团 体 标 准
T/CIN 039—2024
极地船舶用低温钢评价指南
The evaluation guidance on low temperature steel for polar ships
2024 - 07 - 31 发布 2024 - 10 - 31 实施
中国航海学会 发 布
前 言
本文件按照GB/T 1.1—2020《标准化工作导则 第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。
本文件由中国航海学会提出并归口。
本文件起草单位：中国极地研究中心(中国极地研究所)、上海海事大学、洛阳船舶材料研究所(中国船舶集团有限公司第七二五研究所)、中国船舶集团有限公司第七〇八研究所、鞍钢集团北京研究院有限公司、宝山钢铁股份有限公司。
本文件主要起草人：黄嵘、常雪婷、宫旭辉、王燕舞、王超逸、高珊、王东胜、高珍鹏。
极地船舶用低温钢评价指南
1 范围
本文件提供了基于极地船舶低气温服务环境适用的钢板性能评价所需评价原则、评价项目、评价方法和评价报告等方面的指导和建议。
本文件适用于厚度不大于70mm的在极地区域航行船舶用钢板的性能评价工作。
2 规范性引用文件
下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB/T 228.1 金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法
GB/T 228.3 金属材料 拉伸试验 第3部分：低温试验方法
GB/T 229 金属材料 夏比摆锤冲击试验方法
GB/T 5313 厚度方向性能钢板
GB/T 6384 船舶及海洋工程用金属材料在天然环境中的海水腐蚀试验方法
GB/T 6398 金属材料 疲劳试验 疲劳裂纹扩展方法
GB/T 6803 铁素体钢的无塑性转变温度落锤试验方法
GB/T 10123 金属和合金的腐蚀 术语
GB/T 10125 人造气氛腐蚀试验 盐雾试验
GB/T 10623 金属材料 力学性能试验术语
GB/T 16545 金属和合金的腐蚀 腐蚀试样上腐蚀产物的清除
GB/T 17754 摩擦学术语
GB/T 24196 金属和合金的腐蚀 电化学试验方法 恒电位和动电位极化测量导则
3 术语和定义
GB/T 10623 、GB/T 10123及GB/T 17754界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1
设计服务温度 design service temperature; DST
设计时为船舶设定的用于衡量材料、设备和系统在低气温环境下服务性能的温度指标。
注：该温度由船东根据船舶的用途和服务工况确定，一般设为低于拟定的船舶操作区域和季节的最低日均低温(Lowest Mean Daily Low Temperature, LMDLT)至少 l0℃。
4 评价总则
4.1 极地船舶用低温钢评价宜由钢板生产厂、船舶建造厂、船舶设计单位或船舶管理单位组织实施。
4.2 极地船舶用低温钢宜首先满足船舶入级船级社有关规定要求。
4.3 极地船舶用低温钢评价可根据实际航行条件进行，评价项目包括：化学成分、力学性能评价、耐腐蚀性能评价、耐摩擦磨损性能评价。
5 评价项目
5.1 化学成分、力学性能评价
5.1.1 化学成分
对钢板中化学元素组成及质量百分比进行评价。
5.1.2 力学性能
钢板试样力学性能评价内容包括：
a) 室温条件下的力学性能均一性评价;
b) 室温及设计服务温度条件下静强度性能评价;
c) 系列温度条件下抗断性能评价;
d) 设计服务温度条件下止裂性能评价;
e) 设计服务温度条件下疲劳裂纹扩展性能评价。
5. 2 耐腐蚀性能评价
钢板试样耐腐蚀性能评价内容包括：
a) 模拟海洋大气环境下的耐盐雾腐蚀性能评价;
b) 0℃模拟海水及设计服务温度模拟海冰条件下的耐浸泡腐蚀性能评价。
5.3 耐摩擦磨损性能评价
钢板试样耐摩擦磨损性能评价内容包括：
a) 设计服务温度条件下的耐海冰摩擦系数评价;
b) -5℃条件下的耐海冰冲蚀性能评价;
c) 海水-海冰共同作用下的耦合作用性能评价。
6 评价方法
6. 1 概述
评价方法包括试验条件、试验试样及试验程序，以及试验数据的处理方法。
6. 2 力学性能评价
6.2.1 化学成分
对钢板试样中化学元素组成及质量百分比进行评价，包括：碳(C)、硅(Si)、锰(Mn)、磷(P)、硫(S)、铬(Cr)、铝(Al)、铌(Nb)、钛(Ti)、镍(Ni)、钼(Mo)、铜(Cu)、钒(V)、氮(N)等。
6.2.2 力学性能均一性评价
6.2.2.1 应按照 GB/T 228.1 、GB/T 228.3 和 GB/T 229，进行试验钢板在室温及设计服务温度条件下的拉伸、夏比冲击和弯曲试验，评价钢板的力学性能均一性。
6.2.2.2 试样取样方法如下：
a) 试样取样位置为钢板头部和尾部 1/4 宽度处;
b) 对于拉伸试样，钢板厚度不超过 40mm 时，每个位置在 1/4 板厚处取样，钢板厚度超过40mm时，每个位置在 1/4 板厚、心部取样;
c) 对于夏比冲击试样，钢板厚度不超过 40mm 时，每个位置在近表面处取样，钢板厚度超过40mm时，每个位置在 1/4 板厚、心部取样;
d) 试样取向为纵向和横向。
6.2.2.3 试验结果包括钢板取向、取样位置、屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、断面收缩率、夏比冲击吸收能量、弯心半径、弯曲试样表面情况。
6.2.3 钢板静强度性能评价
6.2.3.1 应按照 GB/T 228.3 和 GB/T 5313，进行试验钢板的原板厚静强度拉伸、低温拉伸和 Z 向抗层状撕裂试验，评价钢板的静强度性能。
6.2.3.2 试验温度和试样取样方法如下：
a) 对于原板厚静强度拉伸试样，试验温度为室温，试样平行段长度不小于板厚的 2 倍，取向为横向;
b) 对于低温拉伸试样，试验温度为设计服务温度，试样分别为原板厚试样及 φ10 圆棒试样，取向为横向，圆棒试样，取样位置为 1/4 板厚处(钢板厚度不超过 40mm)或 1/4 板厚处、心部(钢板厚度超过 40mm);
c) Z 向抗层状撕裂试验温度为设计服务温度。
6.2.3.3 试验结果包括钢板试样类型、取样位置、取样方向、试验温度、屈服强度、抗拉强度、断后伸长率和断面收缩率。
6.2.4 钢板抗断性能评价
6.2.4.1 系列温度夏比冲击试验
应按照GB/T 229 对钢板进行系列温度夏比冲击试验，试样类型为 V 型缺口试样，试样取样位置和尺寸应满足中国船级社《材料与焊接规范》要求，取向为纵向，推荐试验温度(℃) 选择 20、0 、- 20 、-40 、-60 、-80 、-100 、-120。试验结果应包含试样类型、取样位置、取样方向、试验温度、冲击吸收能量、纤维断面率、韧脆转变特征温度 ETT50( 1/2 上平台能量对应的温度)和 FATT50(50%纤维断面率对应的温度)，并绘制完整的系列温度冲击韧脆转变曲线。
6.2.4.2 落锤试验
应按照 GB/T 6803 对厚度不小于 16mm 的钢板进行落锤试验，应就钢板厚度尽可能加工出最大尺寸的试样，试样取向为纵向。试验结果应包含试样类型、取样位置、取样方向、试验温度、无塑性转变特征温度。
6.2.5 钢板止裂性能评价
应参照中国船级社《船用高强度钢厚板应用指南》对钢板开展设计服务温度条件下的双重拉伸试验，试验结果应包含试样编号、板厚、主拉伸应力、温度梯度、止裂长度、止裂温度、止裂韧性。
6.2.6 钢板疲劳裂纹扩展性能评价
应按照GB/T 6398 对钢板开展设计服务温度条件下的疲劳裂纹扩展速率试验，试样取向为横向，按七点递增多项式计算程序拟合求得 da/dN，并按 Paris 公式拟合得到 da/dN-△K 表达式，试验结果应包含试样类型、取样方向、试验温度及 da/dN-△K 拟合表达式。
6.3 耐腐蚀性能评价
6.3.1 应按照 GB/T10125 在 35 ℃±2 ℃条件下进行试验钢板在模拟海洋大气环境下的耐盐雾腐蚀试验(中性盐雾试验)，应按照 GB/T 6384 进行 0℃模拟海水及设计服务温度模拟海冰条件下试验钢板的耐浸泡腐蚀试验，应按照 GB/T 16545 去除腐蚀产物后记录试验前后钢板质量变化，评价钢板的耐腐蚀性能。
6.3.2 试样及腐蚀介质要求、试验周期、腐蚀速率计算方法如下：
a) 试样尺寸由供需双方商定或推荐采用 90 mm×120mm×(1 mm~3 mm)的矩形试样，表面使用120 号砂纸打磨或喷砂处理，用酒精或丙酮清洗后干燥备用;
b) 对于耐浸泡腐蚀试验，0℃模拟海水及设计服务温度条件下的海冰盐浓度宜尽可能接近实际服役条件。如没有相关技术要求，建议使用在蒸馏水或去离子水或同等纯度的水中溶解氯化钠以获得浓度为 35 g/L±1 g/L 的中性盐溶液;
c) 试验周期由船舶设计寿命确定，推荐中性盐雾试验不少于 1000h，耐浸泡腐蚀试验不少于 1200h;
d) 腐蚀速率 C(mm/a)可参照使用公式(1)确定：
c …………………………(1)
式中：
C——腐蚀速率，单位为毫米每年(mm/a);
m2——试样初始质量，单位为克(g);
m1——试样最终质量，单位为克(g);
ρ——试样密度，单位为克每立方毫米(g/mm3);
S——试样暴露面积，单位为平方毫米(mm2);
t—试验周期，单位为小时(h)。
6.3.3 试验结果包括试验温度、试样暴露面积、试验周期、耐盐雾腐蚀速率 C1 、0℃耐浸泡腐蚀速率
C0 及设计服务温度下耐浸泡腐蚀速率 CT。
6,4 耐摩擦磨损性能评价
6.4.1 耐海冰摩擦性能评价
6.4.1.1 使用海冰摩擦销对摩方法测试设计服务温度条件下钢板与海冰之间摩擦系数。
6.4.1.2 试验方法及参数如下：
a) 试验采用冰-钢销盘式接触，测试环境温度为设计服务温度，一般不高于-20℃;加载强度不高于海冰抗压强度，如无特殊要求，可设定为 1.2 MPa;
b) 海冰摩擦销性能参数可参照 HY/T 047 根据实际航路条件制定，其抗压强度一般不低于 1.5 MPa，磨损达到 50%时换新;
c) 对摩距离不少于船舶设计年度冰区航行距离的 1%;
d) 对摩速度不高于船舶《极地水域操作手册》要求破冰航行速度，一般不小于 1m/s。
6.4.1.3 试验结果包括钢板试样类型、取样位置、试验温度、加载强度、海冰强度、对摩距离、对摩速度及摩擦系数。
6.4.2 耐海冰冲蚀性能评价
6.4.2.1 使用冰冲蚀方法评价-5℃条件下钢板耐海冰冲蚀性能。
6.4.2.2 试验方法及参数如下：
a) 试验采用海冰在浓度为 35 g/L±1g/L 中性盐溶液中作为冲蚀介质，冰水体积比 2:1，海冰性能参数可参照 HY/T 047 根据实际航路条件制定，其抗压强度一般不低于 1.5 MPa，试验过程中冰块破损率高于 50%后应更换或补充新冰块;
b) 试样尺寸由供需双方商定或推荐采用 30 mm×50 mm×(1 mm~3 mm)的矩形试样，表面使用
120 号砂纸打磨或喷砂处理，用酒精或丙酮清洗后干燥备用;
c) 海冰抗压强度不低于 1.5 MPa ，磨损达到 50%时换新;
d) 冲蚀距离不少于船舶设计年度冰区航行距离的 1%;
e) 冲蚀速度不小于 5m/s，不高于船舶《极地水域操作手册》要求冰区航行速度。
6.4.2.3 测试开始前测量试样重量，测试结束后按照 GB/T 16545 去除表面附着产物，记录冲蚀面积SC，按照公式(2)确定冲蚀磨损率 T(mm/a)。
T LD …………………………
式中：
T——冲蚀磨损率，单位为毫米每年(mm/a);
m2——试样初始质量，单位为克(g);
m1——试样最终质量，单位为克(g);
ρ——试样密度，单位为克每立方毫米(g/mm3);
LW——冲蚀距离，单位为米(m);
LD——船舶设计年度冰区航行距离，单位为米/年(m/a);
SC——试样冲蚀面积，单位为平方毫米(mm2)。
6.4.2.4 试验结果包括钢板试样类型、取样位置、海冰强度、冲蚀距离、冲蚀速度及冲蚀磨损率。
6.4.3 耐海水-海冰耦合作用性能评价
6.4.3.1 结合使用海水介质摩擦磨损和电化学方法评价钢板耐海水-海冰耦合作用性能。
6.4.3.2 试验对摩材料、试验介质及试验参数如下：
a) 试验采用模拟海冰摩擦销-钢销盘式接触，测试环境温度为 0 ℃, 加载强度不高于海冰抗压强度，如无特殊要求，可设定为 1.2 MPa;
b) 模拟海冰摩擦销可选用高密度聚乙烯材料或聚丙烯材料制备，其摩擦系数及表面硬度宜与
6.4.1 中选用海冰摩擦销相符，磨损达到 50%时换新;
c) 试验介质为浓度为 35 g/L±1g/L 的中性盐溶液，宜用蒸馏水或去离子水或同等纯度的水中溶解氯化钠获得;
d) 对摩距离不少于船舶设计年度冰区航行距离的 1‰;
e) 对摩速度不高于船舶《极地水域操作手册》要求破冰航行速度，一般不小于 1m/s;
f) 电化学系统采用三电极体系，对电极为铂电极，参比电极为 Ag/AgCl 电极，工作电极为测试试样，选用阴极保护电位(开路电位-0.2V)作为外加电位。
6.4.3.3 在对摩试验开始前宜对试样进行不少于 30 分钟的浸泡测量并保证开路电位稳定。
6.4.3.4 记录对摩前后试样的开路电位、有外加阴极保护电位和无外加阴极保护电位条件下对摩前后
摩擦系数、磨痕面积、试样质量，按照公式(3)、公式(4)确定阴极保护电位下磨损率 W0 (mm/a)，无阴极保护电位下磨损率 W1(mm/a)：
………………………(())
式中：
W0——阴极保护电位下磨损率，单位为毫米每年(mm/a);
W1——无阴极保护电位下磨损率，单位为毫米每年(mm/a);
m2——试样初始质量，单位为克(g);
m1——试样最终质量，单位为克(g);
ρ——试样密度，单位为克每立方毫米(g/mm3);
LW——对摩距离，单位为米(m);
LD——船舶设计年度冰区航行距离，单位为米/年(m/a);
SW——试样磨痕面积，单位为平方毫米(mm2)。
6.4.3.5 应按照 GB/T 24196 进行无阴极保护电位下对摩后试样的动电位极化测量，记录试样磨损腐蚀速率 CW(mm/a);
6.4.3.6 计算海水-海冰腐蚀-摩擦耦合因素，其中腐蚀引起的磨损增量 ΔWC 使用公式(5)计算，磨损引起的腐蚀增量 ΔCW 使用公式(6)计算。
ΔWC = W1 __ W0 …………………………(5)
ΔcW = cW __ c0 …………………………(6)
式中：
ΔWC——腐蚀引起的磨损增量，单位为毫米每年(mm/a);
W1——无阴极保护电位下磨损率，单位为毫米每年(mm/a);
W0——阴极保护电位下磨损率，单位为毫米每年(mm/a);
ΔcW——磨损引起的腐蚀增量，单位为毫米每年(mm/a);
cW——磨损腐蚀速率，单位为毫米每年(mm/a)
C0——0℃耐浸泡腐蚀速率，单位为毫米每年(mm/a)
6.4.3.7 若ΔcW /ΔWC<0.1，说明该试样的腐蚀行为对磨损行为的影响程度更大，可能会由于腐蚀加剧或减弱磨损;若 0. 1≤ΔcW /ΔWC<1，说明该试样的腐蚀行为和磨损行为占同等重要程度;若
1≤ΔcW /ΔWC，则说明该试样会由于磨损行为而引起腐蚀速率的变化。
6.4.3.8 若ΔcW /ΔWC 为负值，则说明对摩过程中产生的表面产物能够比初始表面提供更好的保护作用，例如在滑动磨损过程中形成附着的氧化垢。
7 评价报告
7. 1 概述
评价报告宜包括以下内容：
a) 钢板牌号、钢板规格、生产厂家、生产工艺、生产日期、试样编号，试样的外观及质量检验报告;
b) 试验溶液成分、温度及试验时间;
c) 钢板化学成分;
d) 钢板在室温下和低温的力学性能、耐腐蚀性能、耐摩擦磨损性能;
e) 相关评价指标及评价结果;
f) 需要备注的情况说明;
g) 校核和主检人员的署名;
h) 检测和报告日期;
i) 试验中发生的现象;
j) 操作和审核人员的署名。
7. 2 评价数据记录表
极地船舶用低温钢基本数据记录表相关示例见附录 A ，化学成分评价数据记录表相关示例见附录
B ，力学性能评价数据记录表相关示例见附录 C，耐腐蚀性能评价数据记录表相关示例见附录 D，耐摩擦磨损性能评价数据记录表相关示例见附录 E。每条结果记录可按照检测方案指定方法赋予特定的编号，存入数据库，以备查询。按照 GB/T4336，钢板检测原始结果保存时间应不少于 5 年。
附 录 A
(资料性)
极地船舶用低温钢基本数据记录表
表 A.1 给出了极地船舶用低温钢基本数据记录表。
表 A.1 极地船舶用低温钢基本数据记录表
记录： 校对： 审核：
附 录 B
(资料性)
极地船舶用低温钢化学成分记录表
表 B.1 给出了极地船舶用低温钢化学成分记录表。
表B.1 极地船舶用低温钢化学成分记录表
记录： 校对： 审核：
附 录 C
(资料性)
极地船舶用低温钢力学性能记录表
表 C.1 给出了极地船舶用低温钢力学性能均一性试验记录表，表 C.2 给出了极地船舶用低温钢原板厚拉伸试验记录表，表 C.3 给出了极地船舶用低温钢低温拉伸试验记录表，表 C.4 给出了极地船舶用低温钢 Z 向抗层状撕裂试验记录表，表 C.5 给出了极地船舶用低温钢系列温度夏比冲击试验记录表，表 C.6 给出了极地船舶用低温钢落锤试验记录表，表 C.7 给出了极地船舶用低温钢止裂试验记录表，表 C.8 给出了极地船舶用低温钢疲劳裂纹扩展速率试验记录表。
表C.1 极地船舶用低温钢力学性能均一性试验记录表
表C.2 极地船舶用低温钢原板厚拉伸试验记录表
表 C.3 极地船舶用低温钢低温拉伸试验记录表
表 C.4 极地船舶用低温钢 Z 向抗层状撕裂试验记录表
表 C.5 极地船舶用低温钢系列温度夏比冲击试验记录表
表 C.6 极地船舶用低温钢落锤试验记录表
表 C.7 极地船舶用低温钢止裂试验记录表
表 C.8 极地船舶用低温钢疲劳裂纹扩展速率试验记录表
记录： 校对： 审核：
附 录 D
(资料性)
极地船舶用低温钢耐腐蚀性能记录表
表D.1 给出了极地船舶用低温钢耐海洋大气、耐浸泡腐蚀试验记录表。
表 D.1 极地船舶用低温钢耐海洋大气、耐浸泡腐蚀试验记录表
记录： 校对： 审核：
附 录 E
(资料性)
极地船舶用低温钢耐摩擦磨损性能记录表
表 E.1 给出了极地船舶用低温钢耐海冰摩擦性能试验记录表，表 E.2 给出了极地船舶用低温钢耐海冰冲蚀性能试验记录表，表 E.3 给出了极地船舶用低温钢耐海水-海冰耦合作用性能试验记录表。
表 E.1 极地船舶用低温钢耐海冰摩擦性能试验记录表
表 E.2 极地船舶用低温钢耐海冰冲蚀性能试验记录表
表 E.3 极地船舶用低温钢耐海水-海冰耦合作用性能试验记录表
记录： 校对： 审核：
参考文献
[1] 国家海洋局，工程海冰技术规范.HY/T 047—2016[S]. 北京: 中国标准出版社，2016-11-07
[2] 中国船级社. 钢质海船入级规范 2023[S]. 中国. 中国船级社, 2023.
[3] 中国船级社. 材料与焊接规范 2023[S]. 中国. 中国船级社, 2023.
[4] 中国船级社. 极地船舶指南 2023[S]. 中国. 中国船级社, 2023.
[5] 中国船级社. 原油油船货油舱耐蚀钢检验指南 2023[S]. 中国. 中国船级社, 2023.
[6] 中国船级社. 船用高强度钢厚板应用指南 2024[S]. 中国. 中国船级社, 2024.
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