我國海洋工程用鋼鐵材料研發現狀

    海洋工程用鋼主要種類可分為：海洋油氣開發裝備、艦船用鋼、橋梁基礎設施用鋼、海洋特殊裝備（包括深潛器、海水淡化、深海資源勘探）用鋼等。

    1、海洋平臺用鋼

    海洋油氣開發主要裝備是海洋平臺，海洋平臺服役期一般為20-40年，比普通船舶高約50%，由于海洋平臺處于深水、浪涌、低溫等多重復雜而苛刻的服役環境，平臺建造所采用的鋼板需要具有高強度 、高韌性、抗疲勞、抗層狀撕裂、良好可焊性和可加工性等綜合性能。海洋平臺按作業方式可分為鉆井平臺和生產平臺兩大類。材料級別從355-690MPa，最大厚度可達259mm。EH36及以下級別平臺用鋼基本實現國產化，占平臺用鋼量的90%，但關鍵部位所用超高強度（600MPa以上）、大厚度（100mm以上）、高韌性（－40℃以下）、適應50kJ/cm以上大焊接熱量輸入的鋼材還需進口。平臺主要遵循的通用標準包括BS/EN系列歐標、美標API、北海NOSOK及國際船級社規范等。我國的海洋平臺用鋼標準體系還需要進一步完善。隨著我國海洋開發的不斷發展，對海洋平臺用鋼的需求量不斷擴大，預計年用鋼需求量在300萬噸以上。

    2、海底油氣管線用鋼

    隨著陸地及近海油氣資源的日漸枯竭，深海和超深海的油氣資源的勘探開發已經成為世界油氣開采的重點領域。隨著海上油氣田、極地油氣田、深水氣田的開發，面對惡劣的海洋服役環境，對海底管線提出了比陸地管線更高的質量要求，如鋼管高鋼級、大厚度、各向同性、低屈強比、低溫下的高韌性、高止裂性、良好焊接性、抗大應變性能及抗酸性介質腐蝕等性能。在目前國際上普遍執行的美國協會API標準中，管線用鋼級別涵蓋了X42-X80的焊接高強度鋼。國內每年需建設原油管線6000km，至少需要17萬噸的海底管線鋼。如果國內南海油氣資源大規模開發，則需要的管線鋼數量將大幅度上升。

    3、船舶用鋼

    我國作為世界造船大國，正向著輕量化、大型化、安全化、長壽化的趨勢發展，在高技術船舶方面的設計建造及材料應用已躋身世界先進行列，船體結構用鋼的強度級別從235MPa-1000MPa，年需求量達到1200萬噸以上。具有高強度、高韌性、易焊接、高止裂性、耐低溫、耐腐蝕及大厚度、寬規格等關鍵特性的鋼板成為船用鋼的發展方向。除冰級船舶、化學品船、LNG船、大型郵輪等船舶所需特種鋼材正處于研發階段以外，我國已經實現絕大部分船型所需材料的國產化。

    隨著我國海洋戰略的實施，以及人類開發利用深海時代的到來，對高性能海洋平臺用鋼的需求量將不斷增加，海洋平臺用鋼也將成為未來幾年國內鋼鐵企業重點研發和生產的產品。綜合分析我國海洋工業的市場需求及現有海洋平臺用鋼與國外產品的差距，可以看到，目前海洋平臺用樁腿、懸臂梁及半圓板等結構件急需升級換代，特厚規格齒條用鋼、極地低溫用鋼、高耐蝕性特種鋼等均需開展細致的研究工作，同時應與設計單位和下游用戶密切合作，積極推進高端裝備材料的工程化應用，盡快健全材料體系，建立完備的國際認可的標準規范和材料應用評價準則。

    海洋裝備用鋼未來具體發展趨勢體現在以下幾方面：

    1、實現高性能海洋平臺用鋼的國產化

    海洋平臺用鋼的高性能包括高強度、高韌性、耐腐蝕等特點，從海洋平臺結構設計角度出發，采用高強度和超高強度鋼可以有效減輕平臺結構自重，增加平臺可變載荷和自持能力，提高總排水量與平臺鋼結構自重比。而隨著深海及極地海洋平臺建設的快速發展，海洋工程用鋼的低溫韌性更顯重要，因此，690MPa以上級別的超高強度、耐-60℃及以下低溫的高韌性、大厚度海洋平臺用鋼將是今后研發的重點。

    全面提升材料的綜合性能，如良好的力學性能，滿足鋼結構的強度、韌性、耐疲勞性、耐海水腐蝕等設計要求；良好的加工工藝性，如冷熱加工工藝性、可焊性等，以保證設計目標的實現。

    2、開發海洋工程用鋼生產新工藝

    為實現海洋平臺用高強度特厚規格鋼板的國產化應用，開展鋼板冶金質量、組織性能穩定化控制等關鍵生產工藝技術研究，包括大斷面鑄坯（錠）凝固與冶金質量控制、基于大厚度鋼板組織性能均勻化的控制軋制及熱處理技術，系統掌握大厚度鋼板的強韌性變化機制、微觀組織與力學性能控制的冶金學規律與控制技術。

    3、系統化的海洋工程用鋼應用技術研究

    可焊性、抗疲勞和耐腐蝕是實現海洋平臺工程化應用的關鍵應用特性。以導管架平臺為例，所采用的易焊接高強鋼要求實現“焊前不預熱，焊接高輸入、焊后免熱處理”。我國急需在大線能量焊接的基礎原理及關鍵技術上實現突破，以滿足海洋裝備領域的高效化生產需求，推進高端裝備材料的升級換代。面對復雜的海洋腐蝕環境，開展系統的腐蝕實驗及研究，開發具有高強、高韌、耐浪涌、耐海洋環境腐蝕和長壽命用高性能低合金耐蝕鋼、不銹鋼等高性能特殊鋼，形成系列化，滿足海洋環境對鋼材的耐腐蝕、長壽命要求。

    4、研發低成本高附加值產品

    產品海洋平臺是由鋼結構焊接而成，其中高強鋼所占比例高達 60%～90%，如果在高強鋼合金設計上實現減量化，將會大大降低海洋平臺的建設成本。 國內現有的 690 級高強鋼均采用添加大量的Ni、Mo 等貴重合金元素，如能通過合金設計，實現“以 Mn/C 代 Ni”的成分設計思路，可以大幅度降低成本。首先，Mn 是一種強奧氏體穩定元素，其價格只是Ni的 1/5-1/20，其次，高 Mn 鋼具有優異的強度和塑性的綜合性能以及優異的低溫韌性。 高Mn 鋼本身的優異綜合性能可以解決目前海洋平臺用 690 MPa 級超高強鋼的低溫韌性差、屈強比高等問題， 能夠滿足未來深海和極地海洋平臺對超高強鋼安全性能和建造成本需求， 這也是今后高強、高韌海洋平臺用鋼的重要發展方向。

    5、良好成形性能的低屈強比

    海洋平臺用鋼開發從海洋平臺底部結構設計出發， 如果采用先進的樁腿（包括樁靴）結構和升降機構，將會增加平臺的承重能力、抗沖擊能力及耐久性。目前，升降齒條用鋼采用了 690 MPa 級超高強鋼，但其他樁腿結構用鋼一般僅為 550 MPa 級別高強鋼。 主要原因在于， 其他結構用鋼不僅要求具有較高的強度，同時需要良好的成形性能，因而對屈強比進行了嚴格限制， 海洋平臺安全設計中結構件用鋼的屈強比不允許超過 0.85， 以確保塑性失效前有足夠的延展性來防止發生災難性的脆性斷裂。

    6、止裂性能高強鋼開發

    針對船舶、建筑、儲油罐、海洋結構、管線等結構設施所發生的一系列的結構件斷裂災難事故，國際工程領域提出了生產和應用止裂性性能鋼板的要求，且正在形成并推廣相關的國際標準。 鋼中存在一定量的殘余奧氏體時， 在裂紋擴展時可以使其沿殘余奧氏體發生偏轉， 或者因裂紋尖端的應力集中引發 “殘余奧氏體→馬氏體” 相變的TRIP 效應而產生相變韌化，從而提高鋼材的止裂性能。由于“Mn/C”合金化可以有效調控鋼中殘余奧氏體含量， 因此通過合理的成分設計以及組織性能控制，實現鋼中殘余奧氏體含量、大小、分布的精確控制，從而有效提高鋼材的止裂性能，這是高強韌海洋平臺用鋼的又一重要發展趨勢。

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責任編輯：殷鵬飛

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