随着亚洲的经济发展，世界物流量急剧增加。同时，对CO₂减排要求和高运输效率要求也不断提高。集装箱运输船的大型化，不仅可应对物流增加，而且是减少CO₂排放量的有效方法。因此，对集装箱船提出了大型化的要求。近年来，集装箱船的大型化有了显著发展。2005年出现了10000TEU（标箱）级集装箱船，此后，集装箱船大型化快速发展。最近，建造了超过20000TEU级的超大型集装箱船。

集装箱船体结构的特点是，为了将集装箱装入货仓，上甲板有很大的开口。集装箱船在海上航行时，船体必须具有足够的强度（纵曲强度）防止海浪负荷引起船体弯曲。为此，集装箱船上甲板和仓口侧围板使用了厚度超过50mm的高强度特厚钢板。随着集装箱船大型化的发展，仓口侧围板用钢板的强度级别由YP355N/mm2级提高到YP460N/mm2级。钢板厚度也从原来的50-60mm增大到80mm以上。使用高强度特厚钢板可使船体轻量化。例如，用YP460N/mm²级钢板替代YP390N/mm²级钢板，可使纵向弯曲部件的设计应力约提高10%，从而使大型集装箱船的钢材重量下降数百吨。

为使船体轻量化程度提高，设计应力的同时，也提高了焊接接头内作用于微小初期缺陷的应力。因此，必须提高钢材的疲劳强度水平和抑制脆性裂纹扩展的强度水平。

焊接结构件中产生脆性裂纹会导致大型事故的发生，所以，必须认真对待焊接设计和焊接施工工作。特别是大型集装箱船的仓口侧围板，位于船体中央断面的最上部，是最重要的强度部件。因此，仓口侧围板不仅要防止海浪负荷波动引起的起源于焊接原始缺陷的疲劳裂纹扩展为脆性裂纹，而且，一旦产生脆性裂纹，仓口侧围板应具有使脆性裂纹停止扩展的止裂性。仓口侧围板钢材和焊接部具有足够高的断裂韧性值，对于防止脆性裂纹发生非常重要，因此，对仓口侧围板进行基于断裂力学的设计和施工管理。

大型集装箱船用厚度超过50mm的特厚钢板，因厚度效应使钢板的断裂韧性下降，并且，由于焊接线能量的增大促进了焊接部断裂韧性的下降。结果表明，特厚钢板焊接接头产生的脆性裂纹沿焊接部直线扩展。因此，抑制焊接接头脆性裂纹扩展成为特厚钢板用于船体结构时需要解决的问题。

为此，要求大型集装箱船不仅要防止脆性裂纹的产生，而且，在一旦产生脆性裂纹时，具有防止脆性裂纹扩展的止裂性。这些要求，已经成为使用高作用应力YP460N/mm²级钢船舶的必要条件。   

根据脆性裂纹产生部位和扩张路径，大型集装箱船的脆性裂纹发生和扩展，分为两种情况：一种情况是脆性裂纹产生于仓口侧围板，扩展到上甲板（情况1）；另一种情况是，脆性裂纹产生于上甲板，扩展到仓口侧围板（情况2）。推定，这两种情况都是在对接焊接头内存在着尺度小于无损检测允许缺陷尺度的焊接原始缺陷，这种原始缺陷在海浪引起波动的纵向弯曲应力作用下，逐渐扩大，形成脆性裂纹并在对接焊接头内扩展。

为了抑制脆性裂纹的快速扩展，国际船级社协会规定，在采取对接位移（buttshift）等结构措施的同时，上甲板和仓口侧围板要采用断裂韧性（Kca）值为6000-8000N/mm3/2以上的脆性裂纹止裂性优良钢板。 

使用特厚钢板的仓口侧围板与上甲板的T形接头的焊接是不开坡口的角焊或部分熔透焊接。止裂性的结构设计如图1和图2。止裂性结构是利用仓口侧围板与上甲板的T形接头存在的非熔敷部，抑制脆性裂纹扩展的方法。止裂性结构抑制脆性裂纹扩展的原因是，非熔敷部是脆性裂纹扩展路径的物理障碍，分散了脆性裂纹扩展的驱动力。试验验证了非熔敷部的上述作用。图1显示了非熔敷部不同引起的止裂性差异。没有非熔敷部的完全熔透焊接，脆性裂纹经脆化板扩展后贯通试验钢板，而宽幅非熔敷部焊接，脆性裂纹突入试验钢板后停止扩展。并且，非熔敷部最宽的无坡口角焊，脆性裂纹未突入试验钢板就停止扩展。

模拟大型集装箱船仓口侧围板的实物大小的超大型试验确认，非熔敷部对脆性裂纹扩展具有止裂效果（图3、图4、图5）。这些试验中使用的脆性裂纹突入的试验钢板是非高止裂性的普通船体用钢板。因此可知，适宜的非熔敷部宽度和适宜的角焊焊脚长度，对普通船体用钢板也具有脆性裂纹扩展的止裂性。 

以上所述的对船体上部结构焊接部细节严格控制，抑制脆性裂纹扩展的技术叫作“结构止裂”。结构止裂特别重要的点是，为使非熔敷部限制脆性裂纹扩展路径、抑制裂纹扩展要求的焊接金属的特性。例如在图3的例子中，使用低温韧性极好的低温用钢焊接材料进行角焊，可因角焊金属使扩展的脆性裂纹停止扩展。

以下，简要介绍利用大型试验对脆性裂纹扩展止裂所要求的角焊金属韧性的调查结果。与脆性裂纹产生于仓口侧围板、扩展到上甲板（情况1）相比，对于脆性裂纹产生于上甲板、扩展到仓口侧围板（情况2）的情况，需要更高的止裂性。并且最近的研究结果表明，即使是特厚钢板，情况2也比情况1更需要高的止裂性。因此，对确保情况2的止裂性格外重视。以情况2为研究对象，进行使在焊接部直线扩展的脆性裂纹突入特厚仓口侧围板与特厚上甲板的正交T形焊接接头的大型模拟试验，考察T形焊接接头角焊金属的脆性裂纹扩展、停止行为。试验结果如图6和图7。在无坡口角焊结构的角焊金属的韧性水平条件下，钢板厚度与角焊焊脚长度的适宜组合，角焊金属可对长度1m以上的大型脆性裂纹扩展进行止裂。

结构止裂技术是利用船体焊接结构的T形焊接接头的非熔敷部减少脆性裂纹扩展驱动力的止裂技术，是使用普通钢板和具有适当低温韧性焊接材料，对脆性裂纹止裂的设计方法。

随着集装箱船大型化的发展，高强度特厚钢板用于船体的上部结构。为了确保这种钢结构物的安全性，钢结构必须具有防止脆性裂纹发生，以及一旦发生脆性裂纹可抑制裂纹扩展的止裂性。

“结构止裂技术”是防止脆性裂纹扩展的合理方法。该技术已经用于20艘以上的14000TEU大型集装箱船。预计，今后该技术将用于世界最大的24000TEU大型集装箱船。采用该技术可将具有专有焊接性的高强度钢板用于仓口侧围板。由于焊接效率的提高，可降低集装箱船的建造成本。此外，可将厚度大于传统钢板的高强度特厚钢板用于集装箱船，实现船体大型化，增加载重量和使船体轻量化，从而提高集装箱船的燃料效率。

《世界金属导报》

2024年第23期 B12