01 海洋耐蝕鋼的國內外進展

 

    1 前言

 

    2013年，中國國家海洋局發布了《國家海洋事業發展“十二五”規劃》。在規劃中明確提出：作為發展中的海洋大國，我國在海洋有著廣泛的戰略利益。隨著經濟全球化的發展和開放型經濟的形成與深化，海洋作為國際貿易與合作交流的紐帶作用日益顯現，在提供資源保障和拓展發展空間方面的戰略地位更為突出。“十二五”期間是我國海洋事業發展的關鍵時期，未來將向深海和遠海發展。著力提升海洋開發、控制和綜合管理能力，統籌海洋事業全面發展，是保障國家“走出去”戰略實施的重大舉措，對于促進沿海地區經濟社會發展、國民經濟發展方式轉變，具有重大的戰略意義。以國際海事組織制定的性能標準為主導，世界各國圍繞海洋耐蝕鋼開展了腐蝕機理、腐蝕過程的研究，其中油船貨油艙用耐蝕鋼是近 10 年來國際上研究和開發的重要鋼鐵新品種。在該領域，日本走在世界前列，烏克蘭與俄羅斯有其技術特色海洋，中國對海洋耐蝕鋼的研究應用相對滯后。隨著海洋耐腐蝕鋼替代標準不斷得到認可，將逐漸取代涂層鋼成為海洋腐蝕保護方式的主流。本文重點分析了油船貨油艙用耐蝕鋼和耐海水腐蝕鋼這 2 大類低合金高強度鋼的發展現狀及需求，不涉及不銹鋼、特種合金等鋼鐵材料。

    2 油船貨油艙用耐蝕鋼

 

    2.1 重大需求分析

 

    進入 21 世紀，中國船舶及海洋石油工業迎來了高速增長期，成為中國國民經濟發展的重要支柱。據英國克拉克松研究數據表明，中國已成為世界造船中心。2013 年，中國造船 3 大指標市場份額繼續保持世界領先，其中造船完工量、新接訂單量、手持訂單量分別占世界總量的 40.3%、47.6% 和 45.8%，如表 1 所示。

    “十一五”期間，在海洋石油工業領域，中國海上油氣開發投入 1200 億元人民幣，建設了 15 個海洋油氣田、76 座鉆井平臺、6 座浮式生產儲油船，鋪設了 1400km 海底管線，2010 年海洋油氣產量實現了 5000 萬 t 油當量。根據中海油規劃，“十二五”期間將新建5000 萬 t 油當量產能。預計“十二五”、“十三五”期間海洋石油工業投入將分別達到 6700 億元和 9500 億元人民幣，其中海洋工程裝備市場投資將達到 2500億～ 3000 億元人民幣。

 

    根據我國《鋼鐵工業“十二五”發展規劃》對 2015 年關鍵鋼材品種消費預測，未來 5 年，僅船板用鋼消費量將從 2010 年的 1300 萬 t 提高到 2015 年的1600 萬 t，其中油船貨油艙用鋼量占油船用鋼總量的 30% ～ 45%。以建造一艘30萬t級的超大型油輪（VLCC） 為例，船體結構總用鋼量近 4 萬 t，其中油船貨油艙部分用鋼約 1.7 萬 t。據中國船舶工業行業協會對我國目前手持油船訂單統計，油船貨油艙用鋼量每年達 200萬 t 左右。如果能推廣使用到海洋工程領域，其市場需求將更大。

    2.2 油船貨油艙用耐蝕鋼概況

 

    油船是原油海洋運輸的主要工具之一。近年來因貨油艙腐蝕造成油船失效事故時有發生，不僅造成巨大的經濟損失和安全事故，而且對海洋環境造成嚴重危害。因此油船貨油艙的防腐問題越來越受關注。2006 年以前油船都是單甲板、單底結構，因為貨油艙內破損后，油浮在水面上，艙內不至于大量進水，故油船除了在機艙區域內設置雙層底以外，貨油艙區域一般不設置雙層底。

    2006 年以后，為了提高海運安全性，防止和減少油輪發生海損事故造成的污染，國際海事組織（IMO）要求大型油輪必須設置雙層底或雙層船殼。內層為貨油艙，用來承載原油。原油尤其是高硫高酸原油對于鋼結構貨油艙腐蝕影響嚴重，威脅著油船運營安全。

    目前針對油船貨油艙腐蝕所采取的防護措施主要有：加注緩蝕劑、采用防腐涂層和耐蝕鋼板。其中，加注緩蝕劑過程復雜，長期投資高；防腐涂層使用過程中存在嚴重的局部腐蝕隱患，每2.5a 就須對油船進行涂層維護和重新涂布，需要耗費高額成本，延長工期，并且貨油艙空間封閉，施工環境惡劣，也會一定程度上影響施工質量。表 2 比較了使用涂層和耐蝕鋼造船的成本，安全且低成本的防護措施是使用耐蝕鋼。

    1995 年，國際海事組織對油船貨油艙用耐蝕鋼提出推薦性要求，并推薦各國進行研究。2010 年 5 月 14 日，國際海事組織海上安全委員會（MSC）第 87 次會議正式通過了《原油油船貨油艙防腐保護替代方法性能標準》，并于 2012 年 1 月 1 日生效。2013 年 1 月1 日及以后簽訂建造合同或 2016 年 1 月1 日及以后交付的所 427 中國材料進展第 33 卷有 5000t 級以上油船必須從貨油艙保護涂層和耐蝕鋼方案中選擇采用一種。該性能標準附件中對耐蝕鋼的適用范圍、目標壽命、試驗程序及性能標準做了規范和要求。標準規定耐蝕鋼的目標使用壽命是 25a, 對耐蝕鋼的要求是在貨油艙頂腐蝕環境中 , 鋼材 25a 后估計腐蝕損耗值（ECL）不超過 2mm; 在艙底腐蝕環境中，年均腐蝕速率（C.Ｒ ave）不超過 1.0mm/a。兩種環境均要求焊縫處放大 1000 倍后，母材和焊縫金屬之間不出現階梯狀不連貫表面。

 

    2.3 國內外研究開發現狀

 

    2.3.1 日本和韓國

 

    目前走在前列、技術較成熟的國家是日本。早在 1999 年，日本造船協會的 SR242 項目組利用實船測試、實驗室模擬等手段對超大型油船（VLCC）進行了為期 3a 的研究，成功揭示了貨油艙內的腐蝕狀況、腐蝕機理及過程。他們通過實驗獲得了貨油艙內部的腐蝕環境，如圖 1 所示。在貨油艙頂部，由于原油中的揮發成分、混入的海水、油田鹽水的鹽分、為防止爆炸而輸入的惰性氣體（5% O 2 ，13% CO 2 ，0.01% SO 2 ，余量為 N 2 ，體積分數）以及從原油中揮發的 H 2 S 等腐蝕性氣體會在油輪貨油艙的頂部內表面富集。同時，由于甲板溫度在白天和夜晚的交替變化，上甲板內表面濕度大小會發生周期性變化。濕的H 2 S 和 O 2 以及 SO 2 等發生反應，會在上甲板內表面析出單質 S:

    4H 2 S+SO 2 +O 2 = 4H 2 O+5S（1）

 

 

    腐蝕了的鋼板表面的鐵銹也是催化劑，能加速 SO 2 和 H 2 S 向單質 S 的反應。鋼板腐蝕導致新鐵銹的生成以及固體 S的析出交替發生，由于固體單質 S 層較脆，容易產生剝離、脫落，如圖 1b 所示。貨油艙內底板有一層油膜，通過分析發現油膜由原油和混合沉淀物組成，同時包含大量的H 2 S和氯離子（ 酸性介質），具有很強的阻抗作用，比焦油環氧樹脂涂層的阻抗作用要顯著。因此，油膜的存在可以顯著增強油船貨油艙下底板的耐腐蝕性。但洗艙會造成油膜破損，成為點蝕起源。在破損處會發生化學反應：

    陽極（孔內）：Fe → Fe 2+ +2e; （2）陰極（孔外）：O 2 +2H 2 O+4e → 4OH － （3）隨后亞鐵離子發生水解，使得孔內的 pH 值大大降低，促進了陽極的進一步溶解。

    Fe 2+ +2H 2 O→Fe（OH） 2  +2H + （4）

 

    此外，從上甲板脫落的腐蝕產物S，對底板的點蝕同樣有加速作用，如方程式（5）。圖 1c 為觀察到的貨油艙下底板典型局部點蝕照片。

    S+2H 2 O→H 2 S+2OH － （5）

 

    通過研究發現，油船貨油艙上甲板的腐蝕具有如下特征：① 通過檢測分析 4 艘真實油船貨油艙頂部空間氣體的化學組成發現，在上甲板和原油之間的空間中含有高濃度的 H 2 S，如表 3 所示。②上甲板腐蝕層主要由鐵銹和單質 S 組成，其中 60% 是單質 S。③上甲板平均腐蝕速率大于 0.1mm/a，速率較低，腐蝕均勻。而油船貨油艙下底板的腐蝕具有如下特征：①在原油和下底板之間貯存有大量的滯留水，通過檢測分析 3 艘真實油船貨油艙滯留水的化學組成，發現含有高濃度的 Na + 和 Cl－ ，約占總質量分數的 10%，如表 4 所示。但是其中不含 Mg、K 等離子，可以確定滯留水并不是海水。但其存在的位置和含有高濃度的 Cl－ 會降低貨油艙下底板的耐蝕性。②通過水洗、刮擦或酒精擦拭，致密的油膜層由于機械作用或化學溶解而被破壞，導致阻抗明顯下降，增加點蝕速率，急劇地減弱了油膜對貨油艙下底板的保護。③通過對 6 艘真實油船貨油艙中 pH值實地檢測，發現貨油艙底部點蝕坑內的 pH 值在 0.85 ～ 1.16 之間，顯著低于坑外的 pH 值，且點蝕速率隨 pH 值的降低顯著增加，最大可達 2 ～ 4mm/a。說明點蝕是強酸環境下的腐蝕。④通過觀察和測量，發現點蝕坑具有很強的形狀性和規律性，整個點蝕坑成等軸狀，從點蝕坑的邊緣到底部的腐蝕速率相同，以整體同步向外擴展的，點蝕坑越大則點蝕坑越深。表 5 綜合比較了油船貨油艙上下底板的腐蝕狀況。

    基于上述研究，日本新日鐵、JFE、住友金屬 3 大鋼鐵公司分別開發了新型油船貨油艙用耐蝕鋼。①新日鐵NSGP TM-1 和 NSGP TM-2 。2003 年新日鐵公司與 NYK 公司合作首次成功開發了新型耐蝕鋼 NSGP TM-1 。表 6 給出了 NSGP TM-1鋼的化學成分。從表 6 可知，其所含合金元素較少，成分與傳統船用鋼 AH32差別不大，完全符合 IACS 標準。模擬油船貨油艙下底板點蝕環境的室內全浸腐蝕掛片實驗表明，這種鋼板及其焊接接頭的耐蝕性比傳統船板鋼 AH32 高，NSGP TM-1 鋼的力學性能和現場使用性能與傳統船用鋼相當甚至更優，且焊接、加工工藝完全相同，建造時無需進行特殊的施工治理。為驗證新型耐蝕鋼的性能，這 2 家公司于 2004 年將其應用在三菱重工建造的“TAKAMINE”號巨型油船貨油艙下底板，該船運營 2.5a 后的考察結果表明，使用 NSGP TM-1 鋼的貨油艙下底板最大腐蝕孔只有 2.8mm，而采用傳統鋼板的則為 6.3mm。依據國際慣例，腐蝕孔超過4mm需要重新涂裝船體，超過 7mm 則需要焊接維修。因此使用NSGP TM-1 鋼的貨油艙無需重新涂裝，不僅可以省卻建造時為防腐而進行的涂裝工序，且在檢修過程中也無需重新涂裝，大大減少維護成本。2007 年，NSGP TM-1鋼正式接受訂貨，截止 2010 年初，其累計發貨量已經超過 1 萬 t。2008 年，新日鐵公司與 NYK 公司又開發了應用于油船貨油艙上甲板的耐蝕鋼 NSGP TM-2 ，經過 5a 年的實船試驗，檢測結果表明，NSGP TM-2 鋼 5a 平均腐蝕速率小于 0.07mm/a，比傳統鋼降低了 38%。②住友金屬 SMICO Ｒ E。2004 年，住友金屬開發了 SMICO Ｒ E 耐蝕鋼，2005 年將其應用于“SANKO BLOSSOM”號油船貨油艙上甲板與下底板。經過 2.75a 的實船試驗，船塢檢查結果表明，與傳統鋼相比，SMICO Ｒ E 鋼用于貨油艙上甲板時腐蝕速率降低了 40%; 用于貨油艙下底板時腐蝕速率降低 40% ～ 80% ，在世界上首次確認了耐蝕鋼用于上甲板和下底板都具有優異的耐蝕性。③ JFE 公司 NAC5。JFE 公司于 2004 年開發出一種 NAC5 耐蝕鋼。與傳統鋼相比，將不涂裝的 NAC5 用于上甲板，可減少 10%的腐蝕量；將涂裝的NAC5用于上甲板，涂層剝離速率降低了 40%，涂層剝離壽命提高 2 倍，上甲板壽命提高 5a 以上。

 

 

    NAC5 耐蝕鋼的化學成分和力學性能見表7。④JFE公司JFE-SIP TM -OT。2008年，日本 JFE 鋼鐵公司與三井 O.S.K 航運公司共同成功研發了 JFE-SIP TM -OT 高耐蝕厚鋼板，并于 2008 年應用于油船貨油艙艙頂與艙底。據三井商船稱，該耐蝕鋼板有以下特點：①抗點蝕性比傳統鋼板提高 5 倍，甚至可以幫助油船的上甲板耐均勻腐蝕；②與傳統船體用鋼板具有相同的可焊性和機械性能；③減少傳統鋼板每 2.5a 的干船塢維護工作。2010 年韓國也開始了油船貨油艙用耐蝕鋼的研究工作，并且在技術方面已經達到了相關標準的要求。

    2.3.2 烏克蘭與俄羅斯

 

    鋼鐵冶金是烏克蘭經濟中的支柱性產業之一，工業部門齊全，產品產量居世界前列，蘇聯解體以前曾達到全國人均 1t 鋼的水平。烏克蘭繼承了前蘇聯惟一的航母制造基地，造船業特別是軍艦制造業，具有很高的水平，有能力建造包括航空母艦在內的一切艦艇。黑海造船廠作為前蘇聯時代惟一的航母建造總裝廠，集中了很強的艦船科研和生產力量，曾被譽為“前蘇聯大型水面艦艇的搖籃”。前蘇聯幾艘航母———“莫斯科”號、“列寧格勒”號、“基輔”號、“明斯克”號、“戈爾什科夫”號、“庫茲涅佐夫”號、“烏里揚諾夫斯克”號全部在此建造。烏克蘭和俄羅斯的海洋耐蝕鋼制造體系不同于日本和歐美，采用低C、低Mn 和微合金化的成分設計，較高的 Cr 含量，Cu，Ni，P 等耐蝕元素較少加入。其核心技術是鋼包精煉、中間包精煉、結晶器電磁制動等，達到有效去除鋼中低熔點有色金屬、非金屬等腐蝕性元素和夾雜物。采用結晶器喂鋼帶等技術有效抑制連鑄坯中心偏析和中心疏松，實現鑄坯均質化。

 

    2.3.3 中國

 

    由于日本在該領域具有明顯的技術優勢，正在中國設置專利障礙，并作出各種承諾以維持其技術壟斷地位。為了防止國外可能形成的壟斷性供應或技術壁壘，2008年中國提出研發船用耐蝕鋼。2010 年，國家科技部將“大型油輪貨油艙用高品質耐腐蝕鋼”列入國家科技支撐計劃的重點開發項目，研究高硫、高酸油氣環境中，低合金鋼在 H 2 S、SO 2 、Cl－ 和酸性鹽水介質，以及上述各種復雜混合介質條件下的腐蝕規律，開發耐腐蝕合金鋼成分體系、生產工藝及相關配套焊接材料，形成油船用耐蝕鋼的腐蝕評價體系與標準，解決油氣開采、輸送和儲運過程中的鋼鐵材料腐蝕問題，形成具有我國自主知識產權的油氣開采與儲運用耐腐蝕鋼生產技術體系和評價標準規范。2012 年，工信部啟動了“基于 IMO 標準的船用耐蝕鋼應用技術研究”重大科技創新項目。到目前為止，我國油船貨油艙用耐蝕鋼研究項目已經取得了階段性研究成果，突破了材料研發的核心技術難關，數家鋼鐵企業已經進入了工業試制與實船試驗階段。2010年～ 2011 年，鞍鋼集團公司陸續開展了兩輪 1000t 以上耐蝕鋼工業試制，目前已提交船級社認證；2010 年，首鋼開始對耐蝕鋼進行前期研究，并聯合開展腐蝕機理研究，研發油船貨油艙腐蝕環境耐蝕鋼，到 2012 年上半年已經成功完成 E36 級原油船貨油艙用耐蝕鋼及相關焊材的開發，并形成了配套的焊接工藝技術，各項性能滿足國際海事組織耐蝕鋼標準要求及目前的船板規范，具備了進一步開展造船應用研究的條件。2012 年，武鋼、寶鋼、南鋼及湘鋼等鋼廠相繼開發成功油船貨油艙用耐蝕鋼。武鋼經過對高硫高酸油氣環境下耐腐蝕鋼的腐蝕機理、腐蝕條件、合金元素耐蝕性規律以及鋼的潔凈度、夾雜物、顯微組織對耐蝕性的影響機理等方面的研究，確立了新鋼種合金設計方案以及生產工藝，并將實驗室研究成果運用到工業試制中，成功實現了油船貨油艙用耐蝕鋼及其腐蝕試驗對比鋼的批量試制，鋼板性能均滿足相關標準要求。南鋼與東北大學、北京科技大學、武漢科技大學等高校進行合作，成功研發出高效焊接海洋工程用鋼、原油船貨油艙用耐蝕鋼板 EH36-NS 以及專用焊接材料，并申請了相關專利。中國鋼研科技集團有限責任公司鋼鐵研究總院和國家連鑄技術工程研究中心在耐蝕鋼成分設計方面亦取得可喜成果，研制的鋼板的耐均勻腐蝕和耐局部腐蝕性達到或超過了日本 NAC5 鋼板水平。總之，我國船用耐蝕鋼國產化項目已建設了符合 IMO 標準的實驗裝置，突破了材料研發與檢測的核心技術難關，國產船用耐蝕鋼板各項指標滿足 IMO 標準和船級社規范要求，造船工藝性能與傳統船板相當，成本增量低于涂層成本，配套的焊接材料、型材、管材等研制工作也已取得初步成果。2014 年 4 月 28 日，中外運長航吳淞船舶工程有限公司啟動了大慶 435 號油船改裝工程，其改裝技術方案由中船集團第七八研究所制訂，經中國船級社審定，將采用由鞍鋼公司提供的 1100t 船用耐蝕鋼對貨油艙內底板、上甲板進行改裝。同時，將進行耐蝕鋼與常規船板的對比使用試驗，為后續相關科研工作提供實船數據和工程管理經驗。這表明，我國鋼企已經掌握了油船貨油艙用耐蝕鋼的關鍵制造技術，即將進入批量生產供貨階段。

    2.4 問題與差距

 

    長期以來，由于缺乏對大型油船貨油艙用耐蝕鋼等高品質海洋結構鋼材的前瞻性探索，我國對海洋工程高端鋼鐵材料方面的耐腐蝕機理等研究明顯落后于日本等發達國家，造成海洋工程用鋼品種規格少、鋼材性能差、質量不穩定、使用壽命短等一系列問題；我國耐蝕鋼產業集中度低，達不到規模效益，研發、生產難度較大，鋼企積極性不高；我國缺乏船用耐蝕鋼國家標準和具有檢測及認證資質的第三方機構；針對焊縫焊材的耐蝕性問題重視不足。以上問題嚴重制約了國家重大工程項目的建設和相關產業的發展。

    目前，中國船企能建造國際航運界95% 所需船型，包括17.5萬t散貨輪、30 萬 t 超 大 型 油 輪（VLCC）、30 萬 t浮式生產儲油船（FPSO）、8530 標箱第 6 代集裝箱船、14.7 萬 m 3 LNG 船、122m 自升式鉆井平臺 JU2000 等。目前在建 9 座 30 萬 t 級造船船塢，并在規劃50 萬 t 級和 100 萬 t 級船塢。但是，在中國船企建造的船舶中，60% ～ 70%以低技術含量的散貨船為主，大型油船、高技術含量的鉆井船及液化天然氣船等承接量少，在先進船舶制造及海洋工程裝備設計制造技術、大型油船貨油艙用耐蝕鋼的研究與開發等方面，才剛剛進入實船驗證階段，與日本等國家相比，還有較大差距。

    3 耐海水腐蝕鋼

 

    3. 1 重大需求分析

 

    占地球表面積約 71% 的海洋中蘊藏著豐富的資源，隨著世界人口的日益增長和陸地資源不斷的消耗，未來人類的生存會越來越依賴于海洋，海洋將成為礦產、能源和食品資源的主要供應基地。為此，海洋開發被列為 2l 世紀的重點目標之一。我國享有主權和管轄權的海域面積接近 300 萬 km 2 ，但海洋石油和天然氣等資源的平均探明率分別只有 12.3% 和 10.9%，遠遠低于世界73.0% 和 60.5% 的平均水平。隨著經濟的迅速發展和科學技術水平的提高，我國海洋開發事業有了突飛猛進的發展。由于技術越來越復雜，制造成本越來越高，人們希望海洋裝備的使用壽命成倍提高，而耐海水腐蝕材料的開發和應用研究是海洋開發的基礎和前提，導致耐海水腐蝕鋼材越來越受到人們的重視，用量逐年增加。另外火電廠、核電廠、化工廠和海水淡化工程等項目中也是耐海水腐蝕鋼另一個主要應用領域。有報道稱，到 2015 年全世界海水淡化能力將增長到 6200 萬 m 3 ，所增加的投資預計為 950 億美元。而中國也是一個水資源貧乏的國家，這個新興領域對耐海水腐蝕鋼的需求必定持續增長。

    由于海洋的特定環境對海洋工程材料有很多特殊要求：最主要的是耐海水腐蝕問題；其次是深海下密封殼體結構的強度問題。因此研究高強、輕質、耐海水腐蝕、低成本的材料以及合理的結構設計和選材，已成為海洋工程的關鍵技術之一。

    3. 2 耐海水腐蝕鋼的發展概況

 

    海水中含有大量的以 NaCl 為主的鹽類，占總含鹽量的 88.7%。由于它們易于電離，使海水中的 Cl－ 含量增高，達1. 898%（質量分數）；同時提高海水電導率，其平均電導率可為 4×10－ 2 s/cm，遠遠超過河水（2×10－ 2 s/cm）和雨水（1×10－ 2 s/cm）。為此，海水中金屬表面難以保持穩定的鈍態，易于發生電化學腐蝕，極易發生劣化破壞。目前海洋污染趨于嚴重，海洋環境更加復雜，從而使得海洋工程用鋼材的腐蝕問題更加突出。大型海洋工程結構在海洋環境中的腐蝕一般分為5個區： 大氣區、飛濺區、潮差區、全浸區及海泥區。在這些不同的區域，鋼材的腐蝕速率是不同的，圖 2 是鋼樁在海水不同腐蝕區域腐蝕速率示意圖。

    除了海水區域不同對鋼材腐蝕有不同的影響外，就是在一同區域的海洋環境中也含有其他諸多影響因素，如海水的鹽度、pH 值、溫度、溶解氣體（O 2 、CO 2 等）流速、微生物以及污染等，這些因素有時交差作用，造成了海洋環境對鋼材腐蝕的一個極其復雜的過程。

 

    目前鋼鐵材料的防腐蝕方法大致可分為 4 類：①涂層法；②長效法；③陰極保護；④采用本身具有抗腐蝕能力的不銹鋼。但大規模使用預防措施所產生的環境污染大、能耗大、投資大，其成本高得難以承受，并且不銹鋼的力學性能和焊接性能也很難滿足各種工程的需要，因而鋼鐵材料的腐蝕情況一直沒有得到根本的控制。研究表明，通過添加微量合金元素可以在鋼材表面形成含有特定結構、具有離子選擇特性的致密保護層，使鋼材本身具有耐腐蝕性能，并保持優良的綜合力學性能及使用性能。

    3.3 耐海水腐蝕鋼國內外發展現狀

 

    國外對耐海水腐蝕鋼的研究始于 20世紀 30 年代，其中最為活躍的國家是美國和日本。美國最先開始耐海水腐蝕鋼的研究，于 1951 年開發了 Ni-Cu-P系 Mariner 鋼， 含 0.5% Ni、0.5%Cu、0.1%P。此類鋼在飛濺區的耐海水腐蝕性能較好，為普通碳素鋼的 2 ～ 3 倍，但 P 含量偏高（0.08% ～ 0.15%），厚度大于 20 mm 的鋼板不適宜焊接。在此基礎上，世界各國相繼開發了各種系列的耐海水腐蝕鋼。如日本針對 Mariner鋼 P 含量高、焊接性能差研制了 P 含量≤ 0.03% 的 Mariloy（Cu-Cr-P、Cu-Cr-A1-P、Cu-Cr-Mo）系列低合金耐海水腐蝕鋼。Mariloy 系列鋼之所以具有好的耐蝕性，主要原因有：①鉻、硅共存，促使在腐蝕過程中形成穩定的硫酸鹽膜，能阻止在污染海水中細菌的生長，從而減緩了鋼的腐蝕；②由于硅、鉻、銅在銹層中富集，并直接作用于金屬表面，使緊貼基體銹蝕產物變得細小致密，阻礙了海水中溶解氧向鋼表面擴散，減緩了鋼的腐蝕速率。

    中國耐海水腐蝕鋼的研究始于 1965年，從300多個鋼種中篩選出16個鋼種，并于 1978 年進行了耐蝕性能的統一評定。4 年的試驗周期表明，Cr-Mo-Al系的 10Cr2MoAl Ｒ E 鋼耐蝕性能最好。近期寶鋼借鑒日本耐海水腐蝕鋼成分特點，綜合考慮中國近海海水腐蝕介質的環境作用因子，通過優化調整化學成分及采用合理軋制工藝技術，成功開發出Cr-Cu-Mo 系耐海水腐蝕鋼種 Q345C-NHY3。該鋼種具有優良的力學性能、焊接性能和耐海水腐蝕性能等，能夠滿足海洋鋼結構的制造要求。已經向東海洋山深水港碼頭二期及三期工程供貨約 30t，主要用于加工海底鋼管樁。這是國內首次在工程中大批量應用耐海水腐蝕鋼，整個工程結束預期應用量達 50 余萬 t。

    目前國外生產的低合金耐海水腐蝕用鋼按成分系列可分為 Ni-Cu-P 系、Cr-Nb 系、Cr-Cu 系、Cr-Al 系、Cr-Cu-Si 系、Cr-Cu-Al 系、Cr-Cu-Mo 系、Cr-Cu-P 系及 Cr-Al-Mo 系等。我國研制的耐海水腐蝕鋼試驗鋼號近 200 種，其中10Cr2MoAl Ｒ E、08PV Ｒ E、09MnCuPTi、10MnPNb Ｒ E、10NiCuAs、10CrMoAl 等已通過鑒定，但尚未推廣，在大型固定式和移動式海洋結構件上應用較少。

    3.4 問題與差距

 

    我國在耐海水腐蝕鋼方面與國外先進國家之間存在較大差距，如表8 所示。我國在海工鋼和船用耐蝕鋼方面存在以下突出問題：①海工用鋼需求有限，科研和生產難度較大。我國主要海工總裝制造企業手持各類海工鉆井平臺不到100 座 / 艘，計劃在 3a 內交付。每年交付量在 30 ～ 40 座 / 艘左右，年均用鋼量僅為 60 ～ 80 萬 t。加之海工用鋼的特點為多品種、小批量，達不到規模效益。②對耐海水腐蝕機理的研究不足。

 

    由于各合金元素在不同海洋環境條件下的耐蝕效果不同、各牌號鋼種在不同海洋環境條件下的耐蝕性能也有很大的差異，加上因試驗方法不同而造成的誤差等影響，腐蝕試驗結果必然有所不同，而我國缺乏該領域檢測與第三方認證機構。特別對我國南海高濕熱、強輻射、高 Cl－ 海洋環境下的鋼鐵材料腐蝕問題還未得到研究與驗證，腐蝕數據積累不足。③焊縫焊材的耐蝕性問題未得到重視。由于接頭各部分在成分和組織上的不均勻性、殘余應力以及應力集中等因素的影響，使得接頭的耐蝕性往往低于母材，而在整個焊接接頭中焊縫是耐腐蝕性最差的部位。

    4 對策與建議

 

    隨著世界安全和環保意識的提高以及經濟全球化引起的物流量增加，強化對船舶與海工裝備結構安全性、可靠性、及海上運輸高速化、高效化的要求，需進一步提供高性能鋼材。如果國內不能生產而大量進口，不但會推高造船行業的建造成本；而且，如果船東青睞這種鋼材，而國外不予供貨的話，船企接單也將受到影響。因此，需要國家政策引導支持，造船、海工、鋼鐵、航運等企業以及高校科研院所緊密協同與合作。建議：①加強政策引導和財政支持，加大研發投入。在國家層面制定海洋耐蝕鋼的科技發展規劃，加大研發投入。同時，改變資金投入機制，讓有限的資金集中投放到由企業、高校、研究機構等組成的優勢協同創新體。建設我國海洋耐蝕鋼 4 大區域中心： 即以環渤海灣（鞍鋼、首鋼、大連造船、北船重工（青島）、中國科學院金屬研究所、中國科學院海洋研究所、東北大學、北京科技大學、大連理工大學、清華大學等）、長江口（寶鋼、南鋼、沙鋼、滬東中華造船、振華港機、上海交通大學、上海大學、南京工業大學、南京理工大學、浙江大學等）、長江中上游流域（武鋼、重鋼、攀鋼、華菱集團、武船重工、中船重工 719 研究所、武漢科技大學、華中科技大學、武漢大學、武漢理工大學、重慶大學等）和珠江口（寶鋼集團湛江基地、武鋼集團防城港基地、廣州廣船國際股份有限公司、廣州黃埔造船廠等、華南理工大學、香港科技大學等）為重點的區域中心。②以海洋耐蝕鋼的協同研發為切入點，搭建三會一社（中國船舶工業行業協會、中國鋼鐵協會、中國船東協會、中國船級社）、造船企業、鋼鐵企業、航運企業、高校科研院所聯合參與的“產、學、研、用、檢”的工作及信息交流平臺，使海洋耐蝕鋼的研發從臨時協調機制轉變為長期合作機制，并盡快落實船用和海工裝備耐蝕鋼的應用研究和實船考核工作，定期探討船用耐蝕鋼的研發推進工作，規范行業準入和認證管理，建立和完善船用和海工裝備耐蝕鋼標準體系以及船用和海工裝備耐蝕鋼加工配送體系。③加強對海洋耐蝕鋼，特別是我國南海高濕熱、強輻射、高 Cl－ 環境下的腐蝕機理研究。建設海洋耐蝕鋼的檢測機構和第三方認證機構等共同平臺。④加強海洋耐蝕鋼的焊接性研究與評定，研究開發相配套的焊接材料、焊接工藝。

    5 關鍵技術與核心科學問題

 

    5.1 關鍵技術

 

    海洋耐蝕鋼研究與開發的關鍵技術包括：中厚板與特厚板的純凈度控制技術（尤其是超低 S 的控制）、腐蝕性夾雜物（MnS 和nCaOmAl 2 O 3 等）控制技術、鑄坯中心偏析控制技術、特厚板的軋制技術與工藝、中厚板與特厚板的焊接性評定與焊接工藝、以及配套焊接材料的研究與開發等。

    5.2 核心科學問題

 

    海洋耐蝕鋼研究與開發的核心科學問題主要包括：

 

    新型易焊接海洋耐蝕鋼厚板與特厚板的設計理論與原理，海洋耐蝕鋼厚板與特厚板均質化、細晶化、高韌化機理，海洋耐蝕鋼厚板與特厚板高效高可靠性焊接冶金原理，海洋工程厚板與特厚板以及焊接接頭的耐蝕機理，包括在我國南海高濕熱和海洋微生物等特殊環境下的腐蝕機理等。

 

02 海洋用鋼品種的技術調研及發展趨勢分析 

 

    21 世紀人類進入了開發利用海洋的新時代，國際間以開發和占有海洋資源為核心的海洋維權斗爭愈演愈烈，與之相伴的海洋科技實力的較量也日益凸顯。大量事實表明，海洋科技已進入全球科技競爭的前沿，并成為國家間綜合實力較量的焦點之一。海洋科技的發展離不開鋼鐵材料，而海洋環境對鋼鐵材料有強烈的腐蝕作用，這一方面對鋼鐵材料的耐腐蝕性能提出了新的要求；另一方面耐腐蝕性能也成為鋼鐵產品市場競爭最重要的指標。

    1 耐海水鋼的開發與應用

 

    在海洋資源的開發和利用過程中，鋼材扮演著不可或缺的角色，如潮流發電、海水發電、海水溫差發電設備及海濱大型跨海橋梁，與海洋開發相關的海底容器，用于資源開發的各種大型海洋構件以及造船用鋼等領域中均離不開鋼。耐海水腐蝕鋼是為應用于上述環境條件而開發的一類低合金鋼。

    1.1 美國Ni-Cu-P系Mariner鋼

 

    國外對耐海洋環境腐蝕用鋼的研究始于 20 世紀 30 年代，其中以美國和日本等國家為代表。美國自 1946 年重點對具有耐海洋飛濺區腐蝕性能的鋼板樁用鋼進行了開發，在耐蝕性、經濟性等方面詳細研究了 Ni-Cu-P 系的低合金鋼的特性，具體組織成份見表 1.1。

    1.2 日本Cu-Cr-Al系Mariloy鋼

 

    日本從經濟性、焊接性及耐蝕性等方面對耐海水腐蝕鋼的性能進行了研究，如為了抑制生產成本的提高，將高成本添加元素 Ni 替換為 Cr；為了進一步提高耐蝕性，考慮了 Ni-Cu-P 或Cr 以外的其它合金元素，如添加 A1、Co、Mo、Nb、Ti 等元素對耐蝕性能的影響；為了擴大鋼板樁或者鋼樁以外的使用領域，著重提高焊接性及可加工性能，形成了具有自身特色的 Cu-Cr-P，Cu-Cr-Al，Cu-Cr-Mo 系列耐海水腐蝕鋼。Mariloy 系鋼與碳鋼不同，碳鋼耐蝕性隨環境條件變化而有很大的波動（例如在污染海水中），而Mariloy系鋼相當穩定，這是該系鋼的一個基本優點。根據這一優點，可以很正確地估計這些鋼的腐蝕損耗。Mariloy系鋼具有這樣好的耐蝕性，主要原因有：①鉻、硅共存，促使在腐蝕過程中形成穩定的硫酸鹽膜，還能阻止在污染海水中細菌的生長，從而減緩了鋼的腐蝕；②由于硅、鉻、銅在銹層中富集，并直接作用于金屬表面，使緊貼基體銹蝕產物變得細小致密，阻礙了海水中溶解氧向鋼的表面擴散，減緩了鋼的腐蝕速度。

 

    法國 Cr-Al 系鋼主打元素為 Al，Cr-Al 系的鋼主要應用于鋼板樁，也用于高壓容器鋼、高溫耐腐蝕機械構件。

    現在日本出售的耐海水鋼已有 10 多種，可大致分為飛濺區用鋼、全浸區用鋼及飛濺區與全浸區并用的耐海水鋼，具體使用哪種由使用環境決定。這些耐海水低合金鋼按化學成分可分 為 :Ni-Cu-P、Cr-Nb、Cr-Cu、Cr-Cu-Si、Cr-Cu-Si-Mo、Cr-Cu-Al、Cr-Cu-Mo 及 Cr-Cu-P 等幾種系列。美國 （Mariner）Cu-P-Ni，日本 （Mariloy）Cr-Cu-Mo，法國（APS）Cr-Al 系鋼，Ni-Si 系鋼，中國銅系、P-V 系、P-Nb 系鋼。其按化學成分可分為 Cu-P，Cr-Cu 和 Cr-Al 3 大系列。列于表 1.4 中。

 

    2 日本耐海水鋼產品發展趨勢調研

 

    日本耐海水腐蝕低合金鋼的發展是繼美國Mariner鋼之后，為解決 Mariner 鋼中高磷所帶來的焊接性低，韌性低，以及全浸區耐蝕性不佳等問題，研制了具有代表性的Mariloy（新日鐵）與 NK50（日本鋼管）等系列的耐海水腐蝕低合金鋼。

    2.1 日本耐海水鋼產品類型

 

    日本現今出售的耐海水用鋼有十多種，大致可分為飛濺區用鋼、海水全浸區用鋼、飛濺區與全浸區用的耐海水鋼。適用于飛濺區的有新日鐵生產的 MariloyP50、MariloyG41 和日本鋼管公司生產的 NK 馬麗尼 G、三菱制鐵的 NER-TEN50 及 60、神戶制鋼的 NKA、B、C 和住友金屬公司的 CR4 等。常用于鋼板樁和管樁的有 NK 馬麗尼 50 和 MariloyG。它們在海洋環境中均有良好的耐蝕性。例如，NK 馬麗尼 50 的耐海水腐蝕性為普碳鋼的 2-3 倍，韌性好，強度高 （ 與 SM50 相同 ），可焊性和加工成形性能優良，故很有實用價值。現將日本正在生產的耐海水腐蝕低合金鋼列于表 1.5。

 

    2.2 日本耐海水鋼應用與發展

 

    日本在海洋鋼方面的研究，最初是用于護岸，現在開發的鋼幾乎作為海洋中的鋼板樁或鋼管樁使用，而在管道、海水應用機器上的使用，除了特殊的鋼種以外都不適用。日本幾家公司開發了主要提高飛濺帶耐蝕性的鋼管樁、鋼板樁。這些日本技術生產的耐海水鋼是Cu-Cr-P 系、Cu-Cr-Al-P 系、Cu-Cr-Mo 系等，其特征是主要元素不含 Ni，為了提高耐蝕性而含有 Cr。20 世紀 60年代后半期，為尋求海洋資源和空間，以石油挖掘裝置、海中作業基地、海洋發電廠、人工島為代表，來自重工業對耐蝕鋼的要求，鋼材的力學性能，焊接性、耐蝕性也有了更高的要求。

    目前耐海水用鋼因造價高以及某些性能上的原因，應用不及普通海洋結構鋼廣泛。耐海水用鋼今后的發展方向是開發同時具備優良耐蝕性和可焊性的新鋼種，必須降低價格，以提高材料強度為方向，使鋼結構物和設施向輕型化發展。深海用鋼應努力開發不降低缺口韌性、疲勞特性和加工性能的高強度耐蝕鋼種。

    3 中國耐海水鋼產品發展趨勢調研

 

    由于海水介質的腐蝕特性和向深海進行科學勘探與開發的需要，耐海水腐蝕用鋼的研究、試制、生產與應用受到世界各國的普遍重視。我國系統研究耐海水腐蝕低合金鋼已有 20 年左右的歷史，經各單位的長期試驗已逐步篩選出16 個鋼種，于 1978 年在全國三個海域（南海湛江、東海廈門、北海青島）進行了耐海水腐蝕的統一評定試驗。

    3.1 中國耐海水鋼的品種分類

 

    我國海洋耐海水腐蝕低合金鋼 16個鋼種中，屬于 P-V 系的 5 個；P-Nb系的 2 個；P-Cu 系的 3 個；CrMoAl 系的 2 個；CuWSn 系 的 2 個；NiCuAs 與CrMoCu 各一個。已通過各級技術鑒定的鋼種有 8 個，它們是：10MnPNbRE;09CuWSn；09MnCuPTi；10CrMoAl；10NiCuAs；10Cr2MoAl RE；08CuPVRE 和10CrMoCuSi。現將我國研制的 16 個鋼種成分列于下表 1.6

 

 

    3.2 中國耐海水鋼腐蝕現狀

 

    我國低合金鋼在海洋環境中的主要腐蝕類型有不均勻全面腐蝕，點蝕，而在實際應用過程中，從形貌可分為斑狀、麻點狀、蜂窩狀、坑狀、潰腸狀腐蝕等類型。不論是錳系的 16Mn（Q）、09MnNb（J），還是鉻鋼的 10CrCuSiV、10CrMoAl 在海洋環境中，表面都會發生不能建立鈍態的腐蝕。

    （1） 全浸區的腐蝕

 

    低合金鋼連續沉浸于海水中的腐蝕速度大約在 0.06-0.15 毫米 / 年范圍，從耐蝕性能方面看并不比碳鋼優越。因此，在全浸于海水中使用的結構上，低合金鋼的腐蝕裕量必須等于或大于普通碳鋼，不應僅從強度角度考慮而盲目減薄壁厚。碳鋼和低合金鋼在海水中的一般腐蝕行為如表 1.7 所列。

 

    低合金鋼和碳鋼一樣，在海水中具有明顯的潰瘍腐蝕傾向。國產各種碳鋼和低合金鋼在海水中的潰腸腐蝕行為如表 1.8 所列。從短期暴露的潰瘍腐蝕傾向看，國產船體結構鋼大體可分三類：碳鋼和以錳為主要合金元素的低合金鋼，潰瘍腐蝕傾向最大，潰瘍大而深，密度較小，多呈孤立潰瘍狀；以鎳、銘為主要合金元素的低合金鋼比前者具有較好的耐潰瘍腐蝕性能，潰瘍小而淺，但密度較大，多呈麻點狀；以錳為主要合金元素，并加有鉻的低合金鋼，其潰腸腐蝕傾向介于前二者之間。

 

    （2） 飛濺區和潮差區的腐蝕

 

    在高潮線上方的飛濺區，低合金鋼比碳鋼明顯地耐蝕。在海平面以上 0.5-1.0 米的區域內，有些低合金鋼的耐蝕性可比碳鋼好數倍。如果碳鋼在該部位使用需要 0.51 毫米 / 年的腐蝕裕量的話，采用 Ni、Cu、P 系低合金鋼只需 0.25毫米 / 年的腐蝕裕量。

    低合金鋼在潮差區的腐蝕行為與碳鋼相似。單板試驗時，比全浸區腐蝕強烈。

    漂浮于水上的結構，如船舶、浮桶等，潮差區的腐蝕通常比較嚴重。各種船舶結構鋼在潮差區的腐蝕行為如表1.9 所列。

 

    由表 1.9 可見，以鎳、鉻為主要合金元素的低合金鋼比以錳為主要合金元素的低合金鋼在潮差區較為耐蝕，接近或小于全浸區的腐蝕 （ 參見表 1.7）。

 

    3.3 中國耐海水鋼應用與發展

 

    我國統一評定的實海掛片試驗的腐蝕數據表明，我國研制的耐海水腐蝕用鋼比一般A3鋼的耐腐蝕性能提高0.5-1倍，實際使用效果比試驗數據好（約為A3 鋼的 2-5 倍），因此已被用于鋼樁碼頭、浮碼頭、海水管道、海水熱交換器、船舶、制鹽設備、采油平臺等方面。

 

    耐海水腐蝕低合金鋼的發展主要是朝著以鉻和銅元素為中心，與鋁、鉬、磷和鎳等主要元素相結合，改善不同海洋環境條件下的耐蝕性的同時，再將鈦、鈮、釩、鋯、砷、錫和釔等元素作為微量輔助元素，添加其中的一種或幾種元素，進一步改善耐蝕性或其他某些性能的方向發展。另一傾向是向去磷或降磷和提高鉻的方向發展。

 

03 高品質海洋工程用鋼品種技術新趨勢

 

    在全球化的進程中，物流量不斷增長，其對各種各樣船舶的需求相應增長，油輪、LNG 船（低溫下運輸液化天然氣專用船）、散貨船、集裝箱船、LPG 船（運輸液化石油氣專用船）以及化學品運輸船等。近些年，隨著物流業對運輸效率要求的不斷提高，各種大型船舶數量逐漸增加。其一是，液化天然氣貿易快速發展，導致 LNG 運輸船需求發展迅猛，未來 5 年里，LNG 航運市場將有足夠的運輸需求消化目前的 LNG 船過剩運力及新船訂單量。其二是，石油貿易格局變化，需要采用大型油輪。其三是，集裝箱船大型化趨勢仍然保持不變，主要是由于集裝箱船大型化可以帶來成本優勢。其四是，“一帶一路”對貿易和港口建設產生重要影響，帶動各種船舶需求的不斷增長，從而帶動“海洋工程用鋼”走向更高追求。

    當前，在經濟全球化的條件下，我國經濟的對外依存度已高達 60%，對外貿易運輸量的 90% 是通過海上運輸完成的，世界航運市場 19% 的大宗貨物運往我國，22% 的出口集裝箱來自中國———我國經濟已是高度依賴海洋的開放型經濟。船舶和海洋工程行業已成為我國經濟發展的重點之一。

    近年來，我國造船業發展迅猛，截至 2017 年 11 月，中國造船業全年新接訂單量超越了韓國，再次成為全球第一。2017 年，造船新接訂單量排名首位的是中國（713 萬修正總噸），韓國和日本分別以 574 萬修正總噸和 182 萬修正總噸的數據分列第 2、3 位。中國的市場份額達到 36.3%，比韓國 （29.4%）高出近 7 個百分點。盡管近年來造船業很不景氣，但是我國造船業還是攜手鋼鐵行業一道迅猛發展。

    經過多年的發展，我國初步建立了較完備的船舶與海工用鋼體系，海洋工程用鋼品種出現極大的多元化——厚板、高強板、耐腐蝕板、耐低溫板都能生產，但高端海洋工程用鋼依然有所欠缺。

    “中國制造 2025” 需要突破發展的十大重點領域中，海洋工程裝備及高技術船舶亦占有一席之地。2017 年 10月 30 日，工業和信息化部發布《產業關鍵共性技術發展指南（2017年）》（以下簡稱《2017年指南》）。新出臺的《2017年指南》是工信部進一步結合《中國制造 2025》、圍繞制造業創新發展的重大需求，通過研判國內外產業發展現狀和趨勢之后提出的最新版本，共提出優先發展的產業關鍵共性技術 174 項。其中，原材料工業 53 項、裝備制造業 33 項、電子信息與通信業 36 項、消費品工業27項、節能環保與資源綜合利用25項。

    新出臺的《2017 年指南》明確了高品質海洋工程用鋼的開發與應用技術的關鍵內容，同時對綠色化、智能化鋼鐵流程關鍵要素協同優化和集成應用技術，高品質特殊鋼生產應用關鍵技術等提出了新要求。

    《2017 年指南》明確了今后高品質海洋工程用鋼開發與應用技術的發展方向，重點研發的主要海洋工程用鋼品種及相關技術有：發展自升式平臺用 690兆帕級特厚板、大口徑無縫管、460 兆帕級別導管架平臺用鋼及配套焊材、可大線能量焊接平臺用厚板及配套焊材、大壁厚深海隔水管、管線鋼、南海島礁基礎設施用耐候鋼、耐海水腐蝕鋼筋、海水淡化、化學品船用特種雙相不銹鋼、高鉬超級奧氏體不銹鋼、深海集輸系統用耐蝕合金、沉淀硬化型不銹鋼、深海鉆采用高等級高氮奧氏體不銹鋼 等材料的研發、生產和應用技術，此外還有發展極寒耐低溫船舶及海工用鋼生產及應用技術，潔凈化冶金、均質化連鑄、精準組織調控等集成制造技術，低溫鋼的高效焊接材料與工程化應用技術的內容。

    《2017 年指南》把對鋼鐵工業的要求放在了最靠前的位置，說明《2017年指南》對鋼鐵工業寄予厚望，也說明了鋼鐵工業對海洋工程等領域的關鍵作用。包括上文中提到的高品質海洋工程用鋼的開發和應用技術相關要求，《2017年指南》對鋼鐵工業共提出了 13 個方面的要求：一是基于大數據的鋼鐵全流程產品工藝質量管控技術，二是鋼鐵定制化智能制造關鍵技術，三是鋼鐵制造流程余熱減量化與深度化利用技術，四是綠色化、智能化鋼鐵流程關鍵要素協同優化和集成應用技術，五是高品質特殊鋼生產應用關鍵技術，六是高品質海洋工程用鋼的開發與應用技術，七是鋼材高效軋制技術及裝備，八是高爐煉鐵信息化與可視化技術，九是高品質鐵精礦生產技術與裝備，十是低品位難選礦綜合選別與利用技術，十一是氫氣豎爐直接還原清潔冶煉技術，十二是全氧冶金高效清潔生產技術，十三是超超臨界電站汽輪機用鎳基耐熱合金材料設計和生產技術。

    鋼材是高品質船舶與海洋工程建造的主要原材料。因此，高品質船舶與海洋工程用鋼的發展一直是海洋工程相關領域和鋼鐵工業十分關心的問題。

    船舶與海洋工程用鋼發生諸多新變化，新變化的大趨勢是對“高強度、高韌性、易焊接性、耐腐蝕性及大厚度、大規格、多品種規格”提出了更高、更嚴、更精的要求。例如，對特厚板合金設計與強韌化機理、心部韌性調控原理與技術，高潔凈—均質化制錠 / 坯、高滲透性軋制、均勻熱處理新工藝與裝備，高強度特厚板關鍵生產技術及配套焊材等內容進行研究；開發高強度、大斷面特厚板關鍵生產技術、裝備和產品（785 兆帕級，厚度≥ 180 毫米；690兆帕級，厚度 180~256 毫米）；對氧化物冶金原理及熱影響區組織調控機理，大線能量焊接厚鋼板合金設計及全生產流程高熔點氧化物控制技術，可大線能量焊接海工厚板生產工藝技術、焊接技術和焊材開發等內容進行研究；開發系列海工用大線能量焊接厚鋼板和配套焊材（厚度≥ 60 毫米，焊接線能量≥ 200千焦 / 厘米），性能滿足標準規范要求；對厚壁無縫鋼管、型鋼、錨鏈鋼合金設計、強韌機理與關鍵生產技術，鈦 / 鋼復合板、鑄造節點關鍵制造技術，高耐蝕特種部件粉末冶金制品粉體均質化、超細化、致密化制備技術等內容進行研究；開發海工用大壁厚無縫鋼管、大規格高強型鋼、R6 級錨鏈鋼、鈦 / 鋼復合板、大型鑄造節點、高耐蝕粉末冶金制品產品或原型產品；對合金成分與鋼材組織對環境敏感性和耐蝕性的影響規律，力學、電化學、磨損、微生物耦合作用腐蝕規律及綜合防護技術，典型海工鋼使用、服役性能檢測與評價方法和標準等內容進行研究；闡明多場耦合環境下腐蝕機制，建立新型深海腐蝕性能評價方法和海工鋼檢測與服役性能評價方法，使典型海洋平臺用鋼最大壽命延長 50%；對海洋工程用鋼應用過程中配套焊接工藝，海洋工程用特厚鋼板和管材高效無缺陷切割技術、成型技術等內容進行研究；開發新研制材料高效焊接技術、加工技術、成型技術等應用技術，建立制造規范，形成完整的產業鏈，構建海工鋼生產、研發和應用相關標準，并完成新型海洋工程用鋼檢驗認證和典型工程應用示范等等。

    海洋工程用鋼鐵材料是拓展海洋空間、開發海洋資源的物質前提。中國要建設海洋強國，開發海洋工程用鋼非常重要。

    據了解，目前在役的海洋工程裝備有相當一部分集中建造于上世紀 80 年代初，服役已達 25 年以上，面臨退役。因此，海洋工程裝備更新換代的需求已經十分強烈。可以預見，未來，我國在海洋工程方面必然會有所突圍，但目前國內本地原料、配套份額都較低。業內專家指出，我國 1000 米以下的深海工程材料被國外長期壟斷，而且工程施工技術全部保密。

 

    在海洋工程用鋼方面，目前，我國海洋工程用鋼關鍵部位的特殊品種如高級別特厚鋼板、大壁厚無縫管、大規格型鋼等仍需進口，海洋平臺用厚鋼板的焊接效率及耐蝕性能與國外先進水平相比差距較大，高端鋼鐵材料自主保障能力較差……這些都制約了我國大型海工裝備的整體設計和建造水平。海洋工程領域投資額體量巨大，可供鋼鐵工業充分施展拳腳。據了解，截至 2015 年末，全國海洋工程項目建設超過 15000個，投資總額超 2 萬億元。只有貫徹實施《2017 年指南》的要求，鋼鐵工業才能適應船舶和海洋工程技術發展的新格局，才能壯大海洋經濟，不斷拓展藍色發展空間。

 

04 合金元素對海洋用鋼全浸區腐蝕的影響規律

 

    關于合金元素對耐海水鋼全浸區腐蝕的影響的研究很多，由于試驗方法、試驗條件、合金元素的組合及暴露時間的長短等的不同，合金元素對耐海水鋼全浸區的腐蝕性能的影響有不盡一致或互相矛盾的結果和觀點。代表性的觀點有兩個：

    ①少量合金元素對提高鋼在海水全浸區的耐蝕性有良好的效果，提高鋼的耐蝕性的合金元素有 Cr、Al、Si、P、Cu、Mn、Mo、Nb、V 等；

 

    ②所有不同類型的碳鋼和低合金鋼在海水中的腐蝕速率幾乎是相等的，添加少量 Mn、Cu、Cr、Ni 等元素對鋼在海水中腐蝕速率的影響很小。

    19種鋼在青島、舟山、廈門和榆林4個試驗站暴露1、4、8、16 年的腐蝕結果表明，有些錳鋼短期暴露的耐海水腐蝕性比碳鋼有所提高。但長期暴露，錳鋼的耐海水腐蝕性能沒有明顯的提高。這與 16 種海洋用低合金鋼在我國三個海域暴露 7年的腐蝕試驗得到相同的結果是一致的。因此，少量的 Mn、Si、P、Cu、Al、Mo、Nb、V 等或它們復合對耐海水鋼腐蝕性的影響很小。

    而鉻鋼在海水中腐蝕行為與碳鋼有較大差別，這反映了鉻元素對耐海水鋼腐蝕性能影響的復雜性。黃桂橋分析了鉻鋼在青島海水和文獻上發表的其他海域的腐蝕數據，發現鉻對鋼耐海水腐蝕性的影響不僅與鉻的含量有關，還與其他的復合合金元素有關。短期浸泡時，鋼的耐海水腐蝕性隨鉻含量（無其他合金元索復合）增加而提高。長期浸泡，鉻對鋼的耐海水腐蝕性有害。約 1%Cr 與 Mo、Al 復合對耐海水鋼腐蝕性的影響與單獨添加 1%Cr 的影響沒有明顯差別。大于 2%Cr 與Mo、Al 復合大幅度提高鋼在海水中短期浸泡的耐蝕性，并使耐蝕性逆轉時間明顯推遲。小于 1%Cr 與 Mn-Cu、Cu-Si-V、Ni-Cu-P、Ni-Cu-Si、Ni-Mn 等元素復合對鋼的耐海水腐蝕性有害。

    國外為了研究合金元素對海水全浸區的腐蝕規律及影響，構建了一種合金影響模型，此模型由四方面理論組成，前兩方面是腐蝕控制機制：①動態控制理論；②氧通過腐蝕層擴散理論，這兩種理論只要涉及有氧腐蝕活動。過了理論點 AP，主要涉及無氧腐蝕：③硫酸鹽還原菌生長；④穩態厭氧菌控制過程。圖 1 為海水全浸區腐蝕 - 時間模型以及模型參數的表示，其中 AP 為氧氣擴散過程與厭氧環境控制過程的分界點，r 0 為氧擴散過程最初腐蝕速率，c a 為前一階段過渡為第二階段時腐蝕產量，r a 為厭氧環境最初腐蝕速率，r s 為腐蝕發生終點c s 對應的腐蝕速率。此模型研究合金元素的影響是通過合金元素含量的變化引起模型參數的變化，來表征合金元素對海水全浸腐蝕的影響規律，以上參數均可用來分析合金元素對耐蝕性的影響。具體分析如下：

圖1 海水全浸區腐蝕-時間模型

 

 

圖2 Cr含量對腐蝕參數的影響((a) r 0 ,(b) c a ,(c) r a ,(d) c s 、r s , (e)r 0 近似值)

 

圖3 Mo含量對腐蝕參數的影響((a) r 0 ,(b) ca ,(c) ra ,(d) r 0 近似值

 

    1 Cr 對海水全浸腐蝕影響

 

    圖 2a 中可以看出，Cr（ ≤ 2.5%） 對非合金鋼 r0 的影響效果很微弱，但是如果加入適量的Mo 或 Al，則很明顯隨著 Cr 含量增大，鋼的 r 0減小，耐腐蝕性能現出增強。類似的現象在圖2b 也發生，但是隨著 Cr 的增加 c a 的減小趨勢隨著 Mo 與 Al 的量起伏不定，并非 2a 圖中那么明顯，總之，c a 受 Cr 影響較小；如期望相同，r a 被 Cr 的量影響特別大，示于圖 2c。而 c s ，r s隨 Cr 增加減小趨勢的發生，則要求 Cr 含量增加到 2% 左右，但是雖有 r s 隨 Cr 含量繼續增加只會微弱下降。2e 顯示了不同化學組成的合金，腐蝕速率 r 0 隨 Cr 含量的增加減小的情況，綜上可知，一定量的 Cr 對增加合金的耐腐蝕性是特別必要的，需要與其他合金（如 Mo、Al）共同起作用，其含量值估計在 2%-2.5% 達到最佳。

    2 Mo 對海水全浸腐蝕影響

 

    圖 3a 與 3b 表明增加 Mo 含量對耐腐蝕性能的提高不是線性的，Mo 含量小于 0.5% 的時候，適度增加 Mo 耐蝕性得到加強，但是之后增加含量對腐蝕幾乎沒作用。但當加入 1.5% 的 Al 之后，致使 Mo 的抗腐蝕性得到了進一步加強。

    3 Cu 對海水全浸腐蝕影響

 

    圖 4 中 Cu 的加入相對而言幾乎不影響 r 0 與ca。最大的影響則是對 ra，這表明 Cu 的加入抑制了缺氧過程的進展。與之相反的是，當缺氧條件過程進行的時候，適度的 Cu 含量會輕微地增加合金的耐蝕性。由于 c s ，r s 均有所增加，表明當厭氧環境很充分的時候，Cu 增加會增加腐蝕量，即減弱鋼的耐蝕性。

    4 Al 對海水全浸腐蝕影響

 

    圖 5a 與 5b 表明 Al 的增加顯著減小了腐蝕參數 r 0 與 c a ，當 Al 的含量為（0-1.5%）這被r 0 的近似值得到證明。正如數據顯示影響作用非線性，盡管還沒有確切理論來解釋。沒有專門的數據顯示 c s 與 r s 的變化，但是 r a 足以表明厭氧環境下，隨著Al含量的增加耐腐蝕性有所下降。

圖4 Cu含量對腐蝕參數的影響((a) r 0 ,(b) c a ,(c) r a ,(d) c s 、r s , (e)r 0 近似值)

 

圖5 Al含量對腐蝕參數的影響((a) r 0 ,(b) c a ,(c) r a ,(d) r 0 近似值)

 

    5 Ni 對海水全浸腐蝕影響

 

    用來評估 Ni 增加提高耐蝕性的有效數據雖然有限，但是圖 6a 中，r 0 近似值的變化趨勢表明 Ni的增加減弱了腐蝕的進程，但是繼續增加 Ni 含量則會減弱合金耐蝕性，促使腐蝕行為的發生，Ni合金元素含量最佳值為 2% 以內。

 

    6 Mn 對海水全浸腐蝕影響

 

    對比 r 0 與 r b 曲線，可知開始 Mn 對腐蝕的抑制作用不明顯，但是隨著腐蝕過程的進行，Mn 的存在提高了合金的耐蝕性。

圖7 Mn含量對腐蝕參數的近似影響r 0 及r b

 

圖8 Si含量對腐蝕參數的近似影響r 0 及r b

 

 

    7 Si 對海水全浸腐蝕影響

 

    從 r 0 曲線來看，Si 的作用比較微弱但是輕微有效，r b 表明 Si 對合金耐蝕性是有益的，尤其當同其他合金元素一起加入時。

    8 Ti 對海水全浸腐蝕影響

 

    圖 9 表明 Ti 減少了腐蝕失重，同時改善了腐蝕參數 r 0 ，c a ，r a ，即Ti 的加入明顯提高合金的耐蝕性。

    9 耐海水腐蝕鋼

 

    耐海水腐蝕鋼的發展較耐大氣腐蝕鋼晚。較為系統地研究合金元素對鋼的耐海水腐蝕性能的影響，是從 20 世紀 30 年代后半期由Hudson 進行六十幾種鋼的海水腐蝕試驗開始的。耐海水腐蝕鋼應用范圍并不很廣，產量也不很多。究其原因，主要是由于耐海水腐蝕鋼的耐腐蝕性能受到某種程度的限制。

 

    因此，就開發和發展低合金耐海水腐蝕鋼來說，我國還有很大的潛力，還有大量的研究、生產和推廣使用的工作要做。

 

05 一文看懂海洋工程用超級不銹鋼和耐蝕合金

 

    與陸地油氣開采相比，海洋環境洋流劇烈、海溫和壓力隨深度變化大、海底巖層結構與陸地井迥異。海洋油氣中 H 2 S、CO 2 和 Cl - 等的含量普遍較高，海底微生物種類復雜，化學腐蝕和微生物腐蝕能力都很強。因此，海洋油氣開采平臺用特殊鋼材料如不銹鋼、耐蝕合金等普遍要求高耐蝕、高強高韌和高耐磨等性能特點。國外先進的海洋油氣資源鉆采、加工、輸運等環節均應用了大量的超級不銹鋼和耐蝕合金材料。

    所謂的“超級”不銹鋼材料，與傳統不銹鋼材料相比，一般是指高 Ni/Cr/Mo、高純凈度、采用 N 金化或變形工藝強韌化的一類高性能不銹鋼材料，如超級奧氏體、超級鐵素體、超級雙相不銹鋼以及鎳基或鐵鎳基耐蝕合金等。

 

    一、國外用材情況

 

    1、材料分類及主要性能

 

    與海洋平臺用微合金化結構鋼材料不同，海洋平臺用特殊鋼材料普遍都是高合金體系的 Ni-Cr 或 Cr-Ni-Mo 基不銹鋼、超級不銹鋼或耐蝕合金材料，一般都具有高點蝕當量、高純凈度以及N 合金化等特點。使用這些高合金材料制備的海洋平臺典型件如儲運、工藝管道、脫鹽、換熱器、油井管、鉆探和樁腿等，為滿足其特殊的服役工況條件，普遍具備高強度、高耐蝕性或兼而有之。通常而言，耐蝕性和強度是海洋平臺用特殊鋼材料的兩個關鍵性能指標。目前國外海洋平臺用先進特殊鋼鋼種主要包括超級奧氏體不銹鋼、超級鐵素體不銹鋼、高強度奧氏體無磁不銹鋼、鎳基和鐵鎳基耐蝕合金等，這幾類特殊鋼材料因其合金成分體系設計不同而性能各有所長。

    （1） 高 Mo 含 量 的 Cr-Ni-Mo 超級奧氏體不銹鋼。對于超級奧氏體不銹鋼而言，普遍具有較高的 Cr、Ni 含量、 一 定 的 Mo 含 量（6% ～ 7%），具有在較高溫度優異的耐局部腐蝕和均勻腐蝕的能力，其點蝕當量 PREN 值（Cr+3.3Mo+16N）一般都達到30以上，部分材料甚至高達 50 以上，這確保了此類材料優異的耐蝕性能；同時合理的N 合金化使其兼具了較高的強度和塑韌性。

    （2）鎳基或鐵鎳基耐蝕合金。對于鎳基或鐵鎳基耐蝕合金來說，其 Cr、Ni、Mo 合金含量更高，在熱帶水域和離子介質復雜的條件下比超級奧氏體不銹鋼具有更為突出的耐局部腐蝕、應力腐蝕性能。可廣泛應用于油氣媒介、油水分離或其他更為苛刻的化工工藝管道、泵閥和離心機等工礦條件。

    （3）高氮奧氏體不銹鋼。極高的N 合金含量大幅度提升了材料的強度指標，使其具有室高溫條件下顯著優異的強度性能，由于采用了 Mn-N 代 Ni 成為奧氏體穩定元素，使其在性能優異的同時具有較低的生產成本。由于近年來其合金體系的不斷優化，以及一定的 Mo元素加入，使其也具備了優良的耐局部腐蝕性，Cr 含量的不斷提升以及 C 元素的進一步降低，改善了材料的耐晶間腐蝕性能。

    2、應用領域

 

    高性能的海洋平臺用特殊鋼材料在國外早已商業化生產多年，典型的生產廠商包括瑞典山特維克（Sandvik）、德國蒂森克虜伯（ThyssenKrupp）、芬蘭奧托昆普（Outokumpu）、日本冶金（Yakin）、美國阿里根尼（ATIAllegheny）、美國特種金屬（SMC）、奧地利伯樂（Bohler）、美國卡朋特（Carpenter）等，其中代表性的海洋油氣資源開發工程用高性能Cr-Ni-Mo-N 體系超級奧氏體不銹鋼和耐蝕合金材料有：

    （1） 含 N 的 Mo 合金化高性能超級奧氏體不銹鋼：

    254SMO（Cr20-Ni18-Mo6-Cu-N）、654SMO（Cr24-Ni22-Mo7-Mn3-Cu-N）、AL6XN（Cr20-Ni24-Mo6-N）、NAS254N （Cr23-Ni25-Mo5.5-N）、NAS354N（Cr23-Ni35-Mo7.5-N） 等。

    （2） 以 Mn、N 代 Ni 的高強無磁奧氏體不銹鋼：

    P550（Cr20-Mn20-Mo-N）、P650（Cr19-Mn20-Mo2-Ni4-N）、Datalloy2（Cr15-Mn15-Ni2-Mo2-N）、15-15HS（Cr20-Mn18-Ni3-Mo-N） 等。

    （3） 耐蝕性能優異的 Ni-Cr-Mo 耐蝕 合 金： Incoloy825（Cr20-Ni35-Mo3-Cu3-Nb）、Inconel625（Cr22-Ni58-Mo9-Nb3）、Sanicro28（Cr27-Ni31-Mo3-Cu）、Carpenter20Cb-3（Cr20-Ni35-Mo3-Cu3-Nb）、Nicrofer3127hMo（Cr27-Ni31-Mo7-Cu-N）、Nicrofer33（Cr33-Ni31-Mo-Cu-N） 等。

    上述高性能奧氏體和超級奧氏體不銹鋼及耐蝕合金產品已在海洋平臺上方、水下輸送管道及泵閥、井下鉆探三大類應用領域獲得廣泛應用。目前已在諸如北海油田、波斯灣油田、墨西哥灣油田等數百個海洋油田的平臺建設中的大量使用，具體應用領域如下：

    （1） 海洋平臺上方

 

    海水管道：254SMO、Incoloy825；凸 輪 裝 置：254SMO、654SMO、AL-6XN；板式換熱器：654SMO、AL-6XN、NAS354N、Nicrofer3127hMo、Carpenter20Cb-3；海水脫鹽系統：254SMO、Nicrofer3127hMo、Nicrofer33；殼體：654SMO、AL-6XN；管式換熱器：654SMO、AL-6XN、NAS354N、Nicrofer3127hMo、Carpenter20Cb-3；離心分離機：654SMO、AL-6XN；重力分離機：904L、AL-6XN。

    （2） 水下輸送管道及泵閥

 

    油氣輸送復合管道、閥門總成和管線懸掛器、跳線和跨接線、纜帶浮力組件、提升管和流動管：Inconel-625、254SMO、AL-6XN、Sanicro28、Incoloy825；歧 管：254SMO、AL-6XN、NAS800HT。

    （3） 井下鉆探

 

    MWD無磁腔室、無磁鉆鋌、穩定器、旋轉導向鉆探單元：P550、15-15HS、Datalloy-2、Inconel-718。

    （4） 其他單元：

    平臺支撐結構件：NAS254N、AL-6XN；防火防爆墻：316L、P530；墻壁包裹層：316L、P530；電纜盤：316L、P530；樓梯、通道和電梯：316L、P530；天然氣系統：316L、P530。

    二、國內海洋工程用材發展現狀

 

    1、生產和應用現狀

 

    據中海油海洋油氣項目采購部門的內部資料顯示，由于我國海工用特殊鋼材料生產起步較晚、研制生產停滯不前，導致海工用特殊鋼及關鍵裝備絕大部分依賴進口，均直接從 Bohler、Alfa-Laval、Butting、Cameron、IntecSEA、CladTek、Flowserve、Goulds、Heatric 等國外廠商采購。據中海油開發工程設計公司的統計數據顯示：目前海洋平臺工藝設備中進口份額約占總造價的3% ～ 5%；工藝管道和儲運管道約占總造價的 15% ～ 30%；因此單一平臺項目中進口份額目前要占到平臺總造價的 30% ～ 40%。由于進口高性能特殊鋼關鍵部件而產生的費用可高達 4 億美元，約合人民幣 28 億元。

    2、國內本領域新材料產業發展問題

 

    我國目前海工用特殊鋼領域工業化生產及下游平臺用海工裝備部件的制造均已有一定程度的開展。部分典型部件如鉆具、管道、換熱器、泵閥等已在陸海油氣田以及石化工業中得到初步應用。但就材料制備、裝備制造等領域的具體工藝現狀來說，國內相關行業、企業、應用等均存在較為典型的問題如發展模式問題、缺乏必要的、系列的材料品質標準和生產工藝規范、行業標準等、科研部門產學研嚴重脫節、生產廠家技術工藝問題。

    3、本領域新材料研發方向及發展模式：

    高強度無磁不銹鋼、超級奧氏體不銹鋼和耐蝕合金是未來我國海工用特鋼國產化需重點攻關的三大類鋼種，應用覆蓋海洋油氣的鉆采儲輸等環節。在目前研制和生產現狀的基礎上，各鋼種均具有自身獨特的發展趨勢：

    （1）高強度無磁不銹鋼的發展趨勢是高強度、高耐蝕、無磁性和低成本。通過足夠的 N 含量確保以上性能指標。國內目前已有部分企業生產此類產品，但其合金體系設計落后，強度、晶間腐蝕性能、熱變形加工工藝與國外相比差距很大。如何提高該類產品性能、優化合金體系是此類材料的研發重點。

    （2）超級奧氏體不銹鋼的發展趨勢是高強度和高耐蝕性，通過高 Cr、Ni、Mo 含量確保足夠的耐蝕性能，通過適量的N含量確保兼具優異的力學性能，通過合理的熱變形工藝確保無開裂、高成材率。合金體系的創新和理論設計是此類材料的研發重點。

    （3）耐蝕合金的發展趨勢是極高的耐蝕性和良好的加工工藝性能，通過極高的 Cr、Ni、Mo 含量保證優異的耐局部和全面腐蝕性能，重點解決管材、板材的冶煉、熱擠壓、熱軋等制備技術，解決此類材料從無到有、有價無貨的問題。

 

    我國海洋工程用特殊鋼產業發展的模式也應當逐步走上良性軌道。海洋油氣平臺項目應當積極大膽地提出對主要關鍵部件最新、最前沿的需求、性能指標，通過設計部門和材料研發單位的通力配合，逐步實現材料和裝備國產化、規模化和工程化，使我國海工用特殊鋼走上良性發展的模式。國家層面也應由項目、企業和科研院所牽頭，出臺相應的行業和材料標準，使海洋平臺用先進特殊鋼材料的產學研各個環節更加規范化和法制化。

 

06 各類型船舶關鍵高端用鋼大匯總

 

    引言

 

    近年來，我國的海洋工程與船舶工業取得了長足的發展，實現了歷史性的跨越，產業規模迅速擴大，綜合實力顯著增強，國際地位大幅度提升。但我國和世界上先進的船舶制造及海洋工程裝備設計制造技術相比，還存在一定差距。

    目前，我國船舶與海工用鋼已能滿足國內市場的大部分需求，但部分高級別的特種鋼材仍依賴進口。特殊用鋼主要指具有高強度、大厚度、抗層狀撕裂、大熱輸入焊接、耐腐蝕、超低溫韌性、高止裂性能的鋼板，其生產工藝嚴格，對設備穩定性要求高，開發難度大。下面就簡要介紹下這些船舶用鋼中的高端鋼材：

    液化氣體運輸船用低溫鋼

 

    液化氣作為一種天然資源，地區間分布不均，國際間運輸主要通過液化氣體專用運輸船進行，包括 LPG 船和 LNG 船。隨著 LNG 工業的迅猛發展，9Ni 低溫鋼的研究和開發熱度持續升溫，LNG 儲存溫度為 -163℃，要求 LNG 儲罐內壁用 9Ni 鋼具有較高的強度、良好的低溫韌性和較小的波動。

 

    另一個重要的低溫用鋼是 LNG 船用 Invar 合金，Invar 合金薄帶是薄膜型 LNG 船的必備材料，應用于貨艙圍護系統。Invar合金是 Ni=36%，熱膨脹系數極低，能在很寬的溫度范圍內保持固定尺寸，適合常溫至 -163℃的溫度變化。由于我國船廠接受了多艘 LNG 船訂單，所以對 Invar 合金的國產化提出了迫切需求。

    大熱輸入焊接用船板的開發

 

    焊接是船體制造的關鍵環節，約占船舶制造成本的17%。隨著船板厚度規格的增加，開發具有高焊接熱輸入適應性的鋼板以提高焊接效率成為船體建造需重點解決的問題。大熱輸入焊接用鋼是指焊接熱輸入在 400kJ/cm 以上的鋼種。

    提高焊接熱輸入，必須解決焊接熱影響區（HAZ）韌性降低的問題。提高 HAZ 韌性的方法包括采用低碳當量的合金設計、細化 HAZ 晶粒尺寸及改善 HAZ 晶內組織。

    油船貨油艙用耐腐蝕鋼

 

    隨著深海開發和遠洋航運的發展，對船板及海洋結構的耐腐蝕性提出了越來越高的要求，包括耐大氣腐蝕、耐海水腐蝕以及耐原油腐蝕。其中，油船貨油艙耐蝕鋼是近十年來國際上研究開發的重點。

    油船是國際間原油運輸的重要工具，其貨油艙主要采用耐蝕性較差的 AH32、AH36 鋼板，采用涂層方式進行腐蝕防護。對于涂層保護形式，需定期進行涂層維護，耗費高、工期長，且施工環境惡劣。2010 年，國際海事組織（IMO）將使用耐蝕鋼認定為保護涂層的可替代方案，2013 年，IMO 船用耐蝕鋼性能標準正式實施。

    此外，為了提高海洋結構物的壽命，需要開發耐海水腐性能的試驗方法主要有日本船級社提出的 ESSO 試驗和雙重拉伸試驗。

 

    蝕性以及耐海洋微生物腐蝕性良好的鋼板，特別是在南海海域高濕熱、強輻射、高 Cl - 海洋環境中。

    高止裂韌性船用鋼板

 

    大型集裝箱船普遍采用高強度和大厚度的鋼板，大厚度使得鋼板的受力狀態發生改變，抗開裂性能下降，一旦在極厚板中出現裂紋，該裂紋將會沿著焊縫不斷傳播，即使進入母材，裂紋也不會停止擴散。為保證船體結構的安全可靠，對材料的止裂性能提出了更高的要求。 目前評價船用鋼止裂性能的試驗方法主要有日本船級社提出的 ESSO 試驗和雙重拉伸試驗。

 

    海洋平臺特厚齒條鋼

 

    隨著海洋石油工業的深入開展和鉆采難度的加大，自升式鉆井平臺用齒條鋼提出了大厚度、高強度、高韌性的發展需求，這類產品一般使用調質熱處理狀態交貨。但是，隨著齒條鋼厚度的增加，截面厚度方向上組織、性能差異增大，提高特厚齒條鋼的淬透性成為這類產品開發的難點。

 

 

    船舶與海工用特種鋼是海洋結構物建造中的關鍵材料，目前國內還大量進口，是國內造船行業急需的鋼材。推進我國高技術船舶與海洋工業的發展，大量關鍵技術需要突破，核心問題之一就是船舶與海工用特種鋼的推廣與應用，需要冶金企業與造船業共同努力，早日實現多品種、多規格的工業化供貨。

 

07 我國船舶與海工用特種鋼將如何發展

 

    船舶和海工是海洋鋼結構物的兩大體系，其建造都需要大量的鋼鐵產品，鋼材占其建造成本的 20%~30%，船體用鋼量占其總質量的 60%。目前，我國船舶與海工用鋼已能滿足國內市場的大部分需求，但部分高級別的特種鋼材仍大量依賴進口。特殊用鋼主要指具有高強度、大厚度、抗層狀撕裂、大熱輸入焊接、耐腐蝕、超低溫韌性、高止裂性能的鋼板，其生產工藝嚴格，對設備穩定性要求高，開發難度大。

    本文將在介紹普通船舶及海工用鋼的基礎上，對國內特殊鋼的發展現狀及性能特點進行論述。

 

    1. 我國船舶與海工用鋼的發展現狀

 

    船舶用鋼主要是船體結構用鋼板，經過多年的發展，我國已經建立了比較完備的船舶與海工用鋼體系，并以相關規范及國家標準的形式頒布，主要包括 CCS 船級社規范和 GB712《船舶及海洋工程用鋼》，鋼級涵蓋了早期大型船體采用的一般強度鋼和現在海工設備常采用的焊接結構用超高強度鋼，如表 1 所示。

    由于船舶與海工用鋼需要取得船級社的認證才能生產使用，雖然船級社標準中涵蓋了這 40 個鋼級，但不同的鋼鐵企業通過認證的級別不同，如表 2 所示。

    海工用鋼由于其特殊性，用戶在建造海洋平臺時，除采用船標外，還采用 ASTM 標準、API 以及 EN 規范。例如，A517Q、A514Q 經常用于制造自升式海洋平臺樁腿，EN10025鋼及 API 2W、2Y、2Z 鋼在海洋結構及海洋風電中應用廣泛。

 

 

    2. 船舶與海工用特種鋼板的開發及性能特點

 

    （1）液化氣體運輸船用低溫鋼。液化氣作為一種天然資源，地區間分布不均，國際間運輸主要通過液化氣體專用運輸船進行，包括 LPG 船和 LNG 船。CCS《材料與焊接規范》規定了建造液化氣體運輸船的液貨艙及其相鄰船體結構用的低溫韌性鋼。包括使用溫度在 -55℃以上的 C-Mn 鋼和使用溫度在 -60 ～ -196℃的 Ni 合金鋼，其中 9Ni 鋼是建造自撐式 LNG船儲罐最主要的鋼種，國內的鞍鋼、南鋼、太鋼、寶鋼都具備了生產能力，南鋼生產的船用 9Ni 鋼板通過了多家船級社的認證。

    另一個重要的低溫用鋼是 LNG 船用 Invar 合金，Invar 合金薄帶是薄膜型 LNG 船的必備材料，應用于貨艙圍護系統。Invar合金 wNi=36%，熱膨脹系數極低，能在很寬的溫度范圍內保持固定尺寸，適合常溫至 -163℃的溫度變化。由于我國滬東中華、大連船廠都接受了多艘 LNG 船訂單，所以對 Invar 合金的國產化提出了迫切需求。

    （2）大熱輸入焊接用船板的開發 焊接是船體制造的關鍵環節，約占船舶制造成本的17%。隨著船板厚度規格的增加，開發具有高焊接熱輸入適應性的鋼板以提高焊接效率成為船體建造需重點解決的問題。大熱輸入焊接用鋼是指焊接熱輸入在 400kJ/cm 以上的鋼種。

    提高焊接熱輸入，必須解決焊接熱影響區（HAZ）韌性降低的問題。提高 HAZ 韌性的方法包括采用低碳當量的合金設計、細化 HAZ 晶粒尺寸及改善 HAZ 晶內組織。TiN 粒子在焊接過程中能阻礙奧氏體晶粒長大，因此被首先應用于大熱輸入焊接技術。但隨著焊接熱輸入的提高，TiN 粒子會發生粗化、重熔，失去對奧氏體晶粒長大的抑制作用。若使焊接熱輸入達到 400kJ/cm，需采用氧化物冶金技術，通過 Ti-O、Mg-O、Ti-B 等處理技術，利用鋼液中形成的氧化物質點阻止焊接熱循環過程奧氏體晶粒的長大，促進晶內針狀鐵素體的形核，從而細化 HAZ 組織，改善其韌性。

    CCS《材料與焊接規范》規定了適應高熱輸入焊接的船體結構鋼，在某一等級船舶與海工用鋼的基礎上，經過化學成分的少量調整，獲得高的焊接熱輸入。除了要滿足母級鋼的全部性能要求外，還要求距熔合線 5mm 和 10mm 兩處熱影響區的沖擊試驗。

    （3）耐蝕鋼。隨著深海開發和遠洋航運的發展，對船板及海洋結構的耐腐蝕性提出了越來越高的要求，包括耐大氣腐蝕、耐海水腐蝕以及耐原油腐蝕。其中，油船貨油艙耐蝕鋼是近十年來國際上研究開發的重點。

    油船是國際間原油運輸的重要工具，其貨油艙主要采用耐蝕性較差的 AH32、AH36 鋼板，采用涂層方式進行腐蝕防護。對于涂層保護形式，需定期進行涂層維護，耗費高、工期長，且施工環境惡劣。2010 年，國際海事組織（IMO）將使用耐蝕鋼認定為保護涂層的可替代方案，2013 年，IMO 船用耐蝕鋼性能標準正式實施。在工信部的組織下，我國寶鋼、鞍鋼等企業開展了基于 IMO 標準的船用耐蝕鋼應用技術研究。目前，已基本完成了 E36 級別耐蝕鋼及相關焊材的開發。鞍鋼鋼板已經申報船級社認證，并向 3.8 萬 t 級大慶 435 油輪示范改裝船貨油艙內底板和上甲板供貨 1000 多 t。

    此外，為了提高海洋結構物的壽命，需要開發耐海水腐蝕性以及耐海洋微生物腐蝕性良好的鋼板，特別是在南海海域高濕熱、強輻射、高 Cl - 海洋環境中。我國耐海水腐蝕鋼已經過了多年發展，開發了 Cr-Mo-Al、Cr-Cu-Mo 等多種成分體系的耐海水腐蝕鋼，但一般都應用于近海。如寶鋼開發的 Q345C—NHY3 向東海洋山深水港碼頭供貨 30 萬 t 以上。其他鋼種，如 10Cr2MoAl Ｒ E、08PV Ｒ E、09MnCuPTi、0MnPNbＲ E、10NiCuAs、10CrMoAl 等已通過鑒定，但尚未推廣，在大型固定式和移動式海洋結構件上應用較少。

    （4）高止裂性能鋼板 大型集裝箱船普遍采用高強度和大厚度的鋼板，大厚度使得鋼板的受力狀態發生改變，抗開裂性能下降，一旦在極厚板中出現裂紋，該裂紋將會沿著焊縫不斷傳播，即使進入母材，裂紋也不會停止擴散。為保證船體結構的安全可靠，對材料的止裂性能提出了更高的要求。

    目前評價船用鋼止裂性能的試驗方法主要有 ESSO 試驗和雙重拉伸試驗。日本船級社提出采用梯度溫度型 ESSO 試驗方法測定止裂韌性 Kca 作為止裂性能表征參量，并提出了相應的技術指標值，要求 -10℃的止裂韌性 Kca ≥ 6000N/mm 3/2 。國內，七二五所采用雙重拉伸試驗方法為寶鋼提供了 EH47 鋼止裂性能試驗報告，已通過了法國船級社的審核，雙重拉伸試驗也被編入了 CCS《船用高強度超厚板應用指南》。2014年1月國際船級社協會（IACS）“統一要求”正式生效后，寶鋼、沙鋼先后與七二五研究所簽訂了 EH47 鋼 80mm 厚板止裂性能檢測及相關技術服務合同。

    （5）海洋平臺用超高強度鋼在開發海洋油氣資源，建造海洋平臺的過程中，為了減輕平臺自重，提高平臺安全性，超高強鋼的應用越來越普遍，且強度也越來越高。在自升式平臺及半潛式平臺的建造中，超高強鋼的使用量越來越大。

    自升式平臺具有用鋼量少、造價低及效率高等優點，在近海開發中發揮了巨大作用。升降系統是自升式平臺的關鍵技術，多采用齒輪齒條的升降方式。隨著平臺工作水深的增加，齒條鋼的厚度不斷增大，性能要求也越來越嚴格。齒條是樁腿的核心部件，樁腿所承受的各種載荷最終都會直接或間接的作用在齒條上，因此齒條材料必須具有較高的強度和韌性，齒條及半圓板用鋼主要采用 ASTM 標準中的 A517Q/A514Q。A517Q 屈服強度為 690MPa，要求 -40℃低溫沖擊韌性。其厚度一般在 150mm 以上，具有沖擊韌性高、抗層狀撕裂好、耐海水腐蝕等優異性能。目前舞鋼、寶鋼都具有供貨實績。

    此外，在我國第六代深水半潛式鉆進平臺海洋石油 981 平臺的建造中，局部采用 36mm 以上 56kg 及 70kg 級超高強度鋼EQ56/EQ70，共 200t，全部從國外進口。目前，寶鋼等已能夠生產EQ70鋼種，且向振華重工、招商局重工等300～400ft（英尺）（1ft=304.8mm）自升式海洋平臺供貨。

    3. 船舶與海工用鋼板的加工難點

 

    對于船舶與海工用鋼，其加工重點及難點都在焊接成形方面。焊接的難易及焊接質量的好壞，決定了海洋鋼結構物的最終使用性能。此外，鋼板在切割過程中也容易形成裂紋，需加以注意。

    （1）超高強鋼焊接。隨著強度級別的提高，碳及合金元素加入量增大，容易引起焊接熱影響區的脆化和形成冷熱裂紋。此外，焊接接頭熱影響區軟化也是細晶粒鋼焊接時普遍存在的問題，因此解決高強度船體結構鋼的焊接成形問題，已經成為高強度船板鋼是否能得到有效應用的關鍵。

    A517Q 屬于船舶與海工用鋼中強度級別最高的鋼種，目前國內多家鋼廠已通過了船級社認證且有了生產實績。作為齒條板制造材料，A517Q 必須具有較高的強度和韌性和焊接性。A517Q 的碳當量及冷裂紋敏感性系數較高，焊接性較差，具有較大的淬硬傾向，易產生冷裂紋。在船級社認證過程，需對母材進行焊接性能試驗。為了獲得強度、塑性及韌性的最佳匹配，焊接過程中應綜合采用焊前預熱、最佳熱輸入控制、焊后緩冷、層間溫度控制等措施。

    （2）大熱輸入焊接技術 作為船舶建造中最長的工序，焊接效率的高低決定了船舶建造的成本和交貨周期。為了提高焊接效率，需提高焊接熱輸入。目前船廠多采用多絲埋弧焊、氣電立焊、電渣焊等高效焊接方法，與傳統焊條電弧焊相比，焊接效率可以提高 10 倍以上。船級社規定，焊接熱輸入超過 50kJ/cm 即為大熱輸入焊接。對于船板，厚度規格達到 80mm，很多情況下要求一次焊接成形，焊接熱輸入可達到500kJ/cm。對于該工藝，關鍵是采用具有大熱輸入焊接適應性的鋼板，此外，還應開發相應的焊材，采用適當的焊接方法。

    （3）特厚板切割技術 海洋平臺樁腿用鋼主要采用690MPa 級別的 Z 向鋼，最大厚度可達到 210mm。高強度、大厚度板材的切割是一個復雜的熱加工過程。目前，厚度＞100mm 的高強鋼板主要采用氧乙炔氣體切割。切割后的邊隨著鋼板的自然冷卻會產生收縮應力，嚴重時將產生較復雜的變形，甚至產生裂紋。另一方面，作為焊接生產的前工序，切割引起的殘余應力和應變將直接影響焊接裝配的質量。

    以自升式平臺齒條用鋼為例，A517Q 厚板經切割后可直接應用于升降齒條，無需再加工，為此對切割技術提出了極高的要求。切割過程要保證切割表面的光潔性，同時還要防止鋼板的變形，為此需要采用合適的切割工藝和技術，如采用雙頭對稱的切割技術等。此外，可以在切割前對大厚度鋼板進行預熱以清除鋼板表面水分。

    4. 船舶與海工用特種鋼材的應用前景

 

    21 世紀是海洋的世紀，隨著世界經濟的發展，不論是海洋運輸還是海洋資源開發都將進入高速發展期，由此帶動船舶與海洋工程制造的快速增長。船舶的大型化、海洋資源開發的深海化，將大量采用具有特殊性能的船舶與海工用鋼。

    在船舶方面，隨著人類環保意識的提高，清潔能源如石油氣和天然氣在能源消耗方面的比重將逐漸提升，液化石油氣和液化天然氣在國際上的運輸將變得更加頻繁，催生 LPG船與 LNG 船的大量應用，這就需要大量低溫鋼，如 9Ni 鋼和Invar 合金等。原油輪，貨油艙耐腐蝕板用鋼量占到總用鋼量的 40% ～ 45%，以建造一艘 30 萬 t 級超大型油輪為例，船體結構總用鋼量近 4 萬 t，其中貨油艙部分用鋼量約 1.7 萬 t，占整個船體結構總用鋼量的 42%，耐原油腐蝕鋼板具有巨大的市場需求。對于高止裂船板，在集裝箱船方面，主要應用于艙口圍欄；對于散貨船，可應用于艙口蓋和甲板裝置，以及有側肋骨的船側板；對于油輪，可應用于船舷側板，船底側板。目前，多家船級社標準已對船板的止裂性能提出要求。

    未來幾年，在海工方面我國將有 30 多個油氣田待開發，需建造 70 多座平臺，300ft 自升式平臺，每座平臺需 EQ70鋼 950 ～ 1050t，400ft 自 升 式 平 臺， 每 座 平 臺 需 EQ70 鋼2300 ～ 2400t，特殊高強度鋼的需求量在 10 萬 t 以上。

    5. 結語

 

    本文總結了船舶與海工用特種鋼的發展現狀，分析了此類鋼的性能特點、加工難點以及應用前景。船舶與海工用特種鋼是海洋結構物建造中的關鍵材料，目前國內還大量進口，是國內造船行業急需的鋼材。推進我國高技術船舶與海洋工業的發展，大量關鍵技術需要突破，核心問題之一就是船舶與海工用特種鋼的推廣與應用，需要冶金企業與造船業共同努力，早日實現多品種、多規格的工業化供貨。

 

（來源：作者：蘆曉輝、高珊、張才毅，寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院）

 

08 一文了解鋼結構用主要鋼材

 

    鋼結構用主要鋼材

 

    鋼廠開發了各種各樣的鋼材，廣泛應用于鋼結構。所開發和應用的鋼材特征用一句話來說，就是鋼材的“多樣性”。第一特征是“強度的多樣性”，鋼材的強度范圍涵蓋了從超高強度到極低強度的各種鋼材；第二特征是“功能的多樣性”。開發了焊接性、韌性尤其是耐蝕性和變形能力高的各種鋼材。低屈強比、窄屈服點范圍和高耐火性是日本獨自設定的性能要求，一部分已被歐美標準采用；第三特征是與鋼材產品形狀有關的特征，在這里稱為“斷面的多樣性”。采用熱軋法可以生產大斷面材、極厚材和非對稱斷面材等，不僅可以為用戶提供形狀自由度高的鋼材產品，而且可以為用戶提供各種尺寸規格的鋼材產品。

    1 有助于鋼結構大型化的高強度厚鋼板

 

    在橋梁用鋼方面，將數個橫梁并排構成的桁架橋（板梁）的建造，加快了鋼材高強度化的發展。在 1950 年代使用了抗拉強度為500N/mm 2 級的厚鋼板，在 1960 年代使用了抗拉強度為 600N/mm 2 級的厚鋼板。其后，橋梁的大跨度化為桁架橋和吊橋等結構形式的創新起了重要作用。到了 1960 年代后期，厚鋼板的抗拉強度達到了 800N/mm 2 。當時的高強度鋼都是一些含 Ni、Mn 和 Cr等合金元素較多的鋼材。雖然這些鋼材的強度高，但焊接性是一個問題。為解決這一問題，日本在 1998 年完工的明石海峽大橋中，開發了低預熱型 800N/mm 2 級鋼作為加勁梁用鋼。該鋼種通過將當時作為最新的 TMCP 技術和析出強化技術進行組合后，可提高鋼材的焊接性，成功地將以往的預熱溫度由 100℃以上降到了 50℃左右。

    自 1990 年代以來，高強度鋼在建筑物的應用取得了進展。1993 年抗拉強度為 600N/mm 2 級鋼在橫濱陸上燈塔的應用就是一個代表例。自 2000 年以來，被稱作阻尼器的抗震裝置（制振結構）得到了普及應用，它可吸收建筑物因地震而產生的振動能量，減輕建筑物的柱和梁的損壞程度。雖然高強度鋼在建筑物的應用時間比橋梁的晚，但隨著新抗震設計法和建筑物新結構形式的實施，目前，超高強度厚鋼板在建筑物的應用已超過在橋梁上的應用。

    2 世界最長吊橋鋼纜用超高強度鋼絲

 

    一般說來，高強度鋼絲的碳含量提高到 0.8% 后，會形成由硬質相和軟質相構成的珠光體組織，研究發現，添加Si 和 Cr 可以抑制碳的擴散，防止滲碳體出現破碎。在明石海峽大橋用鋼絲的生產中，由于 Cr 會降低熱處理的作業效率，因此，最終采取的是添加 Si 提高強度的辦法。由于目前還可能生產抗拉強度超過 2000N/mm 2 級的鋼絲，因此，它有望應用于世界正在計劃的長大橋中（例如，挪威的松恩峽灣大橋等）。

    3 解決氫脆化問題的建筑用超高強度螺栓

 

    日本從 1950 年代開始，將高強度螺栓應用于橋梁和建筑物。初期的高強度螺栓的抗拉強度為 600-800N/mm 2級，1964 年日本首次制定了高強度螺栓的工業標準，促進了高強度螺栓的普及應用。在 1964 年的日本工業標準中，列出了抗拉強度為 700、900、1100 和1300N/mm 2 級的 4 種螺栓的工業標準。1300N/mm 2 級的螺栓在使用后，會馬上出現氫脆化問題（延遲斷裂），因此，在 1967 年的標準修訂中，只列出了800、1000 和 1100N/mm 2 級的 3 種螺栓的工業標準。其后，在 1100N/mm 2 級的螺栓中，也偶爾出現了氫脆化問題，因 此， 在 1979 年 以 后， 只 有 1000N/mm 2 級（F10T）的螺栓標準，螺栓的高強度化因氫脆化問題而停滯了大約 20年。

    1999 年由于解決了建筑用高強度螺栓氫脆化的問題，一舉將高強度螺栓由以往的 1000N/mm 2 級提高到 1400N/mm 2 級（F14T）。超高強度螺栓經包括海水試驗在內的裸露試驗，已確認其具有穩定的抗氫脆化性能，目前已應用于建筑物達 10 多年，為鋼結構部件的簡單化和省力化做出了巨大貢獻。

    4 滿足多種性能要求的橋梁用高性能厚鋼板

 

    雖然在 1960 年代，高強度鋼（抗拉強度 800N/mm 2 級）在橋梁的應用取得了快速發展，但由于為了確保淬火性而添加了很多的 C 和 B，因此，導致高強度鋼容易發生低溫裂紋等焊接性問題。為解決這一問題，開發了低預熱型800N/mm 2 級鋼（厚鋼板）。由于該鋼板可將焊接預熱溫度降低到原來的一半以下（50℃），因此，為提高橋梁的建設速度做出了貢獻。

    日 本 于 1994 年 開 始， 進 行 了 有關 橋 梁 用 高 性 能 鋼 的 研 究。2008 年SBHS500 和 SBHS700（數值表示屈服強度）已列入新型鋼材標準（JIS G3140-SBHS），2011 年又追加了 SBHS400。美國和韓國也已制定了橋梁用高性能厚鋼板的標準，但日本的 SBHS 鋼的屈服強度保證值比其他國家的都高。

    5 新抗震設計法對建筑用抗震鋼材的要求

 

    自 1980 年代以來，新建筑結構用鋼材得到了大力開發和應用。以“新抗震設計法”的實施為契機，1981 年建筑物的設計發生了巨大變化，由彈性設計變為塑性設計。開發了 SN 鋼和 SA440 鋼等抗震用鋼材（厚鋼板和型鋼）。這些新抗震用鋼材的主要特征是，不僅鋼材的韌性值和板厚方向的斷面收縮率都達到了橋梁用鋼材的標準，而且屈強比（屈服強度與抗拉強度之比）的上限值和屈服強度的上下限范圍也在規定范圍內。

    屈強比是表示影響鋼構件塑性變形能力的指標。也就是說，屈強比YP越低，塑性區域就越大，變形能力越高。SN 鋼和 SA440 鋼（抗拉強度為 400-600N/mm 2 級）為低屈服強度比鋼材，它以硬質相和軟質相的雙相組織為基礎，通過組織控制和晶粒度控制可獲得必要的強度和屈強比。

    另一方面，屈服強度的上下限范圍是影響整個框架變形能力的性能指標。SN 鋼和 SA440 鋼的屈服強度上下限范圍規定在 100-200N/mm 2 。通過嚴格控制生產工藝中的溫度軋制條件，就可控制材料的屈服強度的上下限值。不論是屈強比和韌性值，日本的標準都是最嚴格的。歐洲的材料標準和設計標準沒有對屈強比的上限做出規定，因此有待于進一步研究。

    6 鋼材斷裂的控制技術和高HAZ 韌性鋼

 

    1995 年日本兵庫縣南部地震的特征之一是鋼材是從焊接部發生斷裂。當時使用的是 SN 鋼，無法保證 HAZ 韌性。為確保 HAZ 韌性，有效的辦法是通過控制晶粒因 Ti 和 TiO 2 等氮化物和氧化物而出現生長（釘扎效應），并利用晶粒內的細化作用（晶粒內鐵素體的相變），實現晶粒細化。為使晶粒細化，開發了能夠有效抑制 HAZ 部附近晶粒生長的技術。該技術采用的是將含有 Mg 和 Ca 且粒度為數 10nm- 數 100nm 的極細氧化物和硫化物在鋼中彌散的技術來控制晶粒的生長。另外，還開發了微量添加 B等合金來控制晶內組織的技術，并提出了各種控制 HAZ 部組織的技術。通過這些研究，開發了高 HAZ 韌性鋼，即使在焊接線能量為 100kJ/mm 的情況下，也能確保在 0℃時，具有 70J 以上的 HAZ韌性。目前，這種高 HAZ 韌性鋼已廣泛用作高層建筑的柱子用鋼材。

    7 有助于降低壽命周期成本的耐候性鋼和耐蝕鋼

 

    目前，新建橋梁的 20%-25% 采用了 JIS 耐候鋼（SMA），它可在無涂裝情況下，確保長久的耐用性，為降低壽命周期成本（LCC）做出了貢獻。耐候鋼廣泛應用于橋梁，但在海岸線附近鹽分大的環境下，因不會生成保護性銹，也就無法抑制腐蝕。為解決這一問題，開發了鎳系高耐候性鋼。該鋼的特征是Ni 的添加量為 1%-3%，此外還添加了微量的 Cu、Mo 和 Ti 等合金元素。該鋼于 1998 年首次應用于北陸新干線的橋梁和橋墩。經過15年后的裸露試驗表明，3% 鎳系高耐候性鋼受腐蝕量只有 JIS-SMA 的 2/3，為 0.17mm/100 年。最初開發的高耐候性鋼是 3%Ni-Cu 系，后來由于 Ni 的添加量和添加的合金元素不同，因此，高耐候性鋼有幾種類型，可根據腐蝕環境的不同分別使用。

    為更好地防止海岸線附近鹽分對鋼構產生腐蝕的影響，開發了在鋼構涂裝情況下，可延長重新涂裝周期的鋼材，如 Sn 添加鋼。根據裸露試驗和腐蝕加速試驗的結果可知，Sn 添加鋼的使用壽命比涂裝鋼板的延長 2 倍左右。Sn 添加鋼和耐候性鋼主要是根據鹽分量的不同分別使用。

    除了上述鋼種外，還開發了在添加少量 Cr 和 Al 的低合金耐蝕鋼上涂覆一次性防銹用的無機含鋅粉耐蝕耐熱涂料，使其耐蝕性接近不銹鋼（SUS304）的技術，該鋼材被稱作“ARU-TEN”。

    8 適用于新型建筑結構的高性能鋼（低屈服點鋼和超高強度鋼）

 

    為進一步提高屈曲支撐和制振結構的性能，開發了阻尼器專用的鋼材。開發的鋼材為 LY100 和 LY235。在作為新型建筑結構的制振結構的普及過程中，為減小伴隨巨大地震而產生的風險，從2004 年開始，研究將制振結構和高強度鋼組合的“新型結構裝置”。除了研究幾種類型的制振結構裝置外，還開發了800N/mm 2 級高強度厚鋼板（H-SA700），其抗拉強度為 800N/mm 2 級，屈強比的上限值為 98%，分為焊接用和非焊接用兩種。另外，還開發了抗拉強度為1000N/mm 2 級的超高強度厚鋼板，并在低層建筑進行了試用。該鋼的屈服強度在 880N/mm 2 以上，抗拉強度在 950N/mm 2 以上，屈強比在 98% 以下。另外，為防止該鋼發生焊接裂紋，需要進行焊接預熱，這是一個課題，但可以通過使用軟質接頭予以解決。

    9 世界最早的建筑用高溫強度保證鋼（耐火鋼）

 

    為解決在火災高溫下，鋼材強度會急劇下降的問題，1988 年開發了具有良好高溫強度特性的耐火鋼，并在世界上首次成功應用于立體停車場。作為建筑用耐火鋼的主要特征在于，保證 600℃時的屈服強度是常溫 F 值（材料的設計強度）的 2/3 以上。耐火鋼 NSFR490B的高溫強度比普通焊接結構用鋼材要好，其屈服強度（YP）在 600℃時是常溫設計標準強度的 2/3 以上。使用耐火鋼，不僅可以省略耐火保護層、縮短工期，還可實現鋼結構因沒有耐火保護層而變得輕巧。

    10 大斷面及尺寸自由度高的 H型鋼和鋼板樁

 

    由于在 1980 年代后期，開發了能夠隨意調整 H 型鋼尺寸的軋制新技術，因此 H 型鋼的大型化和尺寸的自由度取得了飛躍發展。例如，根據歐洲（H 型鋼規格）和日本（外部尺寸一定的H型鋼）的梁用 H 型鋼的比較可知，歐洲的各種尺寸的 H 型鋼品種數量為 224 個，而日本超過了 600 個，日本各種尺寸的 H 型鋼品種數量占據了絕對優勢。

    另一方面，地下結構物建設用的鋼板樁也在朝著大斷面和獨特形狀方面進行開發。1931 年日本以國外技術為基礎開始生產鋼板樁，一直使用歐洲的標準生產寬度為 400mm 的 U 形鋼板樁。其后，開發了寬度為 500mm 和 600mm 的 U形鋼板樁。2005 年開發了施工性、可靠性和經濟性高的寬度為 900mm 的帽形鋼板樁。帽形鋼板樁分為高度為 230mm 的10H 和高度為 300mm 的 25H 兩種，其后還開發了高度為 370mm 左右、厚度不同的兩種大型帽形鋼板樁（45H 和 50H）。

    11 其他高性能鋼材（高強度鋼筋和超高強度鋼纖維）

 

    鋼筋混凝土結構不同于鋼結構，廣義上來說它是混凝土和鋼材（鋼筋）的合成體。混凝土是脆性材料，雖然具有抗壓性能，但抗拉性能非常低。為彌補混凝土的缺點，需用鋼筋來解決，這就是鋼筋混凝土。1988 年受國外混凝土高強度化發展的影響，日本啟動了新鋼筋混凝土計劃，開發強度是以往的 2-4 倍的建筑用鋼材。

    隨著大城市超高層住宅建設的不斷發展，根據新鋼筋混凝土計劃開發的高強度混凝土和高強度鋼筋自 1995 年以后得到不斷的應用。目前，混凝土的最高強度達到了 200N/mm 3 、縱向鋼筋強度達到了 685N/mm 3 、橫向鋼筋強度達到了 1275N/mm 3 。

    混凝土的高強度化，尤其是由于150-200N/mm 3 以上的混凝土非常容易發生脆性破壞，因此，在混凝土中混入超高強度的鋼纖維來增強混凝土強度的情況越來越多。這種超高強度鋼纖維，不僅能改善高強度混凝土的變形性能，而且能防止火災時高強度混凝土的爆裂。

    另一方面，作為鋼筋混凝土結構形式之一有預應力混凝土結構（PC）結構。使用高強度 PC 鋼材，可以使混凝土產生預壓縮力，還能提高張力弱的混凝土的性能。這種結構使用的 PC 鋼材的抗拉強度一般為 1860N/mm 3 ，但 2230N/mm 3的鋼材也已應用于實際建筑物。

 

09 軌道交通用鋼情況分析

 

     一、軌道交通用鋼種類及特點分析

 

    1.產品分類

 

    軌道交通包括地鐵、輕軌、有軌電車等城市軌道交通，也包括高速鐵路、普速鐵路等鐵路交通。軌道交通用鋼主要包括線路鋪設用鋼、車輛用鋼，以及橋梁、隧道、車站等基礎建設用鋼、電氣化鐵路用鋼等，鋼材品種種類繁多（表 1）

 

 

    2.特點分析

 

    （1）鋼軌

 

    鋼軌直接承受車輪傳遞的列車及其載荷質量，并引導列車的行進方向。與普通線路相比，客運專線、高速列車及重載列車對鋼軌的安全性要求極為苛刻。鋼軌不僅要承受機車、車輛的壓力，還要承受列車高速運行所帶來的沖擊載荷，因此鋼軌需要具有足夠的強度、硬度、韌性以及良好的焊接性能。通常，按照抗拉輕度鋼軌可以分為普通級鋼軌、耐磨級鋼軌、特級鋼軌 3 個等級。鋼軌質量越重，所能承受的載荷越大，我國主要線路一般鋪設 60kg/m 和 75kg/m 的重型鋼軌。我國高速鐵路用鋼軌主要包括 U71MnG 和 U75VG 材質，通常時速200km/h 以上高速客貨鐵路選用 U71MnG，時速 200 ～ 250km/h 高速客貨鐵路選用 U75VG。

    （2）車輪用鋼

 

    車輪是車輛的主要承載零件，是車輛走行系統的重要組成部分。車輪與輪箍用鋼是采用電爐或轉爐冶煉的鎮靜鋼，根據生產工藝劃分為輾鋼車輪和鑄鋼車輪，一般而言，客車、高速列車等較高端的車輪通常使用輾鋼工藝生產。對于重載列車，輪軌接觸應力大，特別是在在高應力下，輪軌接觸區的面積加大，列車行進時車輪磨損大，容易出現接觸疲勞失效。所以對重載列車車輪用鋼需要更高的耐磨性和抗解除疲勞性能，同時還要考慮抗熱疲勞損傷性能。

    （3）車軸用鋼

 

    車軸是鐵路機車和車輛的重要部件，是車輛走行系統的重要組成部分，如果車軸發生斷裂將會導致列車脫軌。車軸用鋼應具有良好的疲勞強度和抗沖擊性能。我國普通客車和貨車車軸一般采用 LZ50 中碳鋼，機車少量采用 JZ45，基本都是實心車軸；動車組采用中碳合金調制鋼，車軸為空心車軸。

    （4）車體用鋼

 

    車體用鋼主要是車體主梁、車框、內外車廂板等用鋼，鋼材品種主要包括不銹鋼、耐候鋼板、耐候型鋼等，基本要求是高強度、高耐腐蝕性、高焊接性及輕量化。對于鐵路貨車用鋼主要是高強度耐候耐蝕鋼。

    二、軌道用鋼生產企業及發展情況

 

    1.國內重點企業情況

 

    目前我國軌道交通用鋼生產企業主要包括攀鋼集團有限公司（以下簡稱“攀鋼”）、鞍鋼集團公司（以下簡稱“鞍鋼”）、包鋼集團 （ 以下簡稱“包鋼”）、寶鋼集團有限公司（以下簡稱“寶鋼”）、馬鞍山鋼鐵股份有限公司（以下簡稱“馬鋼”）、太原鋼鐵（集團）有限公司（以下簡稱“太鋼”）等鋼鐵企業及以江陰興澄特種鋼鐵有限公司（以下簡稱“興澄特鋼”）、西寧特殊鋼股份有限公司公司（以下簡稱“西寧特鋼”）、大冶特殊鋼股份有限公司（以下簡稱“大冶特鋼”）等為代表的特鋼企業，各企業重點軌道用鋼產品如表 2。

 

    2.重點品種發展情況

 

    （1）鋼軌

 

    目前，我國鋼軌生產企業主要有攀鋼、鞍鋼、包鋼和武鋼等（表 3），其中攀鋼是國內第 1 家能夠生產百米定尺鋼軌的企業，包鋼生產的 U71Mn 和 U75V 鐵路用熱軋鋼軌和武鋼生產的 U71MnG 和 U75VG 高速鐵路用鋼軌均獲得了 2016 年“金杯獎”產品。

 

    “十二五”期間，我國鋼企向中國鐵路供軌約 1389 萬 t，其中，普速鋼軌 69%，高速鋼軌 28.4%，道岔用非對稱斷面鋼軌 2.6%。目前，各鋼企均已具備現代化的鋼軌生產能力，基本滿足國內高速鐵路和重載鐵路對鋼軌的質量需求。與國外相比，我國高速鐵路用鋼軌與國外差距不大，但在重載鐵路用鋼方面仍然存在一定差距。如重載鐵路用鋼軌方面，日本生產的過共析珠光體 SP3 鋼軌，通過熱處理，軌面硬度可達到 450HB，碳含量僅為 0.80%，但國產的過共析鋼軌 U95Cr，通過在線熱處理后，軌面硬度可達到 420HB，但其碳含量大于0.90%。

    （2）車輪

 

    馬鞍山鋼鐵股份有限公司是目前國內最大的車輪生產商，除馬鋼以外，生產車輪的企業還有山西太重車輪廠、中美合資信陽同合車輪有限公司、中美合資大同愛碧璽鑄造有限公司。我國在普通客車、貨車及機車車輪方面，技術水平與國外相差無幾。對于重載列車車輪，我國也已經開發出一系列新材質重載貨車車輪，并且已經投入應用，研發水平已處于世界先進水平之列。但在高速列車車輪的研究和開發方面，我國與國外存在一定差距。目前我國動車組車輪和大功率機車車輪基本依賴進口，全部從日本住友、法國 VALDUNES、德國 BVV、意大利 LUCCHINI 等少數幾個具備高速車輪生產能力的企業進口。

    （3）車軸

 

    普通客車和貨車的車軸主要以實心車軸為主，我國在車軸鋼冶煉潔凈度完全能滿足生產實心車軸的要求，所以在普通客車和貨車車軸生產完全實現國產化。但在重載和高速列車車軸的研究與開發方面，仍然比較落后。目前，我國采用微合金化路線生產出適用于 30t 以上的重載車輛的車軸鋼坯，制造出的車軸已經裝車試運行，效果良好。動車組列車采用空心軸，目前空心軸核心生產技術主要掌握日本等少數發達國家手中。

    （4）車體用鋼

 

    不銹鋼車輛具有耐腐蝕、免維護、安全、輕量化、全壽命周期成本低等特點，隨著綠色、節能、環保、安全等意識的提高，不銹鋼車輛漸成趨勢。特別是隨著輕量化要求越來越高，不銹鋼已經成為車體主要用鋼。2005 年太原鋼鐵集團有限公司就開始為軌道交通提高車體用不銹鋼，經過不斷的鉆研與努力，車體用不銹鋼的國產化率由最初的 100% 依賴進口，到目前僅有少數高耐蝕不銹鋼種需要進口。

    三、軌道交通產業發展及鋼材消費情況

 

    1.軌道交通產業發展現狀

 

    城市軌道交通方面，截至 2015 年底，我國城市軌道交通運營線路網長度達到 3195.4km（圖 1），是 2005 年的 8.2倍，10 年內年均增長 23%。“十二五”期間，我國城市軌道交通運營線路新增 1 724km，同期我國城市軌道運營車輛也從2010年的21 165標臺增至48 165標臺，年均增長18%（圖2）。

    鐵路交通方面，2011-2015 年，我國新增鐵路營運里程逐年保持增長（圖 3）。截至 2015 年底，全國鐵路營業里程12.1 萬 km，其中高鐵運營里程達到 1.9 萬 km。2015 年全國鐵路機車、鐵路客車、鐵路動車組和鐵路貨車擁有量分別為21366 臺、67706 輛、17648 輛和 768516 輛（表 4），其中機車、客車和動車組分別較 2010 年增長了 9.96%、29.88% 和300.36%。

    2.軌道交通用鋼消費情況

 

    城市軌道交通用鋼方面，據統計，城市軌道交通每新增1km，將帶動鋼材消費 5.6 萬 t，鋼軌消費 260t。照此估算，“十二五”期間我國城市軌道交通拉動鋼材消費近 1 億 t，軌道用鋼 40 多萬 t，年均消費鋼材 2000 萬 t 左右（圖 4）。

 

    總體來看，“十二五”期間，我國城市軌道交通和鐵路交通共帶動鋼材消費 2.06 億 t，年均消費鋼材超過 4100 萬 t。

 

 

    四、軌道交通用鋼的未來發展趨勢

 

    1.未來需求預測

 

    “十三五”期間，我國鐵路建設和城市軌道交通將繼續保持快速發展。鐵路建設方面，到 2020 年，我國鐵路網規模將達到 15 萬 km（其中高速鐵路 3 萬 km），預計每年拉動鋼材消費 2300 萬 t，“十三五”期間預計拉動鋼材消費 1.15 億t 左右。城市軌道交通方面，“十三五”期間我國城市軌道交通建成投運線路將超過 3000km，年均新增營運里程 600km 以上，預計“十三五”期間將帶動鋼材消費 1.68 億 t，鋼軌消費 79 萬 t；平均每年拉動鋼材消費 3300 萬 t 以上，鋼軌消費16 萬 t 左右。綜合來看，“十三五”期間，我國軌道交通用鋼 5600 萬 t 左右。

    2.重點發展方向

 

    鋼軌：隨著我國軌道交通向高速、重載方向發展，對鋼軌的斷面、鋼種、鋼的純凈度、外觀平直度以及鋼軌表面質量、尺寸精度等各方面要求更加嚴格，今后應將高速重載輪軌用鋼作為重點發展方向。

    輪軸：已經進入試用的重載輪軸，加快推進國產替代的速度；對尚未擁有生產技術能力的高速輪軸要加大研發力度，突破鋼種成分優化、強韌性匹配、抗剝離性能、接觸疲勞性能批量生產及檢測技術，早日改變我國在高速輪軸進口依賴的被動局面。

    車體用鋼：鑒于不銹鋼車體的免維護、綠色、節能、環保、全壽命周期成本低及輕量化等優勢特點，積極推進不銹鋼車體的研發設計，特別是加強高耐蝕鋼和耐候鋼的技術研發，大力促進不銹鋼在車輛制造中的應用。

    來源：工業和信息化部賽迪智庫原材料工業研究所

 

深海裝備微生物腐蝕研究現狀及發展趨勢

 

文 | 趙文靜 江錦波 孟祥鎧 金杰 彭旭東 浙江工業大學機械工程學院

 

隨著科技和經濟的迅速發展 , 海洋經濟已成為 21 世紀全球經濟新的增長點 , 海洋領域的研究越來越多 , 尤其是深海領域 , 逐漸成為各國研究和競爭的熱點 , 人類開始進入開發和利用深海海洋資源的新時代。開發利用深海海洋資源 , 深海裝備的腐蝕問題不容忽視。

深海裝備由于腐蝕問題而導致結構破壞或材料失效的問題中 , 深海微生物腐蝕（MIC） 約占問題總量的 70% 到 80%, 且與微生物相關的腐蝕失效和破壞已達到涉海材料總量的 20%, 每年因微生物引起的腐蝕損失至少為 30 億美元 , 因此 ,深海裝備微生物腐蝕的研究對于海洋資源和深海裝備的開發利用具有現實意義 , 已成為一個廣泛關注的問題 , 是今后腐蝕學科的重點研究問題之一。最早Garret 報道了海洋微生物參與金屬腐蝕的有關研究 , 后續研究者開展了大量工作 , 為 MIC 的研究奠定了基礎。20 世紀 60 年代后 , 對 MIC 的腐蝕機理進行了廣泛研究 , 有關非金屬和金屬材料在不同環境下的MIC研究也開始不斷增多。

然而 , 國內外對深海裝備微生物腐蝕行為和腐蝕機制研究的公開報道較少 , 且研究技術和方法也存在很多不足和不確定因素 , 開展相關研究 , 探索其在深海環境中的腐蝕規律和防護方法 , 并建立其腐蝕數據庫 , 不僅具有重要的應用價值 , 而且為深海裝備的研發設計及其性能改善提供了強有力的支持。本文綜述了深海裝備微生物腐蝕的研究進展 , 主要從微生物腐蝕機制、腐蝕因素、研究方法和防護措施這幾個方面展開分析和討論 , 并對深海裝備微生物腐蝕研究的發展趨勢進行了展望。

1 深海裝備微生物腐蝕機制

 

深海環境是一種高參數 （ 高壓、低溫、高溫 （ 火山口和熱液區 ））、無光合作用的生存環境 , 含有大量耐酸 （pH 值<3）、耐堿 （pH 值 >10）、耐鹽 （ 鹽度>25mo1/L）、耐高溫 （120℃以上 ）、耐低溫 （<0℃ ）、耐壓 （>50MPa） 等微生物群落。微生物腐蝕不是指其自身能夠侵蝕金屬或結構 , 而是其生命活動的結果直接或間接地影響腐蝕過程。深海環境惡劣 , 不同微生物各自的新陳代謝和發展機制都不同 , 并且深海裝備材料的腐蝕行為與腐蝕機制也有所不同 , 同時深海微生物不易培養 , 試驗難度大 , 因此目前有關深海微生物腐蝕機制的研究不多。常見的深海微生物對深海裝備腐蝕的影響機制主要有氧濃差電池機制、新陳代謝過程及產物腐蝕機制、去極化機制、陽極區固定機制、金屬沉積菌作用腐蝕機制等。

在深海環境中 , 微生物中某些大分子物質首先附著在深海裝備材料表面 ,然后才有微生物的吸附、代謝和繁殖 ,生成微生物膜 , 阻礙氧氣向外擴散。在深海環境多種因素影響下 , 微生物膜的分布不是均勻完整的 , 而且微生物膜下材料表面會出現不均勻的物理和化學變化 , 使得微生物膜下材料表面空氣難以到達的區域形成陽極 , 其周圍空白區域或是微生物較少區域則形成陰極 , 致使氧濃差電池機制形成。氧濃差電池腐蝕機制是由多個因素相互作用、相互影響而形成的 , 處于一種動態變化體系之中 , 并非某個因素單獨作用而成。

深海微生物個體的新陳代謝活動會影響深海裝備金屬腐蝕過程。一方面 ,改變微觀腐蝕機制。微生物新陳代謝會影響腐蝕的電化學過程 , 若微生物膜內呼吸活動的好氧速率大于氧的擴散速率 , 那么微生物膜與裝備金屬界面處缺氧 , 陰極腐蝕機制相應發生變化 , 反應過程可能轉而消耗水或是厭氧微生物所產生的 H 2 S。附著在深海裝備表面的微生物膜通常結構復雜、分布不均 , 雖然在某種意義上降低了均勻腐蝕速率 , 但加劇了局部腐蝕。另一方面 , 微生物代謝產物可能具有腐蝕性 , 加劇深海裝備金屬腐蝕過程。微生物的新陳代謝過程會產生一些具有腐蝕性的代謝產物 , 多以各種有機酸 （ 多是短鏈的脂肪酸 , 如醋酸 ） 或無機酸的形式存在 , 對腐蝕產生明顯促進作用 , 還會產生非常強的硫化物等產物 , 加劇局部腐蝕。

局部厭氧菌微生物的新陳代謝活動能夠產生破壞性極強的硫化物等產物 , 使深海裝備結構腐蝕加劇。在深海環境下 , 微生物腐蝕主要是硫酸鹽還原菌 SRB 腐蝕 , 它是一類廣泛存在于海水中的厭氧菌 , 對碳鋼、不銹鋼、銅鎳合金等多種金屬都會造成局部腐蝕。

Castaneda 等研究了人造海水中 SRB 對碳鋼的腐蝕行為 , 發現表面覆蓋有 SRB 膜后 , 局部腐蝕速率提升 , 但是膜的不均勻性造成腐蝕活性位點放大 ;Duan 的研究表明 , 不銹鋼覆蓋有 SRB 膜時 , 增大了局部腐蝕 ;Rao 等研究了 SRB 對鈦金屬的腐蝕 , 發現它可以破壞金屬表面的鈍化膜 , 使金屬表面出現局部蝕坑 ;Shalaby 等報道了銅鎳合金在 SRB 存在條件下出現局部腐蝕。但是對 SRB 腐蝕機制的解釋卻不統一 , 主要有氫化酶陰極去極化機制、代謝產物去極化機制、化合物去極化機制、硫鐵化合物和氫化酶去極化機制等。常見的主要去極化劑有硫化氫 H 2 S、硫化鐵 FeS、磷化物等。

Kühr 和 VanderVlugt 首先提出了去極化機制 , 是關于氫化酶陰極去極化作用 , 認為 SRB 含有一種氫化酶 , 可以利用陰極產生的氫將硫酸鹽還原成 H 2 S, 從而在腐蝕過程中發揮陰極去極化作用 ,加速腐蝕。代謝產物去極化機制一般有硫化氫和硫化亞鐵去極化機制兩種。厭氧條件下 , 腐蝕速度會由于硫化氫的產生而加快 , 同時生成的硫化亞鐵也會加速陽極反應。King 等的研究指出 , 微生物代謝產物中所含有的較高濃度的二價鐵離子會對厭氧微生物引起的低碳鋼腐蝕行為和腐蝕過程起促進作用。Iverson等也提出了化合物去極化機制 , 認為SRB 在厭氧環境下會產生磷化合物的代謝產物 , 然后與基體鐵反應生成磷化鐵, 引起腐蝕。Little 等通過采用雙區生物電池技術也發現了氫化酶的類似作用。

另外 ,Miller 等提出了硫鐵化合物和氫化酶同時去極化機制 , 認為 SRB 造成的腐蝕行為不僅是硫化氫作用所致 , 還與氫化酶的活性及其代謝產物有關。后來 ,又有研究者提出陽極區固定機制 , 認為微生物作用形成腐蝕電池 , 而大多數細菌 （ 通常以菌落形式生長 ） 都聚集在由細菌引起的腐蝕坑周圍 , 使陽極區固定 , 造就了微生物腐蝕多以點蝕為主要存在方式。在深海無氧或低含氧的環境下可大量繁殖生長的 SRB, 其明顯加速深海裝備結構和材料的腐蝕 , 使深海航行裝備、管線等發生局部腐蝕穿孔的現象 , 造成極大的損失。防止 SRB 帶來的微生物腐蝕是一項開發深海資源迫切需要解決的問題 , 已成為生物科學和腐蝕科學共同關注的熱點問題。

近年來，金屬沉積菌（Metal DepositionBacteria） 致使的微生物腐蝕問題引起了研究者的廣泛關注。Dickisen 等提出了關于細菌沉積金屬氧化物的觀點 , 認為球衣菌屬、鐵細菌屬、纖毛菌屬加速了金屬的氧化 , 都是一些常見導致微生物腐蝕的鐵氧化類屬。天然海水金屬沉積菌生物膜可以改變金屬 / 生物膜界面環境 , 加速易鈍化金屬 （ 鋁、鎳基合金及不銹鋼等 ） 腐蝕。

2 影響深海裝備微生物腐蝕的環境因素深海環境的特殊性和復雜性對微生物腐蝕過程具有重要影響作用。環境因素作用不同 , 微生物腐蝕過程也有所不同。影響深海微生物腐蝕過程的環境因素主要有鹽度、pH 值、流速、壓力、溫度等。

首先 , 深海環境中海水鹽度約為3.5%, 變化范圍小 , 在整個深海環境下對裝備結構的腐蝕可以視為一個常量。

鹽度對裝備結構材料的腐蝕行為主要來源于氯離子的作用。如果海水鹽度小于 3%, 則腐蝕速率會隨鹽度的增加而加快 ; 若鹽度大于 3.5%, 腐蝕速率則明顯下降。其次 ,pH 值是電化學腐蝕過程的重要影響因素。深海環境的 pH 值相對穩定 , 一般位于 7.4~8.2 之間 , 對多數金屬和合金的腐蝕過程沒有顯著影響 , 但鎂鋁合金會隨著 pH 值的降低 ,其點蝕及縫隙腐蝕逐漸加強。再次 , 流速在微生物腐蝕行為和腐蝕過程中也扮演著重要角色 , 其影響主要表現為對腐蝕過程的促進作用。雖然較大的流速會削弱腐蝕產物對材料表面的保護作用 ,加劇去極化劑溶解氧的過程 , 增加材料表面的沖蝕和磨蝕 , 但針對不同的材料 , 流速對其腐蝕行為也不相同 , 存在一定的差異。Wang 等研究了不同水流速度對海洋常用鋁合金以及船體結構材料腐蝕的影響 , 發現 Al-Mg 系和 AI-Mg-Mn 系合金耐水流沖蝕的能力較強 ,可以與 Cu-Ni 合金媲美。在無電偶腐蝕作用時 ,LF5 和 2103 鋁合金的耐沖蝕能力最好。對于船體結構鋼來說 ,Ni、Cr的加入可以減弱水流對鋼的腐蝕 , 在高流速 （>4.5m/s） 時更為明顯。

深海環境的顯著特點是壓力大（>50 MPa）。為了研究水壓對腐蝕行為的作用 , 學者們普遍利用實驗模擬裝置 , 通過改變靜水壓力來測試不同材料體系的腐蝕行為和腐蝕過程。Liu 等和Yang 等研究了低合金鋼在不同靜水壓力下的腐蝕行為 , 指出靜水壓力降低了低合金鋼的耐蝕性能 , 但是不同鋼種在表面形成的腐蝕產物也不盡相同。同時 ,靜水壓力加速了腐蝕速率 , 降低了點蝕形成概率。另外 , 對于不銹鋼等鈍性金屬 , 靜水壓力則表現出完全不同的腐蝕行為。據相關實驗研究分析指出 , 靜水壓力增強了氯離子的活性 , 降低了鈍化膜的穩定性 , 加劇了點蝕速度。然而 ,一些不銹鋼在較高靜水壓力、較低溫度和溶解氧濃度的條件下 , 腐蝕的速率還是相對很低。靜水壓力等環境因素對不同種類不銹鋼的腐蝕行為有不同的影響作用 , 具體的影響作用及腐蝕過程的演變還需進一步的研究和分析。另外 , 對于鈦合金這種鈍性金屬來說 , 有關研究表明 : 鈦合金 Ti6Al4V 在 500~5100m 深度范圍內進行實海掛片的過程中沒有發生任何腐蝕 , 且對掛片的拉伸性能也沒有任何影響。同時 , 隨著海洋深度的增大 , 鈦合金 Ti6Al4V 在深海下的磨損率會迅速降低 , 其在深海化學 / 力學等多種作用下可以保持良好的耐磨 / 耐蝕性能 , 即使在環境更為惡劣的深海熱液區 , 鈦合金的腐蝕失重量也很小。

另外 , 海水溫度對深海裝備的腐蝕行為和腐蝕過程的影響較為復雜。隨著海水溫度的升高 , 一方面 , 物理 / 化學過程的反應速度加快 , 腐蝕加速 , 例如Mclntire 等發現海水溫度每升高 10℃ ,Fe的腐蝕速度約增加一倍 ; 另一方面 , 氧溶解濃度降低 , 腐蝕減弱。對于深海環境 , 除深海熱液區外 , 海水溫度相對穩定。從文獻可知 , 我國南海海域海水溫度與海水深度的關系如圖 1 所示 , 在海平面以下 300m 左右的區域 , 海水溫度變化較快 , 且易受不同季節洋流的影響 ; 在水下 500~2000m 區域 , 海水溫度變化平緩 , 且趨于穩定 ; 在深度大于2000 m 的區域 , 海水溫度基本保持在0~4℃之間。因此 , 在深海環境中 , 海水溫度對深海裝備的腐蝕影響較小。

與此同時 , 氧作為海水中重要的去極化劑 , 對海洋裝備的微生物腐蝕過程具有重要影響。一般腐蝕速率會隨著海水溶解氧濃度的升高而逐漸加大 , 但是由于同時受到其它海洋環境因素的影響（ 深海環境主要表現為壓力因素 ）， 不同金屬表現出的腐蝕行為也不相同。低碳鋼、馬氏體時效鋼和等溫淬火球墨鑄鐵幾種合金均在淺海（氧充足）區域腐蝕速率較高，在深海區域腐蝕速率較慢，深海中的溶解氧濃度能夠滿足維持金屬表面鈍態的要求。當溶解氧和溫度共同作用時，溶解氧濃度對腐蝕行為和腐蝕過程的影響作用更為明顯。

深海中不同環境因素之間相互影響，且易受到季節、氣候、洋流、地形等諸多因素的交互作用，對深海裝備結構和材料的應用環境進行深入了解和分析，開展微生物實海試驗研究，實施實時監測，是掌握深海裝備結構和材料在深海環境中的腐蝕行為及性能的一項必不可少的重要工作。

3 深海微生物腐蝕研究方法由于深海環境的復雜性和特殊性，研究深海裝備的微生物腐蝕行為和腐蝕過程不是一件簡單的事情。深海裝備微生物腐蝕的研究方法主要包括深海微生物的采集和培養技術、微生物腐蝕試驗方法和微生物腐蝕檢測技術等。

首先，深海微生物的采集和培養技術方面。由于深海微生物種類的多樣性和特殊性，它們的采集和培養技術也具有廣泛性和特殊性。以前從深海采集的微生物樣品，需在常壓和高壓下分離、培養得到純種微生物，但這種方法只能提取到深海微生物的一小部分物種。目前對這些微生物物種已采用微生物微量板技術、分子生物學技術、掃描電鏡法、透射電鏡法、光電子能譜法、電子衍射法、激光共聚焦法等技術來鑒定深海微生物種類，了解腐蝕產物、代謝產物等的類型及組成。其中，分子生物學技術可開展細菌的分子生物學研究，探究其附著機理，可得到更多的生物多樣性；掃描電鏡技術可用不經脫水處理的生物樣品直接進行觀察，保持了樣品的原有形貌，為深海微生物腐蝕的研究提供了強有力的技術手段，并且激光共聚焦技術可以在納米水平上對微觀形貌進行掃描和三維觀察，可用于微生物腐蝕過程的原位分析，大大提高了對微生物腐蝕機理的認識。在深海微生物的培養方面，高壓培養技術已經成熟，但是從前期的微生物采樣到樣品的保存、轉移等過程中不能很好保持原位壓強，這一困難尚未有很好的解決方案。目前日本、法國已成功研制深海微生物培養與檢測設備。雖然設備體型龐大、操作復雜，不適合小型機構開展深海極端環境模擬，但是它可以從 6500m 水深的海底取樣，使其存活，還可保障其順利繁殖。國內哈爾濱工業大學也設計了一套地面模擬深海環境的微生物培養設備方案，其壓力在 0~60MPa 連續可控。

其次，深海微生物腐蝕實驗方法方面。深海微生物腐蝕實驗方法主要有實海測試方法和實驗模擬方法。實海測試方法可以最大限度的提供裝備在深海海域可靠的腐蝕信息，但其不穩定因素（例如洋流、地震海嘯等）較多，難以對特定環境因素進行控制和實時監測，不能準確得到特定環境因素對腐蝕行為的影響關系，只能定期觀測裝備的腐蝕形貌，得到的腐蝕信息有限，多為多強場耦合作用的結果信息。美、英等歐美發達國家在上世紀 60 年代到 90 年代已對不同材料的深海耐蝕性進行了一系列的實海試驗，取得了寶貴的試驗數據。在深海實海試驗方面，美國最早進行了較為系統的研究工作。在距加州懷尼美港西南150km、海平面以下 1829m 以及距懷尼美港以西 139km、海平面以下 762m 的太平洋海底進行了多種材料的深海腐蝕試驗，其中除了生物腐蝕試驗研究外，還包括應力腐蝕、電偶腐蝕、焊接接頭腐蝕、涂層腐蝕、腐蝕產物分析等，獲得了很多實測數據。1975 年，前蘇聯在太平洋海域利用水文浮標研究了碳鋼、不銹鋼、鋁合金等金屬材料的平均腐蝕速率和局部腐蝕程度，涉及水深范圍為10~5500m，腐蝕時間為20d和40d。同時，針對鋁鎂合金，英國研究了其在表層和深海中的腐蝕行為，為深海腐蝕材料的研究提供了支持。到上世紀八、九十年代，挪威在北部大陸架也開展了深海腐蝕實海試驗研究，并在北挪威海進行了材料深海陰極保護參數的試驗研究，深度為 100~1335m。到本世紀初，印度也在不同海域開展了大量的實海試驗，研究了 22 種結構材料在深海海域的腐蝕行為，取得了大量試驗數據。我國于2008 年首次開展了南海海域深海實海試驗研究工作，涉及暴露試驗、應力腐蝕試驗、深海電位測量試驗、深海微生物腐蝕試驗等，取得了一定成果，為后續深海微生物腐蝕研究工作奠定了基礎。

實驗模擬是一種有效的試驗方法，不僅可以避免深海環境實海測試的高壓、低溫等困難，還可以對不同環境因素進行模擬和控制，同時進行實時監測，以此來模擬裝備在真實深海環境中的腐蝕情況和深海微生物腐蝕過程。國內外學者在實驗模擬方面開展了許多研究，主要通過搭建實驗平臺來模擬深海試驗環境，以自行設計模擬深海實驗設備為主，例如國外 Cormet 公司利用流動循環系統來搭建實驗模擬平臺，控制海水的溫度、壓力、溶解氧濃度等物理化學參數，所有實驗參數均由計算機系統集成控制；Seyfried 等設計并制造了一套高溫高壓控制系統；Haljasmaa 等設計了一種可用來模擬深海環境中不同壓力和溫度下海水溶解的CO 2 數據的試驗平臺；美國 Minnesota 大學地質地球物理系研制了一套相對先進的深海極端環境模擬裝置 , 可采用商業化控制閥技術實現微流量控制（精度小于 0.1mL），壓力可達 45MPa。國內哈爾濱工程大學采用高壓釜作為反應場所搭建了 2 套深海模擬實驗平臺，可控制壓力和溫度這兩個深海腐蝕參數，但目前國內外尚無能夠在高壓水條件下精確測量深海溶解氧濃度的溶氧探頭；中船重工 725 所研發了擁有自主知識產權的深海試驗裝備，可實現對高壓釜內介質溫度和壓力的精確控制，但無法實時監測溫度的變化，也無法控制和測量溶解氧濃度的變化；浙江大學研制了一套用來模擬深海生物生長環境的高溫高壓實驗模擬平臺，溫度、壓力和流速可調，并能添加微生物營養成分，最高壓力可達 60MPa；哈爾濱工業大學提出了一個完整的地面模擬深海環境微生物培養設備的設計方案，探討了高壓密封、腐蝕防護、取樣觀察等關鍵技術；北京康科聯新技術有限公司設計了一套用于模擬深海環境材料耐腐蝕性能的實驗裝置，可模擬深海低溫高壓環境；尹衍升等研發了一套用于研究材料在深海熱液區腐蝕行為的熱腐蝕模擬裝置，可準確模擬海底熱液區溫度和腐蝕環境，為海洋材料的開發提供依據。

除此之外，中國科學院金屬研究所、中國海洋大學、北京科技大學等也搭建了各自需求的深海實驗模擬平臺，都可以對溫度和壓力參數進行測量和控制，但都未涉及溶解氧濃度的精確測試問題。

深海環境實驗模擬裝置的設計和研究都還有很多不足，需要開展進一步的研究以提高實驗模擬的穩定性和準確性。

最后，微生物腐蝕檢測技術方面。

深海微生物腐蝕涉及物理、化學、材料等多個研究領域，研究對象包含基體材料、電化學，需要采用電化學、微生物學、化學分析方法、表面分析方法等多種技術手段進行腐蝕行為及腐蝕過程的測試與分析。同時，也在設計不同的微電極和腐蝕原電池模型用于腐蝕過程研究。

電化學方法研究深海裝備微生物腐蝕主要是利用極化法、阻抗法、噪聲法等間接或直接檢測微生物膜引起的電化學參數的變化，了解微生物腐蝕的行為和過程。電化學極化是指電極反應過程速度由電化學步驟來控制的極化。在電化學極化技術中，依據極化曲線的變化趨勢可以了解電極極化的程度，獲得相應的電化學參數，從而分析微生物腐蝕程度和腐蝕行為。電化學阻抗譜（EIS）方法是電化學腐蝕檢測的一種重要研究方法。它利用小幅度正弦波對測試系統進行擾動，獲得系統反饋信息和響應結果，從而得到相關的電化學參數，是一種從頻域獲得被測信號的監測技術，可以在 10-4~10-5Hz 頻率范圍內獲得電極界面發生變化的動力學信息。同時，依據電化學阻抗譜圖（Nyquist 圖和 Bode圖），可推測出各個狀態參量對電極狀態的影響，得到腐蝕體系的電化學參數信息。等效電路法是電化學阻抗譜分析的常用方法，通過建立等效電路獲得各個界面的主要參數，并通過用相位角元件替代電極的雙電層電容來避免“彌散效應”的發生。電化學阻抗譜技術應用的重要領域是金屬腐蝕領域，通過測量阻抗譜可獲得極化電阻（與腐蝕電流大小成反比）和界面電容（反映腐蝕金屬表面粗糙度變化、鈍化膜的形成及破壞、腐蝕產物的形成等），還可揭示腐蝕行為和腐蝕過程的變化規律。Arzola-Peralta 等采用電化學阻抗譜技術研究了碳鋼在不同濃度 Na 2 SO 4 溶液中的腐蝕電流密度和腐蝕機理。Zhang 等利用局部電化學阻抗譜研究 Fe-Cr 合金在幾種不同 pH 值溶液中的腐蝕行為，其耐蝕性能隨著溶液 pH 值的不同而不同。閆林娜等用極化曲線和阻抗譜研究了 304不銹鋼在海水中的腐蝕行為，指出海水中的細菌對其的腐蝕起到促進作用，可誘導不銹鋼點蝕的發生。隨著科技的不斷發展，電化學阻抗譜技術已經廣泛應用到金屬電沉積、合金電鍍、半導體材料、生物傳感器等領域，且已開發出模擬軟件來輔助電化學阻抗譜解析，例如ZView、Equivcrt、EIS300 等。電化學噪聲（EN）是電極反應導致變量信號發生隨機波動的現象，是在恒定電流下測量電極表面電流隨時間的變化情況，是一種原位無損的檢測方法。電化學噪聲法是一種新穎的電化學研究方法，很多研究者都采用此方法對金屬的局部腐蝕進行了研究和分析，例如 Rios 等利用電化學噪聲法研究浸泡在海水中鋼材的腐蝕過程和腐蝕行為；Cai 等利用電化學噪聲法獲得了純鋁在氯化鈉溶液中點蝕過程的噪聲特征，與腐蝕形貌有很好的對應關系；Sakairi 等利用此技術研究了金屬離子對浸在低濃度氯離子溶液中的鋁合金的電偶腐蝕行為的作用關系。電化學噪聲法在金屬腐蝕領域有著廣泛的應用，除此之外，還在微生物腐蝕機理、表面膜的動態特性、材料腐蝕速率等方面發揮著舉足輕重的作用。

研究深海裝備微生物腐蝕的微生物學技術方法包括利用微生物試驗方法分離、培養、鑒定微生物的種類，運用生物學染色方法等觀察分析微生物附著的形態特征，并開展微生物尤其是細菌的分子生物學研究，探究其附著機理；運用生物工程技術制備生物探針，評測微生物膜特征及性能；檢測膜內腐蝕微生物，開展微生物間相互作用及其代謝產物的研究；運用生物化學方法分析菌株的生理特征及對防腐劑的抗性機理等。

微生物學技術在微生物膜的探測和構成、表面附著機理及菌株抗性機理等方面發揮著重要作用，是探測技術進一步發展的重要技術手段。

化學分析方法一般包括有機化學分析和無機化學分析，分析對象分別為材料基體和微生物腐蝕產物（如硫酸鹽還原菌腐蝕產物硫化氫和鐵硫化物等）。

無機化學分析雖然可以描述微生物的腐蝕水平，但還無法真正揭示微生物腐蝕的原因。另外，化學分析方法還涉及環境因素分析，例如酸堿度、鹽度、溶氧量等。

表面分析方法是指利用電子、光子、離子、原子、電場、熱能等與固體表面的相互作用，測量從表面散射的粒子的能譜、光譜、質譜、空間分布，得到表面結構、表面成分、表面物理化學過程等信息的各種技術的統稱。它不僅可以觀察到深海微生物腐蝕的表面形貌和腐蝕特征，還可以用于分析腐蝕產物的成分和表面膜特征，是研究深海微生物腐蝕的重要手段。

另外，掃描電鏡、透射電鏡、高效液相色譜儀、紅外光譜儀、激光共聚焦顯微鏡、光電子能譜等，為分析微生物腐蝕表面形貌、腐蝕類型等提供了強大的技術支撐，成為研究微生物腐蝕行為和腐蝕機理強有力的手段 ，大大提高了對微生物腐蝕機理的認知。

隨著信息技術的快速發展和腐蝕監測儀器的廣泛普及，微生物腐蝕監測技術逐步向實時在線監測技術方向發展，微生物腐蝕監測設備向更加的自動化、智能化、快速化發展，可針對不同腐蝕類型，快速實現腐蝕的動態實時監測、數據的存儲和處理，提高監測效率，降低監測誤差率，完善腐蝕監測系統性能及安全指數，為搭建完整的多功能腐蝕監測系統奠定了堅實的基礎，為腐蝕監測信息的獲得和評估提供強有力的技術支持。

4 深海裝備微生物腐蝕的防護措施在深海環境下，水下裝備一般采用涂層保護、陰極保護或是對裝備表面進行特殊工藝處理的方式來進行微生物腐蝕的防護。

涂層保護是指在裝備的內外表面進行涂層保護，通過涂層的隔離作用來防止周圍環境中的水、微生物及腐蝕介質進入，抑制電化學、化學反應，以達到防腐的目的。為了提高涂層保護的防腐效果，水下裝備的表面性能和涂層屬性在其中扮演著重要的角色。良好的表面和優質的涂層大大提高了深海裝備的涂層保護效果，有效抑制了深海裝備的微生物腐蝕。在深海環境下，由于壓力很高，一般使用環氧瀝青、噴塑、聚烯等涂層用于深海裝備、管線防腐控制。也可根據深海裝備的操作工況，選擇合適的涂層進行防腐保護，例如在高溫（大于 110℃）時，一般選用 FBE/PP 涂層進行腐蝕控制，而在 70℃時一般選用 PE或人造橡膠涂層。

陰極保護是一種控制金屬電化學腐蝕的防護方法，可以有效地抑制深海裝備碳鋼及不銹鋼的微生物腐蝕。采用陰極保護方法后，保護一旦停止，微生物附著引起的腐蝕將會對深海裝備造成非常嚴重的后果。常用的陰極保護方法主要有犧牲陽極法和采用外部施加電流的陰極保護技術。在海洋環境中，通常采用的陽極材料是鋁 - 鋅 - 銦的合金材料，會大大減弱海洋裝備（如船舶、潛艇等）、海洋設施等構筑物表面的腐蝕問題。

對裝備表面進行一定的特殊工藝處理也可以起到防腐的效果，例如加注緩蝕劑、合金表面氧化工藝等。通過采用加入緩蝕劑工藝，在深海裝備表面形成穩定的保護膜，從而達到防腐的目的。

這種加入緩蝕劑工藝需要確保緩蝕劑準確到達被保護位置并有足夠的緩蝕劑量才能達到預期的減腐和防腐目的，常用的緩蝕劑主要是含氮有機物。除了深海裝備外，深海油氣管道的一種重要防腐措施也是這種加注緩蝕劑法。

對鋁制或是鋁合金制深海裝備及其部件表面進行氧化工藝處理，也可以達到防腐的目的。這種工藝是通過增加裝備表面的氧化膜來實現鋁合金制的防腐效果 ，主要有化學氧化法和陽極氧化法兩種。化學氧化方法主要有磷酸鹽 -鉻酸鹽法、堿性鉻酸鹽法和磷酸鋅成膜法等，而陽極氧化法主要是采用硫酸法、鉻酸法和草酸法等工藝。另外，對于鋁制或是鋁合金制深海裝備及其部件采用一定的熱處理工藝也可以達到防腐的目的。

5 結語與展望近些年，深海領域的研究逐漸成為各國研究競爭的熱點，尤其是深海微生物的研究。在深海惡劣環境下對深海微生物腐蝕的研究，不僅為深海裝備結構和材料的微生物腐蝕提供依據，也為極端環境下維持深海裝備的穩定性和可靠性提供資料。由于深海環境的苛刻條件，深海環境中的微生物腐蝕面臨著多種因素的影響，研究比較復雜，具有很大的挑戰性。

 

目前，雖然國內外學者已在深海實海試驗和實驗模擬試驗研究中獲得了大量的試驗數據，但是有關深海微生物腐蝕的研究不多，深海環境模擬的方法和技術也尚有很多不確定因素和不足之處，還需大力開展深海微生物腐蝕方面的研究，以提高工程裝備在深海極端環境下運行的穩定性。同時，應加強以應用為目的的深海裝備微生物腐蝕性能研究，探索其在深海極端環境中的腐蝕規律和防護方法，為深海裝備科學合理的應用提供重要保障；應注重實海試驗和實驗模擬試驗的結合，有效地研究深海微生物腐蝕行為和腐蝕過程，建立深海微生物腐蝕數據庫，為深海裝備結構和材料的選用提供可靠依據，這也是今后深海環境腐蝕研究的重要方向；應有效共享相關學科的深海環境研究平臺和資源，發揮學科專業優勢，建立互惠互利、共贏的深海環境研究方法，加快深海環境微生物腐蝕研究步伐，為深海裝備的設計應用、深海資源的開發利用、深海生態環境的探索提供強有力的技術支持和保障。