مقاله کاربرد فولاد YP47 به منظور جلوگیری از شکست ترد در کشتی‌های کانتینربر

بخشی از مقاله

چکیده
در طول سالهای اخیر، افزایش تقاضای تجارت جهانی منجر به بزرگتر شدن تجهیزات حفاری نفت و گاز در سازههای فراساحل و اندازهی کشتی-های کانتینربر شده است. افزایش در اندازهی کشتیهای کانتینربر، سبب افزایش در ضخامت ورقهای فولادی مورد استفاده در ساخت بدنه گردید. ضخیمتر شدن ورقهای فولادی، کاهش چقرمگی و افزیش شکست ناشی از تردی را به دنبال دارد و همچنین باعث جوشکاری سخت و افزایش وزن بدنه میشود. با توجه به ضخامت بالای ورقها و بارگذاری بالای دینامیکی و استاتیکی در ناحیهی گیردر عرشه بالایی بدنه نظیر بازشوی دریچهها و ورق بالای آن، شکست ترد عاملی بسیار مهم میباشد که عمیقاً نیاز به تحقیق دارد. در حال حاضر، برای حل این مشکلات ، به منظور طراحی کشتیهای کانتینربر کلاس جدیدی از مواد با حداقل استحکام تسلیم 460N/mm2 که فولاد YP47 نامیده میشود، در نظر گرفته شده است. این فولاد دارای مقاومت بالا و چقرمگی بالا میباشد که ساخت آن سبب بهبود قابلیت اطمینان از ساختار بدنه کشتیهای کانتینربر غول پیکر که بطور قابل توجهی در برابر شکستهای ترد، به واسطهی کاهش ضخامت ورقها و طراحی چیدمان مناسب ورقها، جلوگیری میکند. به علاوه، اثر کاهش وزن این نوع فولاد همچنین به بهبود عملکرد سیستم رانش و راندمان بارگیری کالا کمک میکند.

کلمات کلیدی: فولاد YP47، قابلیت اطمینان، شکست ترد، کشتی کانتینربر.

مقدمه
حمل و نقل بارهای کانتینری دریایی از دههی 1960 میلادی به منظور سودآوری بنادر از طریق تخلیه و بارگیری کالا، ایجاد ارتباط میان حمل و نقل دریایی و زمینی از راههای مختلف، کاهش در زمان و هزینهی حمل و نقل و ... آغاز شد و پس از آن به سرعت توسعه یافت .[1] رشد فزاینده-ی تقاضای تجارت جهانی سبب ایجاد تحول در اندازه و سودآوری کشتیهای مورد استفاده به خصوص کشتیهای کانتینربر گردید، بطوری که موثرترین ابزار از لحاظ اقتصادی و تجاری، افزایش اندازهی کشتیهای کانتینربر میباشد .[1-6] در طول کمتر از دو دههی گذشته، بزرگترین کشتی کانتینربر ساخته شده تنها قادر به حمل ظرفیت 5000TEU1 بود، اما در طی سالهای گذشته این ظرفیت با رشد چشمگیری رو به رو بوده است به گونهای که در حال حاضر ظرفیت حمل کشتیهای کانتینربر به بیش از 18000TEU میرسد، شکل .[ 7] 1با افزایش اندازهی کشتیهای کانتینربر، ضخامت ورقهای فولادی مورد استفاده در ساخت بدنهی آنها نیز همواره افزایش مییابد، همچنین به تناسب افزایش بار، بدنه نیز بزرگتر ساخته میشود. به طور کلی، ضخیمتر شدن ورقهای فولادی، کاهش چقرمگی و افزیش شکست ناشی از تردی را به دنبال دارد و همچنین باعث جوشکاری سخت و افزایش وزن بدنه میشود. بطور کلی، کاربرد این چنین ورقهای فولادی بسیار ضخیم در سازهی بدنه، نگرانیهایی در موارد زیر را افزایش میدهد:

-    کاهش در چقرمگی با توجه به ضخیمتر شدن ورقها
-    مقاومت کافی در برابر شکست ترد در فلز پایه و اتصالات جوش داده شده شامل: جلوگیری از رخ دادن شکست ترد و جلوگیری از رشد ترک-های ترد                                                                  -    مونتاژ کردن، عملیات جوش و اتصالات سازه بدنه با توجه به افزایش وزن بکار گرفته شده
-    کنترل کیفیت - عملیات جوشکاری، بازرسی غیر مخرب و ... - اتصالات جوش داده شده بر روی ورقهای فولادی بسیار ضخیم.

از این رو، به منظور رسیدگی به این چالشها، MHI2 به همراه NSC3 و NK4مشترکاً پروژهی توسعه و کاربرد عملی گرید جدیدی از ورقهای فولادی با استحکام کششی بالا و توسعهی قابلیت اطمینان بالای ساختار بدنه کشتیهای کانتینربر غولپیکر را در سال 2001 میلادی آغاز بکار کردند که نتیجهی این تحقیقات، توسعهی فولاد با استحکام کششی بالا - HTSS5 - تا استحکام تسلیم 460N/mm2 بود که سبب افزایش استحکام آن در حدود 20% در مقایسه با ورقهای فولادی معمولی گردید - تا پیش از آن، حداکثر استحکام ورقهای فولادی بسیار ضخیم همواره تا نقطه تسلیم 390N/mm2 برای بدنه کشتیهای کانتینربر به منظور حفظ استحکامشان مورد استفاده قرار میگرفت - .

این گرید جدید فولاد که YP47 نامیده شد، برای اولین بار در ساخت بدنهی کشتی کانتینربر MOL و پنج کشتی مشابه از آن در ژاپن استفاده شد . علاوه بر این، گرید جدید فولاد در کلاس NK مورد بررسی قرار گرفت و سپس استاندارسازی و ردهبندی شد .[7]-[6]-[1] همچنین، برای اولین بار نیز موسسه ردهبندی آلمان مفهوم ایمنی را برای جلوگیری از شکست ترد در گرید YP47 مورد بررسی و تحلیل قرار داد .[9]در این مقاله، به بررسی و کاربرد ورقهای فولادی YP47 و بهبود ایمنی، همچنین به مفهوم طراحی ایمن و قابلیت اطمینان از ساختار بدنه و در نهایت به روشهای جلوگیری از ترک ترد در فولاد YP47 و آزمایش مقیاس بزرگ پرداخته میشود.

ورقهای فولادی با تنش تسلیم 460N/mm2 و بهبود ایمنی
همانطور که استفاده از سازههای فلزی مستحکم و مقیاس بزرگ در طیف گستردهای از صنایع دریایی با رشد چشمگیری در حال افزایش است، ارزیابی و استاندارهای مناسب نیز برای ایمنی و عملکرد مواد مورد نیاز است .[5] در توسعه ورقهای فولادی یکی از فاکتورهای ضروری، در نظر گرفتن قابلیت اطمینان سازه در برابر ترکهای ترد با توجه به افزایش مقاومت فولاد است. از این رو، دو گام مهم در طراحی سازههای مقیاس بزرگ نظیر کشتیهای کانتینربر، توجه به جلوگیری از رخ دادن ترکهای ترد و قابلیت جلوگیری از انتشار ترک ترد در حین رشد آن است. بنابراین، به منظور دستیابی به قابلیت اطمینان بالا از سازه، این دو گام باید در نظر گرفته شوند .[1] در شکل 2، تاریخچه افزایش مقاومت ورقهای فولادی برای ساختار بدنه نشان داده شده است، در حالی که کشتیهای کانتینربر معمولی بطور کلی از ورقهای فولادی 390N/mm2 استفاده میکردند، با توسعه فولاد با استحکام کششی بالا - گرید فولاد - YP47 نزدیک به 20% مقاومتشان افزایش یافته است .[6]

شکل 2، تاریخچه حداکثر مقاومت فولادهای با استحکام کششی بالا به منظور استفاده در بدنه کشتیهای تجاری در توسعهی این ورقهای فولادی همچنین، استحکام و مقاومت به انتشار ترک ترد نیز افزایش یافت. بعلاوه، قابلیت جوشپذیری بالای درونی به ورقهای فولادی جهت کاربرد در صنعت کشتیسازی توسط ریزتر کردن دانهای ساختار فلز از طریق کنترل دقیق گرماکاری، نورد و شرایط سردکاری رسیدگی شده است، شکل .3 در واقع، روش مطمئن برای افزایش مقدار قابلیت جلوگیری از ترک ترد، ریزتر کردن دانهای فولاد است. بنابراین، روشهای زیر به همین منظور بکار گرفته میشوند.

-    ریزتر کردن دانه در مرحله ابتدایی آستنیت به وسیلهی پائین آوردن دمای گرماکاری
-    ریزتر کردن دانهای آستنیت به وسیلهی نورد در دمای پائین در دوره زمانی کوتاه
-    ریزتر کردن دانهای به وسیله TMCP و تغییر شکل از حالت آستنین به فریت
همانطور که در شکل 3 نشان داده شده، پر واضح است که دانههای فولاد گرید YP47 در مقایسه با فولاد معمولی - YP40 - ریزتر میباشند که سبب توسعهی افزایش قابلیت جلوگیری از ترک ترد میشود - این توسعهی قابلیت جلوگیری توسط تست مدل مقیاس بزرگ تایید میشود - -[1].[6]-[3]

طراحی سازهای
در سالهای اخیر، رفته رفته بر اهمیت طراحی سازهای کشتی افزوده شده است. طراحی سازهای کشتی همواره چه از دیدگاه فنی و چه از منظر اقتصادی، به عنوان بخشی بسیار مهمی از مدیریت یک کارخانه کشتیسازی به علت آنکه، موضوع بررسی استحکام سازهای یک کشتی یکی از نکات اصلی مورد توجه در طراحی و ساخت آن بوده و از سویی دیگر، هزینه فولاد بدنه یک کشتی نیز کمیتی در حدود 20% از کل هزینه ساخت آن را به خود اختصاص میدهد، محسوب میشود .[12]مطالعات ارتعاش پیوسته بدنه کشتی ناشی از نیروهای هیدرودینامیکی غیر ضربهای وارد بر آن و ارتعاش گذرای بدنه کشتی که توسط نیروهای تحریک ضربهای در آن القا میشود، نوع فولاد مصرفی در ساخت بدنه کشتی را مشخص میکند.

در حال حاضر کلاس جدیدی از فولاد با استحکام کششی بالا، با نقطه تسلیم اسمی 460N/mm2 برای طراحی کشتیهای کانتینربر در نظر گرفته شده است. این چنین ورقهای فولادی مورد استفاده در ساخت کشتیهای کانتینربر به منظور برآوردن الزامات مورد نیاز برای مقاومت گیردر طولی بدنه، به خصوص در موضوع طراحی و کاهش وزن Open Deck این نوع کشتیها میباشد - طراحی Open Deck به معنای آن است که مقاومت طولی باید با اعضای سازهای محدودی تقویت شود - .[7]-[6]-[3]کشتیهای کانتینربر همانطور که در شکل 5 نشان داده شدهاند، دارای دریچهی بزرگی - Hatch - هستند که از طریق آن کانتینرها درون انبارها، بارگیری و تخلیه میشوند.

به دلیل چیدمان اعضای سازهای مقاوم در برابر بارهایی که باعث خمش کلی بدنه - بارهای طولی که وارد میشوند، خمش کمی در گیردر بدنه ایجاد میکنند - میشوند، روی عرشهی بالایی بدنهی آنها باید با دقت بیشتری این چینش انجام گیرد. بنابراین، از آنجایی که عرشه لاییبا معمولاً در معرض بارهای بزرگی قرار دارند، ضخامت ورقها در حدود 65mm میباشد که به منظور رفع این مشکل مورد استفاده قرار میگیرند. بعلاوه، از آنجایی که بارهای خمشی گیردر بدنه با توجه به بزرگتر شدن اندازهی بدنه کشتیها زیاد میشوند، افزایش ضخامت ورق فولادی، رشد بیشتری میگیرد. به هر حال، این افزایش در ضخامت، منجر به کاهش چقرمگی ورقهای فولادی که سبب کاهش قابلیت اطمینان از سازه است، میشود. در این راستا، سازهی بدنه باید به منظور جلوگیری از رشد ترک ترد در بدترین حالت طراحی شود. از اینرو،