三菱重工技報 VOL.44 NO.3 : 2007

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特集論

世界初の船体用降伏応力 47 kgf/mm2級高張力鋼の開発と実船適用

文World's First Application of 47 kgf/mm 2
Higher Tensile Strength Steel for Large-Scale
Container Ships and Realization of Safety
Design to Respond to Trend for Supersizing
廣 田 一 博＊1

Kazuhiro Hirota

橋吉Yoshimi Hashi

＊4

美中隆＊2

川武 田 信 玄＊3

Takashi Nakagawa

多 田 益 男

Shingen Takeda＊5Masuo Tada

コンテナ船は著しく大型化が進んでおり，その船体に使用される鋼材の厚手化が進んでいる．一般に鋼材は板厚が厚くなると，靭性（ねばり）が低下するため，脆性破壊に対する配慮がより必要となる．このため，当社では，一般商船の船体用鋼材として従来材と比較して２割程度強度を高めた降伏強度 47 kgf/mm2 級鋼板を新日本製鐵（株）と共同で開発した．本開発鋼は高強度と高靭性を兼ね備えており，その特性をいかした板厚低減と適切な鋼材配置設計により，超大型コンテナ船の脆性破壊に対する船体構造信頼性を大幅に向上している．併せて，重量低減効果による推進性能・貨物積載効率の向上にも寄与している．
本鋼は，当社にて建造の 8100TEU コンテナ船において世界に先駆けて実船適用済であり，お客様から安全・性能の両面で高い評価を頂いている．

1．はじめ

続いて鋼材の特性および船体構造の安全設計コンセプにト，最後に溶接法について紹介する．

コンテナ船は図１に示すとおり，ここ 10 年で著し

2．最新鋭 8100TEU コンテナ船の紹介

く大型化が進み，使用される鋼板も船体の大型化による荷重増加に対応し，厚手化が進んでいる．一般

47 キロハイテンを世界で初めて適用した 8100TEU クに鋼材は厚手化により靭性が低下，脆性亀裂に対するラスコンテナ船 "MOL CREATION" は，（株）商船三井

抵抗が低下する傾向にある．当社と新日本製鐵（株）での発注により当社長崎造船所にて建造し，2007 年６月は，信頼性の高い超大型コンテナ船の船体構造開発にに引渡した同クラス６隻シリーズの第１番船である．本

取り組み，従来に比べ２割程度強度を高めた降伏応力

船の概略配置を図２に，主要目を表１に示す．本船は船247 kgf/mm 級鋼板（47 キロハイテン）を世界に先駆主殿にとって最大船型のコンテナ船であり，就航後はけて開発，実船適用した．
また，規格開発において，（財）アジア／欧州航路に投入される予定となっている．

日本海事協会も参画した．本稿では，適用船の概要，

TEU：Twenty feet Equivalent Unit，20 feet コンテナ換算個数10010 000

縦強度部材の板厚（mm）

コンテナ積載個数（TEU）

12 000

8 000
6 000
4 000
2 00001985

90807060504030201001990

19952000200520100

図１4 000

6 000

コンテナ船の大型化と縦強度部材の厚手化＊1＊4＊2＊5

長崎造船所造船設計部船殻設計課 工博
長崎造船所造船設計部船殻設計課主席＊3
長崎造船所造船設計部計画課

2 000

コンテナ積載個数（TEU）

建 造 年

長崎造船所立神工作部工事計画グループ
技術本部長崎研究所強度研究室主席 工博

8 000

10 000三菱重工技報 VOL.44 NO.3 : 2007

29L.W.L.

A.P.

主要目
8 110

コンテナ数（TEU）（m） 45.6

主 機 関

MITSUBISHI-SULZER
11RT- flex 96 C

載貨重量 （ t ） 90 678

最大出力

62 920 kW×102 rpm

総トン数

航海速力

船

幅

満載喫水 （m） 14.5
86 692

概略配置図

（kt）

25.25

降伏応力（kgf/mm2 ）表１（m） 約 316

長CLF.P.

図２

全L.W.L.

L.W.L.

約 2 割の高強度化達成

47403632

随所に最新技術を採用している．その概要は次のとお

1980

1990

2006

（年）

りである．
11RT-ﬂex96C を採用している．電子制御の採用に

40 キロハイテン

36 キロハイテン

32 キロ
ハイテン

本船は，本稿の主題である 47 キロハイテンを含め，（1） 主 機 に 最 新 型 電 子 制 御 方 式 の 三 菱 ス ル ザ ー

47 キロハイテン

図３

一般商船の船体に使用される高張力鋼板の最高強度の推移

より回転数に応じた最適な燃料噴射制御を実現しており，NOx（窒素酸化物）や PM（ばいじん）の排りで，これまでのコンテナ船には，40 kgf/mm2 級の出抑制に高い効果を得ている．

鋼板が標準的に用いられているが，47 キロハイテン（2）推進性能については，同クラスコンテナ船では最の開発により，およそ２割の大幅強度向上が実現した．

小の 11 気筒低燃費主機を採用しながらも，高度な鋼材の開発にあたっては，高強度化と，3．2 〜 3．3船型開発技術により運航速力 25.25 kt を達成してい節にて述べる脆性き裂伝播停止特性を両立させ，さらる．に造船用鋼板としての高い溶接性を確保するため，加（3）積載性は，比較的幅広な船型の採用および 47 キロハイテンの採用による，軽量化 / 低重心化により，熱・圧延・冷却条件のち密な制御による金属組織の細粒化により対処している（図４）．

実入りコンテナ数の増加およびバラスト水搭載量の低減を図り，採算性・運航利便性を向上している．
（4）全ての燃料・油タンクに二重船殻（ダブルハル）配置を採用し，海洋汚染防止に配慮した構造としている．
（5）全てのホールドに危険物の積載が可能であり，特に No.１〜７ホールドは燃料を搭載した自動車も積載可能である．

（ a）従来鋼

図４（b）47 キロハイテン

ミクロ組織（光学顕微鏡組織）の比較

以上のとおり，本船は 47 キロハイテンを初めとした種々の最新技術の投入により，環境負荷の低減と安3．2全性の向上を高い次元で実現した，最新鋭コンテナ船

コンテナ船は図５に示すとおり，コンテナを搭載するための大きな開口が船体の上甲板に設けられておである．

3．降伏強度 47 kgf/mm2 級鋼板の適用と安全性の向上
3．1

構 造 設 計材 料 特 性

船体構造用鋼板の高強度化の歴史は図３に示すとおり，船体全体を曲げようとする荷重（縦曲げ）を受け止める構造部材が少ない．よって，必然的に船体上部の負担が大きく，一般的に 65 mm 程度の厚い板が従来より用いられている．さらに，船体の大型化による縦曲げの増加が重畳するため，図１に示したとおり一三菱重工技報 VOL.44 NO.3 : 200730
縦曲げ作用応力大による，脆性き裂の伝播停止試験を実施した．使用した 8 000 tonf の引張り試験機と試験体を図 7 に示す．
試験体は高さが約 2.5 m，荷重ピン間距離が 7.2 m とコンテナ用大開口最大級のサイズを採用した．本大型試験では，試験体の上部に破壊の起点となる欠陥を設け，左右方向に船体の設計応力に相当する荷重を負荷し，同時に温度を図５

コンテナ船の構造上の特徴（中央横断面）下げ，欠陥に打撃荷重を与えることで，人工的に脆性き裂を発生させる．この脆性き裂を供試鋼板に伝播させ，き裂突入後の伝播・停止挙動から，鋼板の脆性き層の厚手化（80 mm 〜 100 mm）が進行することに裂停止性能を確認する．棚板型の試験結果を図８に，なるが，厚手化は鋼材の靱性低下を招き，船体構造の更に脆性き裂停止試験としては，より厳しい条件の混信頼性を損なう恐れがある．そこで，船体構造の板厚成 ESSO 型の試験結果を図９に示すが，3．2 節で述と靱性のバランスに配慮し，万一脆性き裂が発生したべた設計コンセプトを採用することで，いずれの試験場合でもこれを停止できる船体構造設計としている．

でも脆性き裂を停止できることを確認し，必要な脆性そのコンセプトは次のとおりであり，有効性確認のたき裂伝播停止特性を有することを実証した．

め，次節（3．3）で述べる大型モデル試験を実施している．
（1）47 キロハイテン採用により板厚を低減し，靱性ピン間距離：7.2 mを確保しやすくする．

幅：
2.5 m

（2）特別に靱性に配慮した鋼板を，船体構造に適切に配置する．
なお，建造時には徹底した非破壊検査により，脆性人工的に脆性き裂を発生

き裂の起点となりうる初期溶接不具合を排除している．
47 キロハイテンの適用範囲は図６に示すとおりで，

図７

大型脆性き裂伝播停止試験機と試験体最も縦曲げによる負荷の大きい船体中央部のハッチコーミングに適用している．その高強度化効果は当然ながら船体構造の重量低減にも寄与し，特に船体上部の重量低減による低重心化により，有効コンテナ積個助走板数の増加を達成している．
き裂停止

図８

大型脆性き裂伝播停止試験結果（棚板）

47 キロハイテンの適用範囲

脆性き裂

脆性き裂伝播停止特性き裂停止

3．3

万一発生した脆性き裂を停止するためには，靱性の高い鋼板が必要であるが，特に脆性き裂伝播停止

き裂停止後にガス切断

き裂停止

脆

図６

助走板性

き適用範囲

裂

試験板

試験板特性（アレスト性）に優れている必要がある．そこ
で，できるだけ実際の船体構造に近づけた大型試験体

図９

大型脆性き裂伝播停止試験結果（混成 ESSO）

三菱重工技報 VOL.44 NO.3 : 2007

4．溶

入熱量を１電極溶接法の 85 〜 90 ％まで低減させるこ

接4．1

溶接31とができる．これにより，溶接能率の向上と溶接熱影法

響部（HAZ）の靭性劣化抑制を達成した．また，溶47 キロハイテンの立向突合せ溶接には，２電極接材料は，4．2 節で述べる溶接金属強度と母材強度VEGA（Vibratory Electro-gas Arc Welding）溶接をのマッチングを適正化できる溶接ワイヤ（EG-47T）（株）採用した．２電極 VEGA 溶接は，日鐵溶接工業を開発，実船に適用している．

），新日本製鐵（株）と当社で（現日鐵住金溶接工業（株）

4．2

溶接部特性共同で開発した溶接技術であり，図 10 に示すように，極厚高強度鋼板溶接継手の破壊靭性（Kc）は，溶板厚方向に溶接トーチ（電極）を２本配置し，これ接金属の強度（硬さ）と母材の強度（硬さ）のマッチを板厚方向にオシレートさせながら溶接トーチが自動ングの影響を受ける．

上昇する溶接法である．開先表面にはシールドガス供溶接継手の Fusion line に切欠きを設けた中央切給口を備えた摺動銅板を，開先裏面にはセラミック製

欠 付 広 幅 引 張 試 験（ 幅 400 mm， 機 械 切 欠 き 長 さの裏当材を配置する．本溶接法は，40 キロハイテン，240 mm， 試験温度− 20 ℃） の 結果（Kc（ − 20 ℃）

板厚 65 mm 以下の厚板溶接において十分な施工実績実験値）とその Fusion line 部シャルピー衝撃試験結を有しており，47 キロハイテンの溶接法としてもこ果から推定した− 20 ℃での Kc 値（Kc（− 20 ℃） 推れを採用した．

定値）との関係を図 12 に示す．図 12 では，供試し

２電極 VEGA 溶接は，図 11 に示すように従来のた溶接継手の溶接金属の硬さ（HV（WM））と母材の１電極溶接法に比べ約２倍の溶接速度が得られ，溶接（BM）の比（α ＝ HV（WM）/ HV（BM））でデー硬さ（HVタを分類し，α が 1.2 を越えるデータ群では実験値と推定値が一致しない（実験値が推定値よりも明らかに低い）場合があることを示した．これは，シャルピー

Oscillatory directionMolten pool

衝撃試験で表される切欠き靭性が同一であっても破壊Arc靭性が低下している可能性があり，シャルピー衝撃試2 nd electrode験のみで極厚高強度鋼板溶接継手の靭性を評価するこ

1 st electrodeとは危険であることを示している．

Shielding gas
Sliding copper
shoe

Welding
direction

極厚高強度鋼板溶接継手の品質確保のためには，前記した溶接金属と母材の強度（硬さ）のマッチングが重要であり，この破壊靭性に及ぼす強度マッチングのWeld metal

Cooling water

影響を考慮して，4．1 節で述べた 2 電極 VEGA 溶接

Backing
material

ワイヤ（EG-47T）を開発した．
1st electrode

電極 VEGA 溶接継手の２mmV- ノッチシャルピー衝

2nd electrode

図 10開発ワイヤ（EG-47T）を用いた 47 キロハイテン 2２電極 VEGA 溶接法概要図
Kc（− 20 ℃）実験値（N/mm1.5 ）7 000

溶接速度, v (mm/min)

86２電極
4１電極

26 0005 000
4 000
3 000
2 000
1 000
0040506070

板 厚, t (mm)図 11溶接速度と板厚との関係：α＜1.15：1.15≦α＜1.20：α＞1.20

1000 2 000 3 000 4 000 5 000 6 000 7 000
Kc（− 20 ℃）推定値（N/mm1.5 ）

80

図 12

溶接金属と母材の硬さのマッチングと破壊靭性値との関係

三菱重工技報 VOL.44 NO.3 : 2007
300

360

250340HA Z 最高硬さ（HV）

吸収エネルギー, vE（−20 ℃）
（J）

32200
150
100500低水素系溶接棒（4 mmφ）
入熱量 1.7 kJ/mm

320300280260
240020406080100120140

溶接ビード長さ（mm）
WeldMetalFusion
LineHAZ
1 mm

HAZ
3 mm

HAZ5 mm

図 14HAZ 最高硬さ試験結果

切欠位置

図 13性を向上した．

シャルピー衝撃試験結果（2）高強度効果による重量低減により，貨物積載量を撃試験結果の例を図 13 に示す．− 20 ℃での吸収エ増加し，推進性能・燃費向上にも寄与した．

）平均値は何れの切欠き位置
ネルギー（vE（− 20℃）

（3）以上により，お客様のニーズである，安全性向上，においても 100 J 以上であり，優れたシャルピー衝撃環境負荷低減にマッチした製品の提供を実現した．

特性をも有している．また，当該継手に対して中央切47 キロハイテンは，単なる高強度鋼板ではなく，欠付広幅引張試験を実施し，十分な破壊靭性が確保で適切な設計と組み合わせることで，軽量化と船体の信きていることを確認した．

頼性向上を同時に達成しており，この考え方は，今後

図 14 には、溶接熱影響部の低温割れ性の評価を目的として実施した，HAZ 最高硬さ試験（JISZ3101）の超大型コンテナ船を開発・建造する上で，世界的な標準となっていくと考えている．の結果を示す．47 キロハイテンの HAZ 最高硬さは，( )

溶接ビード長さ 10 mm においても，JSQS 1 による低温割れ発生防止硬さ基準（400 HV）以下であり，十分な低温割れ防止性能を有していることが判る．こ参 考 文 献（1）日本鋼船工作法精度標準 JSQS（1985）

れにより，47 キロハイテンの低温割れ性は、従来の造船用鋼板と同等以上の性能であり，現場工作における欠陥（低温割れ）発生防止に対して十分な信頼性が確保できていることを確認した．

5．まとめ

廣田一博

中川隆

橋吉美

多田益男

コンテナ船の大型化に対応した，47 キロハイテンを世界に先駆けて開発し，実船に適用した．その特徴は以下のとおりである．
（1）高強度効果による薄手化と，鋼材の高靭性化を組み合わせ，万一の脆性き裂特性を高め，船体の信頼武田信玄