這些焊縫的強(qiáng)度與不銹鋼薄板和縱桁的強(qiáng)度相當(dāng),團(tuán)隊(duì)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(jì)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(jià)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(jì)方法標(biāo)志著更快、更輕,更敏捷的船舶新時(shí)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(jì)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(dòng)中展出。
該公司開發(fā)的耐用輕巧的船舶設(shè)計(jì)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(jì)劃最終將集中建造大約100個(gè)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(dá)50年以上而無需任何維護(hù)。
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(jìn)而減少污染。據(jù)估計(jì),一艘集裝箱船(六個(gè)足球場的長度)每年可產(chǎn)生多達(dá)5,000噸的硫,相當(dāng)于五千萬輛汽車的排放量。計(jì)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(qiáng)度的同時(shí),其燃油消耗比傳統(tǒng)船舶低得多。同時(shí),無需定期維護(hù)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(yùn)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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