Utilization of high-strength fossil-free steels in ship hull structures

Abstract

In this research the use of fossil-free high strength steels in ship hull structures is studied. Increasing demands in cargo and passenger capacity of modern ships leads to an increase in material thicknesses, which cause an increase in ship weight, indirectly increasing CO2 emissions and freight costs. Simultaneously, the efficiency, speed and fuel consumption of the vessels need to be improved.

By using higher strength steels, the thickness of the material could be reduced, thus resulting in lighter vessels with the same capacity, but lower fuel consumption and CO2 emissions. In addition, fossil-free technology in steel production can drastically lower the harm produced to the environment during the shipbuilding process.

Higher strength steels could be utilized as a part of the ship hull structure, but the classification society rules and regulations require a special application for every vessel with these steels. This will need to change, as the use of high-strength steels is becoming more and more common as weight-critical vessels are gaining popularity.

It was found that high-strength fossil-free steel can be welded with traditional shipbuilding steels with acceptable testing results following similar welding parameters and a common welding additive as in conventional production. Including these steels into current production at shipyards will not result in additional labor.

However, future studies are required to ensure the classification society. For example, the need for post weld treatment, possible reduction in fatigue strength and effects of corrosion will have to be taken into consideration as ships experience cyclical loading in corrosive environments all their lifetime.

Tässä diplomityössä tutkitaan fossiilivapaiden lujien terästen käyttöä laivan runkorakenteissa. Nykyaikaisten alusten lasti- ja matkustajakapasiteetin kasvavat vaatimukset johtavat materiaalin paksuuden kasvattamiseen, mikä lisää aluksen painoa ja epäsuorasti hiilidioksidipäästöjä ja rahtikustannuksia. Samalla on parannettava alusten tehokkuutta, nopeutta ja polttoaineen kulutusta.

Käyttämällä lujempia teräksiä materiaalin paksuutta voitaisiin pienentää, mikä mahdollistaisi kevyemmät alukset, joiden kapasiteetti olisi sama mutta polttoaineen kulutus ja hiilidioksidipäästöt pienemmät. Lisäksi fossiilivapaa teknologia teräksen tuotannossa voi vähentää huomattavasti laivanrakennusprosessin aikana ympäristölle aiheutuvia haittoja.

Lujempia teräksiä voitaisiin käyttää osana laivan runkorakennetta, mutta luokituslaitoksen säännöt ja määräykset edellyttävät, että lupaa näiden teräksien käyttöön haetaan jokaisessa aluksessa erikseen. Tähän on tultava muutos, sillä korkealujuusterästen käyttö tulee yleistymään painokriittisten alusten noustessa uudeksi normaaliksi.

Tutkimuksessa havaittiin, että fossiilivapaita lujuusteräksiä voidaan hitsata perinteisten laivanrakennusterästen kanssa hyväksyttävin testituloksin, käyttäen samoja hitsausparametreja ja yleistä hitsauslisäainetta kuin tavanomaisessa tuotannossa. Näiden terästen sisällyttäminen telakoiden nykyiseen tuotantoon ei aiheuta suuria lisätöitä.

Luokituslaitoksen vakuuttaminen edellyttää kuitenkin tulevia tutkimuksia. Esimerkiksi hitsauksen jälkikäsittelyn tarve ja mahdollinen väsymislujuuden heikkeneminen sekä korroosion vaikutukset on otettava huomioon, koska alukset joutuvat koko käyttöikänsä ajan alttiiksi sykliselle kuormitukselle korroosiota aiheuttavissa ympäristöissä.