(57)【要約】      （修正有）【課題】アレスト特性に優れるとともに安価な船舶を製造するために適した船体用鋼板を選定する方法を提供する。【解決手段】少なくとも２つの船体用鋼板と、低変態温度溶接材料で構成され、２つの船体用鋼板を接続する溶接部１、２とを備える船殻構造について、一つの船体用鋼板で発生し隣接する船体用鋼板に伝播するき裂の先端部での応力拡大係数を計算し、計算された隣接する船体用鋼板における応力拡大係数の最小値以上の脆性き裂伝播停止靭性値を有する鋼板を、隣接する船体用鋼板に選定する。さらに、船体用鋼板と、船体用鋼板上に配置された骨材と、低変態温度溶接材料で構成され、船体用鋼板と骨材を接続する溶接部とを備える船殻構造については、船体用鋼板で発生して伝播するき裂の先端部での応力拡大係数を計算し、計算された船体用鋼板における応力拡大係数の最小値以上の脆性き裂伝播停止靭性値を有する鋼板を、船体用鋼板に選定する。【選択図】図２
2010195330.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの船体用鋼板と、低変態温度溶接材料で構成され、前記２つの船体用鋼板を接続する溶接部とを備える船殻構造について、一つの船体用鋼板で発生し該一つの船体用鋼板に隣接する船体用鋼板に伝播するき裂の先端部での応力拡大係数を計算し、
該計算された前記隣接する船体用鋼板における前記応力拡大係数の最小値以上の脆性き裂伝播停止靭性値を有する鋼板を、前記隣接する船体用鋼板に選定することを特徴とする船体用鋼板の選定方法。
【請求項２】
船体用鋼板と、該船体用鋼板上に配置された骨材と、低変態温度溶接材料で構成され、前記船体用鋼板と前記骨材を接続する溶接部とを備える船殻構造について、前記船体用鋼板で発生して伝播するき裂の先端部での応力拡大係数を計算し、
該計算された前記船体用鋼板における前記応力拡大係数の最小値以上の脆性き裂伝播停止靭性値を有する鋼板を、前記船体用鋼板に選定することを特徴とする船体用鋼板の選定方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の船体用鋼板の選定方法に基づいて選定された船体用鋼板を用いて製造された船舶。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、船殻構造の脆性き裂アレスト性を向上させるための船体用鋼板の選定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
船舶の大型化に伴い、船体構造部材が厚板化する傾向がある。厚板化した場合、従来板厚と比べ、圧延による鋼板の組織制御が難しくなり、また、板厚増による拘束が増加するため、靭性が低下する可能性がある。厚板化した鋼板の溶接では、溶接パス数が多くなり溶接欠陥を含む確率が高くなり、また、溶接入熱が増加するなどの理由から、溶接継手の靭性が劣化する可能性がある。万一、潜在していた溶接欠陥や靭性劣化した溶接継手部から脆性き裂が発生した場合や、長期間の使用により発生する疲労き裂が脆性き裂に転移した場合、脆性き裂は、厚板化した鋼板では停止することなく伝播して、船舶の損傷に繋がると考えられる。従って、伝播状態にある脆性き裂を停止させるために、周辺構造の部材に靭性、特に脆性き裂を停止させる特性（アレスト特性）を確保しておく必要がある。
【０００３】
安全に脆性き裂を停止させるために、構造部材の配置や継手のレイアウト変更など、構造体の作製方法の検討がなされてきた。
脆性き裂先端部の応力拡大係数Ｋは、式（１）で示される。
【数１】
2010195330.tif 000003
Ｆ：補正係数
σ：作用応力
ａ：き裂長さ
【０００４】
脆性き裂が進展する場合は、応力拡大係数Ｋとして、実験的に求められる有効応力拡大係数Ｋｅｆｆが用いられる。脆性き裂を停止させるために、応力拡大係数Ｋｅｆｆは式（２）を満たす必要がある。
Ｋｅｆｆ≦Ｋｃａ    ・・・（２）
Ｋｃａ：脆性き裂伝播停止靭性値
Ｋｃａは、鋼板毎の材料特性である。例えば、Ｋｃａが低い鋼板に、ＫｃａがＫｅｆｆよりも高い鋼板を突合せ溶接して挟み込むことで、高Ｋｃａを有する鋼板でき裂を停止させることが可能となる。
【０００５】
船殻に使用される鋼板は、非特許文献１などに、引張強度や耐衝撃性などの機械的性質に基づき、材料等級が規定されている。非特許文献１では、吸収エネルギーが大きいほど材料等級が高くなるように規定されている。定性的に、シャルピー衝撃試験での吸収エネルギーが大きいほど、Ｋｃａが大きくなる。このことから、船殻構造に使用する鋼板は、材料等級が高いほど有利であると考えられていた。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】日本海事協会、「鋼船規則」、日本海事協会編、２００７年、表Ｋ３．４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
厚い鋼板とした場合、圧延により結晶粒を小さくすることができず、組織制御が困難であるため、厚板であるほどＫｃａが低下する。また、温度が低いほどＫｃａは低下する。アレスト特性を向上させた船殻構造とするために、厚板で低温においてもＫｃａが高い材料を適用すればよい。しかし、このような材料は種類が限られる上に、例えばＮｉ含有量が高い合金など高価であるため、船舶製造コストが増加してしまう。
【０００８】
本発明は、アレスト特性に優れるとともに安価な船舶を製造するために適した船体用鋼板を選定する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の船体用鋼板の選定方法は、少なくとも２つの船体用鋼板と、低変態温度溶接材料で構成され、前記２つの船体用鋼板を接続する溶接部とを備える船殻構造について、一つの船体用鋼板で発生し該一つの船体用鋼板に隣接する船体用鋼板に伝播するき裂の先端部での応力拡大係数を計算し、該計算された前記隣接する船体用鋼板における前記応力拡大係数の最小値以上の脆性き裂伝播停止靭性値を有する鋼板を、前記隣接する船体用鋼板に選定することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の船体用鋼板の選定方法は、船体用鋼板と、該船体用鋼板上に配置された骨材と、低変態温度溶接材料で構成され、前記船体用鋼板と前記骨材を接続する溶接部とを備える船殻構造について、前記船体用鋼板で発生して伝播するき裂の先端部での応力拡大係数を計算し、該計算された前記船体用鋼板における前記応力拡大係数の最小値以上の脆性き裂伝播停止靭性値を有する鋼板を、前記船体用鋼板に選定することを特徴とする。
【００１１】
本発明では、船体用鋼板同士、または、船体用鋼板と骨材とを接続する溶接材として、低変態温度溶接材料を適用する。低変態温度溶接材料とは、溶接が完了する室温あるいはその付近において、溶接金属のマルテンサイト変態膨張が終了する溶接材料である。低変態温度溶接材料の代表的な組成は、Ｎｉ：１０質量％、Ｃｒ：１０質量％、Ｍｎ：０．７質量％、Ｓｉ：０．３３質量％、Ｍｏ：０．１３質量％、Ｃ：０．０２５質量％、Ｆｅ：残部とされる。低変態温度溶接材料を使用した場合は、溶接部継手部で圧縮応力が発生し、周辺部ではわずかに引張応力が発生する。このため、溶接部におけるき裂先端部での応力拡大係数が低下されるために、き裂発生した船体用鋼板に隣接する船体用鋼板において、き裂先端部での応力拡大係数を低下させることができる。すなわち、き裂伝播を停止可能か判断するＫｃａの基準値が低下する。従って、低変態温度溶接材料を適用した船殻構造の決定に際して、計算で求めた応力拡大係数の最小値以上の脆性き裂伝播停止靭性値Ｋｃａを有する鋼板を選定する。本発明を用いれば、アレスト性に優れるとともに、製造コストに見合った安価な鋼板を選定することができる。
【００１２】
従って、上記の船体用鋼板の選定方法に基づいて選定された船体用鋼板を用いて製造された船舶は、アレスト性能に優れる上、低コストで製造することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、例えば、コンテナ船のハッチサイドコーミング、タンカー等のアッパーデッキ（上甲板）、サイドシェル（船側外板）といった船体構造に使用される鋼板の選定に有効である。
船殻構造の溶接部に低変態温度溶接材料を使用することにより、溶接部における応力拡大係数を低下させることができる。低変態温度溶接材料を使用した船殻構造の決定に本発明を適用すれば、材料等級が低く安価な鋼板を選択することができるようになる。その結果、アレスト性能に優れる船舶の製造コストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】溶接線方向の溶接残留応力分布の一例を示すグラフである。
【図２】突合せ溶接で接合された平板継手構造モデルである。
【図３】突合せ溶接で接合された平板継手構造におけるき裂先端部での応力拡大係数を示すグラフである。
【図４】骨材を隅肉溶接で平板鋼材に接合した骨材付継手構造モデルである。
【図５】骨材付継手構造におけるき裂先端部での応力拡大係数を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１に、鋼板を低変態温度溶接材料（以下、ＬＴＴＷ）で溶接した場合、及び、従来の溶接材料（ＣＷ）で溶接した場合の、溶接線方向の溶接残留応力分布の一例を示す。同図において、横軸は溶接線中心からの距離、縦軸は溶接残留応力の推定値である。図１において、溶接残留応力が正の場合は引張応力、溶接残留応力が不の場合は圧縮応力である。
ＣＷは、例えば、ＪＩＳ  Ｚ３３１３  ＹＦＷ-Ｃ５０ＤＲとされる。図１におけるＣＷの溶接残留応力は、佐藤他著「溶接工学」（理工学社）ｐ．７３に基づき、以下の条件を与えて計算できる。
被溶接鋼板：板厚７０ｍｍ、降伏点３９０Ｎ／ｍｍ２
溶接入力：２０ｋＪ／ｃｍ
図１におけるＬＴＴＷの残留応力は、溶接金属の残留応力を−３００Ｎ／ｍｍ２と設定し、ＬＴＴＷ継手の溶接金属内残留応力の最大値とＣＷ継手の溶接金属内残留応力の最大値との比率を求め、その比率をＣＷの溶接残留応力分布に乗じることによって求めた。
【００１６】
本発明の船体用鋼板の選定方法を、以下に説明する。
（第１実施形態）
第１実施形態の船殻構造のモデルとして、図２に示す突合せ溶接で接合された平板継手構造を用いる。本実施形態において、き裂は、溶接欠陥や疲労き裂から脆性き裂が発生するとされる。
図２中の点Ａでき裂が発生し、一点破線上の矢印で示される方向にき裂が伝播すると仮定し、応力拡大係数Ｋの解析を行う。解析では、下記の条件を設定する。
平板鋼板の降伏点：３９０Ｎ／ｍｍ２
作用応力：２７６Ｎ／ｍｍ２
（き裂伝播方向に垂直に作用し、き裂を伝播させる応力）
溶接残留応力：図１に示す応力分布
Ｗ：２３００ｍｍ
Ｌ１：２００ｍｍ
Ｌ２：７００ｍｍ
Ｌ３：５００ｍｍ
【００１７】
き裂伝播する場合のき裂先端部分における応力拡大係数Ｋ（単位：Ｎ／ｍｍ１．５）は、式（１）で表される。
【数２】
2010195330.tif 000004
σ：作用応力（Ｎ／ｍｍ２）
ａ：き裂長さ（ｍｍ）
Ｆ：幅（Ｗ）、き裂長さ（ａ）に関係する修正係数
本実施形態では、Ｆは内部偏心き裂として計算する。
【００１８】
長いき裂（長大き裂）の場合、式（１）で求められるＫ値により、式（３）に記す有効応力拡大係数Ｋｅｆｆ（単位：Ｎ／ｍｍ１．５）を用いる。
【数３】
2010195330.tif 000005
【００１９】
溶接部（１）及び溶接部（２）では、ＬＴＴＷを使用した場合及びＣＷを使用した場合それぞれ、図１に示す残留応力分布が作用していると仮定して、溶接残留応力による応力拡大係数Ｋ（Ｒ）を算出する。なお、Ｋ（Ｒ）は、き裂内面に溶接残留応力が作用するとして計算される。
【００２０】
図２に示す平板継手構造において、き裂が伝播していく場合のき裂先端部での応力拡大係数Ｋは、式（４）で表される。
Ｋ  ＝  Ｋｅｆｆ  ＋  Ｋ（Ｒ）    …（４）
【００２１】
ここで、発生した長大き裂がアレスト（停止）するための条件は、式（４）で与えられる。
Ｋ≦Ｋｃａ    …（５）
Ｋｃａ：脆性き裂伝播停止靭性値
【００２２】
図３に、図２の平板継手構造におけるき裂先端部での応力拡大係数を示す。同図において、横軸は図２の構造の左端面からのき裂先端距離、縦軸は応力拡大係数である。
【００２３】
第１実施形態において、ＣＷを使用した平板継手構造では、溶接部（１）及び溶接部（２）に挟まれた鋼板における長大き裂の応力拡大係数が６０００Ｎ／ｍｍ１．５以上である。脆性き裂を停止させるためには、溶接部（１）及び溶接部（２）に挟まれた部分での応力拡大係数の最小値以上のＫｃａを有する鋼板を使用する必要がある。すなわち、溶接部（１）及び溶接部（２）で挟まれた鋼板には、Ｋｃａが６０００Ｎ／ｍｍ１．５以上の性能が要求される。
【００２４】
これに対し、ＬＴＴＷを使用した平板継手構造では、溶接部で応力拡大係数が低減するために、溶接部（１）及び溶接部（２）に挟まれた鋼板における長大き裂の応力拡大係数はＣＷよりも低下する。本実施形態では、Ｋｃａが４０００Ｎ／ｍｍ１．５以上である鋼材を選択すれば、脆性き裂を停止させることができる。
【００２５】
鋼板のＫｃａ値は、シャルピー衝撃試験（ＪＩＳ  Ｚ２２４２）により測定される吸収エネルギーから計算することができる。
鋼板のＫｃａ値とシャルピー衝撃試験による吸収エネルギー遷移温度ｖＴｒＥ（単位：℃）との間には、以下の相関式で表される関係があることが実験的に得られている。
【数４】
2010195330.tif 000006
ｔ：鋼板の板厚（ｍｍ）
Ｔ：温度（℃）
【００２６】
シャルピー衝撃試験による温度Ｔでの吸収エネルギーｖＥ（単位：Ｊ）とｖＴｒＥとの間には、以下の実験的な相関式があることが知られている。
【数５】
2010195330.tif 000007
【００２７】
非特許文献１に記載された各材料等級について、式（７）を用いてｖＴｒＥが求められる。さらに、得られたｖＴｒＥを式（６）に適用し、−１０℃（一般商船の最低温度）における最小Ｋｃａの推定値が、板厚毎に算出される。計算結果を表１に示す。
【表１】
2010195330.tif 000008
【００２８】
本実施形態では、ＬＴＴＷを使用した場合について、き裂伝播阻止のために要求されるＫｃａを有する鋼材を、表１から選定する。
表１を参照すると、ＣＷを使用した場合にき裂伝播を阻止するためには、材料等級：ＫＦ４０で板厚１０ｍｍの鋼板を選択する必要がある。すなわち、ＣＷを使用した場合には、厚板の鋼板を選択することができず、等級の高い高価な鋼材を選択しなければならないことが判る。
一方、ＬＴＴＷを使用した場合は、適用可能とされる鋼板の種類が増えることが判る。例えば、材料等級：ＫＦ３２、板厚：３０ｍｍの鋼材が選択可能である。このように、本実施形態の方法によれば、厚板を選択できるとともに、材料コストなどを考慮して、材料等級の低い安価な鋼材を選択することができる。そのため、アレスト性能に優れる船舶を低コストで製造することが可能となる。
【００２９】
（第２実施形態）
第２実施形態の船殻構造のモデルとして、骨材を隅肉溶接で平板鋼材に接合した骨材付継手構造を用いる。第２実施形態の船殻構造モデルを図４に示す。本実施形態において、き裂は、溶接欠陥や疲労き裂から脆性き裂が発生するとされる。
図４中の点Ａでき裂が発生し、一点破線上の矢印で示される方向にき裂が伝播すると仮定し、応力拡大係数Ｋの解析を行う。解析では、下記の条件を設定する。
平板鋼板及び骨材の板厚：７０ｍｍ
平板鋼板及び骨材の降伏点：３９０Ｎ／ｍｍ２
作用応力：２７６Ｎ／ｍｍ２
溶接残留応力：図１に示す応力分布
Ｗ：２３００ｍｍ
Ｌ１：２００ｍｍ
Ｌ２：７００ｍｍ
Ｌ３：５００ｍｍ
【００３０】
平板鋼板に骨材が隅肉溶接された場合のき裂伝播に伴うき裂先端部における応力拡大係数Ｋｒｉｂは、以下の手法により求めた。
まず、平板鋼板に骨材が接合され（溶接残留応力は考慮しない）き裂が伝播する場合について、き裂先端部におけるＫを、弾性ＦＥＭ計算によるき裂先端の開口変位から算出する。
【００３１】
次に、式（１）を用いて、骨材が無い場合のＫｘと、上記のように求めた骨材がある場合のＫｙとの比率を算出する。骨材が無い場合の有効応力拡大係数Ｋｅｆｆ（式（３））に、ＫｘとＫｙとの比率を乗じ、骨材がある場合の有効応力拡大係数Ｋｅｆｆ（ｒｉｂ）を算出する。
【００３２】
図４における骨材（１）及び骨材（２）の位置に、図１に示す溶接残留応力が作用していると仮定し、第１実施形態と同様にＫ（Ｒ）を算出する。
【００３３】
図４に示す骨材付継手構造において、き裂が伝播していく場合のき裂先端部での応力拡大係数Ｋは、式（８）で表される。
Ｋ  ＝  Ｋｅｆｆ（ｒｉｂ）  ＋  Ｋ（Ｒ）    …（８）
【００３４】
図５に、図４の骨材付継手構造におけるき裂先端部での応力拡大係数を示す。同図において、横軸は図４に示す構造の左端面からのき裂先端距離、縦軸は応力拡大係数である。
【００３５】
第２実施形態において、ＣＷを使用した骨材付継手構造では、骨材（１）及び骨材（２）で挟まれる領域でのき裂先端部の応力拡大係数は、３７００Ｎ／ｍｍ１．５以上である。すなわち、脆性き裂を停止させるためには、Ｋｃａが上記領域での応力拡大係数の最小値以上のＫｃａ、すなわち、３７００Ｎ／ｍｍ１．５以上を有する平板鋼板を使用する必要がある。
【００３６】
これに対し、ＬＴＴＷを使用した骨材付継手構造では、骨材部分（溶接部）での応力拡大係数が低減するために、骨材（１）及び骨材（２）で挟まれる領域でのき裂先端部の応力拡大係数の最小値が、２０００Ｎ／ｍｍ１．５まで低減した。従って、Ｋｃａが２０００Ｎ／ｍｍ１．５以上の平板鋼材を適用することにより、脆性き裂を停止させることができる。
【００３７】
表１を参照すると、ＣＷを用いた場合は、例えば４０ｍｍと船体構造を厚板で構成するためには、材料等級：ＫＦ３６、ＫＦ４０などの鋼板が選択されることになる。
一方、ＬＴＴＷを使用した場合は、同じ板厚としても、材料等級：ＫＥ３２、ＫＥ３６、ＫＥ４０などの鋼板が選択される。すなわち、本実施形態の方法によれば、より安価な鋼材を選択することができる。そのため、アレスト性能に優れる船舶を低コストで製造することが可能となる。
【図１】
2010195330.tif 000009
【図２】
2010195330.tif 000010
【図３】
2010195330.tif 000011
【図４】
2010195330.tif 000012
【図５】
2010195330.tif 000013