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极地在国家能源开发、科学考察、全球物流运输中具有重要的战略地位。极地地区蕴藏着丰富的石油、天然气等资源，对未来世界经济的发展有不可估量的支撑作用。据美国地质勘探局公布的一份最新评估报告称，北极拥有全球13％的未探明石油储量，同时拥有全球 30％未开发的天然气储量和 9％的世界煤炭资源。与丰富的自然资源相比，更加诱人的则是 400 年来人们梦想中的“北方黄金海道”的开辟。通过北极航道，可以缩短航行距离，节省燃料，减少运费。随着全球气候变暖加剧，北极海冰快速消融，提高了北极通航和资源开发的可能性，也使得北极航道可以在十年内实现商用。若北极航道成功应用，东北亚地区与北欧之间的货物运输体系将从途径苏伊士运河的南半球网转向途径北冰洋的北极网。北极新兴矿区内产出的资源运输量也会增加。海冰消融也会带来永久冻土层的消失，而原本铺设的地上管线也就不复存在，因此可以预测北极资源的海运量将会扩大。北极除了化石燃料之外，具有高附加值的矿物资源和寒流性水产资源也非常丰富。除铁矿石、铜、镍等之外，还蕴藏着诸如金、金刚石、银、锌等高附加值矿物资源，共约合两兆美元。而格陵兰岛正是由于包括稀有金属在内，所埋藏矿物资源的种类和储量都非常丰富而闻名。另外，寒流性鱼类也在持续增加。
倘若北极航道顺利通航，其必将形成一个包括东亚、俄罗斯等在内的环北极大型经济圈。而这一切已经远远超过资源开发的意义，它无疑将带来国际政治版图的巨大变迁。对于我国而言，北极航道一旦开通，将有助于我国减少对常规航道的依赖、降低航运安全风险、减少航运成本，确保能源运输安全，具有重大的战略意义，因此北极航道的开辟及北极开发将必然成为我国新的战略发展方向。而在这长远利益的背后，极地破冰船技术的发展则是进行极地考察、极地资源开发、极地运输的核心前提。
如今极地地区作为全球地缘政治经济的热点，俨然成为国际社会的普遍共识，而以加快争夺海底资源、控制海洋空间为特征的国际海洋竞争也日趋白热化。美国、俄罗斯、澳大利亚等“环北极国家”都已制定一系列的策略以适应世界发展潮流，为争夺极地资源做准备，例如：2013 年 2 月 19 日美国发布了《北极研究计划 2013—2017》；俄罗斯于 2014 年 12 月 1 日成立北极战略司令部，以加强对北极地区的控制权。中国作为近北极国家已多次进行极地科学考察并且建立了科考站。在此基础上，当努力攻克极地破冰船核心技术，设计与建造世界一流的破冰船队。极地破冰船建造市场正成为世界造船业竞争的新“高地”。目前，不少大国正加紧进行极地海洋战略部署，竞相建造适合极地海洋冰区航行和科学考察作业的新一代超低温强力破冰船。在环北极国家中，除冰岛、丹麦以外，俄罗斯、加拿大、美国、芬兰、瑞典、挪威都拥有一支强大的破冰船队，且都在加紧扩充和发展。此外，包括科考船、油船、集装箱船、货船、渔船等在内的破冰型商船发展迅速。截至 2023 年年初，俄罗斯拥有世界最大的破冰船队和世界唯一的核动力破冰船队（图 2-2）。北欧各国在破冰船的设计、建造、试验和规范研究方面处于领先地位。一些距离极地较远的国家如韩国、澳大利亚、日本等也在积极参与极地研究，并且都拥有自己的破冰船。
图2-2 俄罗斯Arktika号核动力破冰船
2018 年以前，“雪龙”号是我国能够实现对极地地区科学考察任务的唯一艘破冰船，是于 1993 年在乌克兰破冰船基础上改进而来的（图 2-3）。但是，由于其动力系统不足，加之配套设备和其他国家破冰船相比都有一定的差距，故其破冰等级与其他国家差距较大。
图2-3 “雪龙”号破冰船和“雪龙 2”号破冰船
2018 年 9 月 10 日，我国第一艘自主建造的破冰船在上海下水，并正式命名为“雪龙 2”号（图 2-3），这标志着我国极地考察现场保障和支撑能力取得了新突破。但美中不足的是新破冰船建造所用的极地环境船舶用钢及配套材料全部采用欧洲进口产品，这些材料的研发工作是支撑我国破冰船建造的必要保障和坚实的基础，已经迫在眉睫。
破冰船对低温钢的设计、选材和建造加工等提出了更高的要求，要求钢板能够满足超低温、冰雪磨蚀、路途遥远、脆弱生态环境、低温风浪碰撞、强烈的海洋风暴及冻土碰撞、环境保护等带来的诸多挑战，并且其配套焊接材料要求具有优良的极寒低温综合性能。在极地船舶低温钢研制方面，俄罗斯、日本、美国、韩国、芬兰等国走在前列。国外船用低温钢发展可以分为三阶段：第一阶段是在 20 世纪 50—60 年代，以俄罗斯和美国的AK-25 和HY-80 为代表的调质高强钢用于极寒环境船舶制造。这一阶段主要通过低碳高强钢的合金化和调质处理，抑制钢铁材料脆性断裂，降低其韧脆转变温度：通过添加Ca、稀土硫化物等，与杂质反应生成稳定析出物，抑制沿晶断裂；通过添加Ni，细化晶粒并改变非金属夹杂物形态，抑制低温钢中穿晶断裂的发生，可显著降低韧脆转变温度，使调质处理后的马氏体组织获得优异的强度和韧性。但由于C含量和合金元素含量较高，可焊性较差，为避免氢致开裂，焊接前需预热，焊道之间要保持一定温度，还要采用低氢焊条，故船舶装配成本很高。因此，研究者将重点工作转向降低C含量和合金元素含量，也就是C当量控制方面。第二阶段是 20 世纪 70—80 年代，随着超低碳、超纯净钢冶炼、微合金化及控轧控冷等冶金技术的发展，俄罗斯、美国和日本等国开发了以AB7A、HSLA-80、HSLA-100、NS80、NS90 及NS110 钢为代表的高强钢。HSLA钢与HY系列钢的综合机械性能相当，焊接性能更优良，焊接前无须预热或仅需低温预热，成本更低。通过降低C含量，加入强化元素Cu，以及添加Ti、Nb和V等合金元素使HSLA钢具有优良的机械性能和焊接性能。HSLA钢的C含量少于 0.15％，Mn含量约为 1％，Si含量约为 0.5％，微合金化元素约为 0.1％，在保证塑性和韧性的前提下，大幅提高了材料的强度和可焊性。第三阶段是 20 世纪 90 年代以后，国外先进钢铁生产企业在钢铁材料结构复合化、控轧控冷工艺升级和合金化设计方面持续加大投入。美国相继开发了HSLA-65 和HSLA-115 及 10Ni钢；俄罗斯开发了具备优异耐腐蚀性和低温性能的复合钢，该钢种外层为不锈钢，内层为低温钢，外层起到防腐蚀作用，内层防止低温下脆性断裂；日本JFE、新日铁开发研制出的大厚度、满足－80℃极寒低温环境使用的优良超低温韧性钢，用于建造冰海区域运行的极地船舶及海洋工程设施。韩国在商业极地破冰运输船建造方面也拥有良好的技术基础。2011 年，韩国现代重工宣布建成世界最大的商用破冰运输船，该船建造所需低温钢材料由韩国POSCO提供。此外，韩国企业还在芬兰参股了多家破冰船设计及建造企业，积极介入冰区海域破冰船的建造。
随着极地船舶的大型化发展趋势，船体减重的需求越发迫切，采用的钢级强度也越来越高，如芬兰Arctech公司建造的多功能破冰船使用了 1 070 t EH500 钢板代替EH36 级钢，达到了目前民用船舶用钢应用的最高级别，其船体减重可达 30％左右，而若采用 690 MPa级则更可进一步减重约 50％。随着北极资源开发的竞争日趋激烈，发达国家纷纷加大了极地船舶用钢的研发力度，目的是为资源开发和运输提供更安全且低成本的极地低温材料。芬兰与俄罗斯合作开展北极材料技术开发项目获得了欧盟资助，由芬兰的Lappeenaranta工业大学与俄罗斯的Prometey研究院共同承担。挪威的北极材料项目则是一个包括日本的新日铁、JFE和DNV船级社等多家企业和海事组织参与的国际研究项目，正致力于开发新一代更高强度级别极地船舶用钢。
我国在破冰船的设计和建造方面与国外先进水平有一定差距。我国的“雪龙”号破冰船，由乌克兰赫尔松船厂于 1993 年 3 月 25 日建造完工，先后经过三次改装、维修，所用材料均为宝山钢铁股份有限公司的F级钢板。目前，国内仅极少部分钢厂具备生产F级船板能力，其中宝山钢铁股份有限公司、鞍钢集团有限公司有F级别船板的批量供货业绩。但要满足耐低温、耐磨蚀性能及－80℃冲击韧性的破冰船建造，国内尚有一定差距，需要加大力量进行开发。
破冰船的船头一般是用厚约 5 厘米的钢板焊接而成，并用钢构件牢固地支撑起来。船体沿吃水线还用厚钢板予以加强，因为这个区域经常与冰接触或是与船头压碎的浮冰相撞，很多破冰船都存在着钢板间的焊缝容易被腐蚀并断裂的弱点。极地破冰船建造所采用的最高钢级多为FH36 或FH40（艏部分）、最大厚度不超过 60 mm，大部分结构采用的最高钢级为EH36、厚度不超过 40 mm。在艏、艉和水线附近进行额外加厚，即使在零下的严寒气候条件下，也不会变形。根据船东对破冰船的服役改装修补情况反馈，对于极寒环境下破冰船使用的低温韧性船板，除了满足船级社规范要求，还应重点对钢板在特殊环境下的耐腐蚀性、耐磨蚀性能、止裂性能、疲劳性能、可焊补性能、涂装性能等进行研究，并为用户提供相应的可靠数据支持。
极地船舶长期面临超低温的恶劣服役环境，加上极地生态环境脆弱，因此其结构安全性能要求非常严格，船舶设计、材料、建造和配套技术都有特殊的要求。国际海事组织（IMO）规则和国际船级社协会（IACS）指南构成了极地船舶设计、建造及航行作业的主要国际性公约，其中IMO规则明确提出了极地船舶必须采用适应极地环境的结构材料及建造工艺，以防止发生因脆性断裂而导致的船体结构失效事故，而《极地船级统一要求》（IACS UR）将极地船舶分为PC1～PC7 七级，对应船舶在极地适航区的不同冰况要求，其中PC1 船级为最严重冰况航行，适合全年在北极所有海域航行，另外还规定了各级极地船舶结构用钢分为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三类（表 2-1）。
表2-1 极地船舶水面之上结构用钢级别要求
续表
目前极地船舶规范以船级社规范钢级要求为依据进行选材，尚无专门的极地船舶材料规范。现有船级社规范钢级以冲击试验温度进行定义，最高级别为－60℃的F级，这能否用于评价极地船舶所承受冰层的动态，以及用于连续冲击载荷及温差变化大的苛刻条件尚未可知。
极地船舶对钢板的低温韧性要求非常高，进而要求采用的埋弧焊丝和焊剂匹配焊接的焊缝也要求具有高强、高韧的特性。低温钢用焊接材料在国内的应用也越来越广泛，焊接材料的用量与日俱增。目前在重要的高技术船舶及海工装备制造中所使用的焊丝基本上都是国外知名品牌，国产焊丝因低温韧性尤其是断裂韧性值不稳定而被拒之门外。以往对适用于管线钢、建筑用钢、桥梁用钢和压力容器用钢的埋弧焊丝研究较多，它们的合金系基本上属于Si-Mn-Mo-Ti-B系和Si-Mn-Ni-Mo系，由于焊丝中Ni含量较低，一般小于 1.5％，虽然通过Ti-B微合金化，可通过细化晶粒在一定程度上改善韧性，但焊缝金属低温冲击韧性大多只能满足－40℃的要求，对于海工装备焊接所需要的断裂韧性及耐磨蚀要求指标，都没有确切的数据，难以适应极地冰海环境超低温领域的应用。目前国内外可提供焊料的主要企业见表 2-2。
表2-2 可提供低温钢配套焊料的主要企业
续表
无论是船舶还是海工装备，焊接结构普遍应用于钢材的连接，通常由焊缝区、熔合区、热影响区及其邻近的母材组成。低温钢焊接时，因为本身的低含碳量和严格控制的其他元素含量，使母材低温钢不易产生裂纹，但正是如此，焊接焊料的选择就尤为重要。不同的焊料在与低温钢材焊接的过程中，焊接接头的金相组织、化学成分和受力情况均会发生很大的变化，最终导致了该部位结构特殊、成分复杂，在使用过程中成为整体的薄弱环节，易造成严重的破坏。合金元素是影响焊缝组织和性能的重要因素。随着合金成分和含量的变化，焊缝的组织和性能将发生相应改变，尤其是合金元素对耐腐蚀性有显著影响。目前，国内企业大多只能生产E级别钢材的配套焊接材料，且焊接材料种类不全，焊接材料的研发明显滞后于钢材，尤其是对于焊接材料合金成分的调控之于焊接材料性能的影响缺乏深入和全面的研究，焊接材料选择片面追求高级别，对于焊接材料的耐磨、耐腐蚀性缺乏检查标准和规范。
另外，极地海洋环境是一种复杂的腐蚀环境，在这个环境中，船舶材料在航行过程中面临的首要问题就是海水腐蚀，即使有船舶涂料的防护，但依然无法避免严重的腐蚀情况发生。海水是一种天然的强电解质，具有导电的特性，溶解有多种无机盐类，平均盐度约 35‰，高含盐量直接影响着海水的电导率，进而影响着金属材料在海水中的腐蚀速率。海水中大量的Cl － 能够破坏大多数的金属及表面的氧化膜，使之在海水中无法发生钝化现象，从而不能有效地保护材料，最终加速海洋船舶材料的腐蚀。相对于普通海域，当船舶在极地海域航行时，不仅会受到波涛、浪潮的冲刷，同时还会与冰层发生摩擦碰撞，破坏漆面的完整、使船体产生划痕等，这些受损的地方更容易受到海水的腐蚀作用，最终加速船体整体的腐蚀破坏。传统观点认为，由于极地环境下温度较低，无论是海水腐蚀还是微生物腐蚀的程度与其他海域相比都较轻。但实际上，这种观点忽略了几个重要的变量：（1）从腐蚀动力学来看，温度降低确实会使得腐蚀速率下降，但也会带来机械性能的下降，尤其是当考虑到海冰的撞击和磨损因素时，这种耦合机制会导致更为严重的材料失效；（2）极地环境中常温细菌的数量下降，但低温细菌的种类和数量增多，一旦船舶或海工设施的涂层破损，基体金属裸露在海水环境中，海洋微生物腐蚀就成为腐蚀损失的一种主要形式。
未来极地海洋装备结构材料选取可能的方向包括：高强度耐低温钢、不锈钢复合板等。
高强度耐低温钢：工程应用较为成熟，但钢材使用温度的降低及板材厚度的增加对工程上焊接质量的保证提出了挑战。焊接过程中的变形、质量控制、焊接内应力消除等问题会随着板厚的增加而成倍增加，同时其施工难度的增加同样对焊接材料工艺性能提出了更高的要求。长时间的连续高温焊接工作对焊接设备的性能稳定性同样带来挑战。因此要保证大厚度、高强度、耐低温的钢板焊接可靠性，依赖于材料、工法等方面的创新。
不锈钢复合板：在国际上采用不锈钢复合板建造破冰船等极地海洋装备已有先例，但国内主要的船舶及海工装备建造方面相关经验仍然不足。以LNG、LPG船为例，其主要的液货装载设备依然采用高镍钢或不锈钢进行建造。如何在国内产业工人水平有限的情况下，保证复合材料大规模使用的建造质量，成为攻克不锈钢复合材料的焊接技术时面临的难题。
随着中国极地事业的发展和国际环境的变化，江南造船（集团）有限责任公司、宝山钢铁股份有限公司、中国船舶集团有限公司第七二五研究所、上海海事大学、哈尔滨工程大学等单位都已经开始研发专门针对破冰船低温钢的配套焊接材料，其中上海海事大学研发的一种极地冰海环境船舶钢用高强高韧埋弧焊丝，该焊丝与碱性焊剂匹配时能够获得适应极地船舶极寒低温钢焊接接头要求的焊缝，其抗拉强度大于 510 MPa，焊缝金属－60℃冲击功大于 100 J，－20℃的NaCl溶液下 30 min的磨蚀量≤12 μm，目前已经完成船级社认证，下一步将进行中试生产与实船检验。
但总体来说，我国对于焊接材料研发的投入还远远不够，尤其缺乏深入的机理研究、焊接工艺和综合评价方法的研究。许多企业对焊接材料的选择都缺乏足够的重视，片面追求力学性能的高标准，而忽略了焊接材料与钢材的匹配性和适用性。过分依赖外国品牌，缺乏高端焊接材料的自主知识产权。
针对以上挑战，未来国内破冰船用焊接材料的研发应当从以下几个方面加大研发力度：（1）加大F级钢的配套焊接材料的研发力度，深入研究合金调控和轧制工艺对低温钢焊接材料的影响机制；（2）健全低温钢焊接材料的检测方法和评价标准，除了已有的力学性能检测外，增加腐蚀、磨蚀等项目的检测；（3）加强焊接工艺的系统研究，研究不同焊接工艺和方法对于焊缝结构安全服役性能的影响；（4）充分重视海水腐蚀（包括微生物腐蚀）和海冰磨蚀对于焊缝结构服役安全性能的重要影响，提高低温钢焊接材料的耐磨、耐腐蚀性；（5）优化焊接材料设计理念，积极开发高适应性焊接材料，提高焊接材料兼容度、改善焊接材料工艺性。高强韧、超低氢仍是极地海洋工程装备用焊接材料的发展方向；（6）重视焊接材料自动化、数字化焊接的适应性，通过自动化、半自动化、机器人焊接等手段保证焊接质量稳定性。