厚度不足5厘米卻能承受強烈衝擊,航母甲板怎麼做到的?
來自專欄了不起的中國製造
出品| 網易新聞
作者| 一聞,鋼鐵行業研究人員
前段時間,中國首艘國產航母海試的消息刷爆了朋友圈:5月13日,航母出港;5月23日,航母回港進入船塢;5月27日,國產航母與「遼寧號」同框出鏡……
作為「海上霸主」,航母的核心作戰武器是艦載機。而航母甲板不僅要承受二三十噸重的艦載機高速起降時的強烈衝擊,還要承受噴氣式飛機2000多度尾焰的灼燒,同時還要具備一定的防彈能力。與此同時,航母的船體結構又決定了甲板厚度不能太大,以便減輕甲板重量,降低航母的重心,保證船體的平穩,這對航母甲板用鋼材提出了極高的要求。
經過幾十年來的不斷升級,使用超高強鋼製造的主力航母甲板厚度已僅有不足5厘米。
(一)航母甲板用鋼:1平方厘米承受8噸衝擊力
建造一艘航母需要的鋼材種類繁多,但是基本上可以分為船體板、裝甲板及結構板三大類。其中,航母用鋼板要求最高的是用於甲板、隔倉和船體結構等的結構板,尤其是甲板,要求極高。
一般來說,甲板用鋼要具有高強度、大板面、拒磁、高韌性、抗低溫(零下38℃)、高斷裂韌性、耐高溫不變形、抗腐蝕、防彈的特性。
這與甲板的工作環境特點密切相關:承受戰鬥機起降的強大衝擊和高溫灼燒、防止被磁性水雷攻擊及磁力探測發現、抵禦海水腐蝕、保證飛機升降的質量、抵禦炮彈和炸彈的轟擊。
到今天,世界上能製造航母甲板用鋼的只有美國、日本、法國、俄羅斯、中國等少數幾個國家。航母用高強度結構用鋼已經從最初的HTS鋼(High Tensile Steel,高抗拉強度鋼)及HY鋼(High Yield,高屈服強度鋼)發展到現在的HSLA鋼(High Strength Low Alloy,高強低合金鋼),鋼材性能實現了跨越式提升。現在全球現役航母用高強鋼主要是HY和HSLA兩大系列。
HY鋼共有HY-80、HY-100和HY-130三個品種,屈服強度分別為550MPa、690MPa和890Mpa;HSLA鋼共有HSLA-65、HSLA-80、HSLA-100和HSLA-115四個品種,屈服強度分別為449MPa、549MPa、689MPa和795Mpa。美國最新的福特號航母甲板使用的就是HSLA-115鋼,強度達到795Mpa,相當於一平方厘米的鋼板上可以承受近8噸的衝擊力。
與HSLA系列鋼相比,傳統的HY系列高強度航母用鋼都是在低碳低合金鋼的基礎上,通過採用調質熱處理工藝獲得低碳回火馬氏體組織來達到高強度、高韌性的性能。為了確保較厚規格鋼板具有足夠的淬透性,鋼中通常需要添加較高含量的Ni、Cr、M等合金元素。鋼的強度級別要求越高,碳含量就越高,焊接就變得更困難。
但是,隨著超低碳、超純凈鋼冶煉、微合金化及控軋控冷等冶金技術的發展,不需預熱或者只需較低溫度預熱就能焊接的HSLA系列鋼橫空出世。因此,用HSLA鋼代替HY鋼可以減少甚至取消焊接預熱,從而降低航母建造成本,提高作業效率。
(二)「世界軋機之王」:讓中國航母用上國產鋼板
航母建造過程中,三分之一的工作都是焊接鋼板。
為了盡量減少焊縫,節省建造時間,同時也增加甲板強度,航母甲板用鋼要求單塊板的面積越大越好。對於這種超寬、超長、超厚鋼板,力學性能要求的苛刻程度卻沒有任何降低。800Mpa級的甲板用鋼頭和尾的強度偏差不能超過10Mpa,在零下84℃,衝擊韌性要達到250焦以上。
由於要同時滿足諸多嚴苛的要求,航母甲板用鋼目前全世界僅5個國家能夠生產,而且這些鋼都被視作戰略物資,不能出口。因而,航母要國產,首先要實現航母用鋼的國產化。
其實,早在對「瓦良格號」航母(「遼寧號」的前身)進行修復之前,中國就開始了相關航母用鋼的研製工作,不過初期主要精力集中於「瓦良格」號修復用鋼的開發生產。直到首艘國產航母建造提上日程後,中國鋼鐵企業開始了航母甲板用鋼的研發,並在2013年實現成功生產。
國產航母甲板用鋼由世界最寬的軋機——5500mm軋機生產。這套「軋機之王」擁有高達10萬噸的下壓軋制力,可以軋制寬度5.5米的鋼板,軋制長度可達40米以上。從這套軋機里生產的甲板用鋼,是常規鋼板的4倍大小。
根據網路上流傳的中國首艘國產航母甲板焊接圖片,甲板焊接時氣溫15℃、鋼板需要加溫到128℃焊接。僅從焊接要求的溫度推測看,鋼板應該是HY-100或HSLA-100(HY-100鋼板需預熱至51.7~149℃,HSLA-100鋼板厚度大於25.4mm時焊接工藝與HY-100鋼相似),屬於航母用鋼中的高端產品。目前,除美國在建航母「福特號」甲板使用HSLA-115以外,其他航母甲板用鋼均為HSLA-100及以下品種。這也表明中國航母甲板用鋼在短時間內已經躋身世界先進水平。
(三)航母用鋼發展趨勢:高質、減重、省錢
到現在為止,全球僅有美國、英國、中國、俄羅斯、法國等10個國家擁有航母,另外韓國、日本等國擁有準航母。擁有一艘航母是很多國家夢寐以求的追求,但是航母建造的複雜程度讓絕大多數國家高不可攀,而動輒幾十億美元的造價更讓人畏而卻步。
隨著現代戰爭強度的不斷提升,航母的戰鬥性能需要持續升級。這對航母用鋼提出了三方面要求:一是高質量,強度、韌性、焊接性、耐腐蝕等性能要越來越高;二是減重量,通過降低單位載重用鋼量,降低船體中心,提高航母穩定性和機動性;三是降費用,縮短建造工時,節省製造材料,降低航母建造支出。
縱觀歷史,航母用鋼之前的發展趨勢也一直遵循上述三個原則。以美國為例,20世紀80年代前建造的「尼米茲」級航空母艦艦體主要採用屈服強度為550MPa的HY-80高強度鋼,裝甲結構採用屈服強度為690MPa的HY-100超高強度鋼;20世紀80年代中期以後建造的「尼米茲」級航母主要結構材料改為HSLA-80和HSLA-100高強度低合金鋼;21世紀最新一代航母則開始使用屈服強度達到794Mpa的HSLA 115鋼。
根據美國海軍的統計,排水量10萬噸的核動力航母需要5萬噸以上的高合金鋼。在這樣一艘大型航母上,使用HSLA-115鋼材取代HSLA-100,可以減重至少400噸,其中關鍵部位艦島部分可以減輕100-200噸。這一方面可以在保證航母性能的前提下,有效的降低航母重心;另外一方面可以節省大量鋼鐵材料,減少焊接工作量,縮短建造時間,降低建造費用。
結語
作為現代戰爭中的「王牌」,航母日益受到世界各國的重視,美國、英國、印度等都紛紛新建航母。為了更好地維護國家安全和實現海洋強國的目標,相信未來中國必然也會出現更多、更先進的航母。與此相應,性能更高、質量更好的鋼鐵材料也將不斷湧現。
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編輯| 史文慧
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