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高性能船舶及海洋工程用鋼的開(kāi)發(fā)

2018-09-27 12:48:52 作者：楊才福,蘇航來(lái)源：鋼鐵研究總院工程用鋼研究所分享至：

進(jìn)入21世紀(jì),中國(guó)船舶及海洋石油工業(yè)迎來(lái)了高速增長(zhǎng)的新時(shí)期,成為中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱?就船舶行業(yè)而言,據(jù)英國(guó)克拉克松研究數(shù)據(jù)表明,2010年中國(guó)造船完工量?新接訂單量?手持訂單量分別占據(jù)世界市場(chǎng)份額的41.9%?48.5%?40.8%,均位居世界第一,中國(guó)成為世界造船中心?

在海洋石油工業(yè)領(lǐng)域,“十一五”期間,中國(guó)海上油氣開(kāi)發(fā)投入1200億元人民幣,建設(shè)了15個(gè)海洋油氣田,76座平臺(tái)?6座FPSO,鋪設(shè)了1400多公里海底管線,2010年海洋油氣產(chǎn)量實(shí)現(xiàn)了5000萬(wàn)t油當(dāng)量?僅根據(jù)中海油規(guī)劃,“十二五”期間將新建5000萬(wàn)t油當(dāng)量產(chǎn)能?預(yù)計(jì)“十二五”?“十三五”海洋石油工業(yè)投入將分別達(dá)到6700億元和9500億元人民幣,其中僅海洋工程裝備市場(chǎng)投資將達(dá)到2500億~3000億元人民幣?目前中國(guó)船廠能建造國(guó)際航運(yùn)界所需船型的95%左右,包括17.5萬(wàn)t散貨輪?30萬(wàn)t超大型油輪(VLCC)?30萬(wàn)t浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船(FPSO)?8530標(biāo)箱第6代集裝箱船?14.7萬(wàn)m3LNG船?122m自升式鉆井平臺(tái)JU2000等,目前已有9座30萬(wàn)t級(jí)造船船塢,并在規(guī)劃50萬(wàn)t級(jí)和100萬(wàn)t級(jí)船塢?

船舶及海洋石油工業(yè)的飛速發(fā)展對(duì)造船及海洋工程用鋼提出了迫切需求?為適應(yīng)船體高效化的建造需求,對(duì)船板鋼提出了100~500kJ/cm的大線能量焊接要求,從而實(shí)現(xiàn)了船板鋼的一次焊接成型;為提高船體運(yùn)行安全性,延長(zhǎng)鋼材使用壽命,對(duì)壓載艙?貨油艙船板鋼提出了耐腐蝕的要求,提高運(yùn)行壽命的同時(shí)降低了維護(hù)成本;大型船體建造提出了43號(hào)大規(guī)格的D40球扁鋼的需求,突破了傳統(tǒng)型鋼生產(chǎn)開(kāi)發(fā)的極限;自升式海洋平臺(tái)樁腿構(gòu)件需要127~210mm厚高強(qiáng)度特厚板,突破了中厚板生產(chǎn)厚度規(guī)格極限;油氣儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備提出了超低溫用鋼鐵材料,最低使用溫度達(dá)到-196℃,服役環(huán)境極為苛刻?在此基礎(chǔ)上,根據(jù)液化天然氣(LNG)?液化石油氣(LPG)?液化乙烯氣(LEG)等低溫油氣的不同使用溫度要求,研制開(kāi)發(fā)了Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為9%?5%或3?5%等Ni系低溫鋼?總之,高強(qiáng)度?高韌性?易焊接性?良好的耐腐蝕性以及大厚度?大規(guī)格化是船舶及海洋工程用鋼的發(fā)展方向?

但是,中國(guó)和世界上先進(jìn)的船舶制造及海洋工程裝備設(shè)計(jì)制造技術(shù)相比,還存在很大差距?在中國(guó)船企建造的船舶中,60%~70%主要以低技術(shù)含量的散貨船為主,高技術(shù)含量的鉆井船及液化天然氣船等承接量少?在海洋工程裝備領(lǐng)域,國(guó)外深水鉆探最大水深已達(dá)3095m,中國(guó)為1480m?國(guó)外已開(kāi)發(fā)油氣田最大水深為2 743m,中國(guó)為300m,其中自主開(kāi)發(fā)的裝備采油能力不大于200m 水深,與國(guó)外有近10 年的距離?南中國(guó)海水深在500~2000m,中國(guó)目前還不具備在這種海域進(jìn)行油氣勘探和生產(chǎn)的裝備技術(shù)?為此,必須要開(kāi)發(fā)一系列高新技術(shù)和產(chǎn)品作為支持,而系列高品質(zhì)船舶及海洋工程用鋼的開(kāi)發(fā)是其重要組成部分,它將為推進(jìn)中國(guó)船舶工業(yè)及海洋石油工業(yè)的發(fā)展,保障中國(guó)能源?運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)的安全奠定良好的基礎(chǔ)?

1 造船及海洋工程用鋼的研究進(jìn)展

鋼材是造船及海洋工程結(jié)構(gòu)建造的主要原材料,占據(jù)了船體及海洋工程建造成本的20% ~30%?涉及的鋼材品種主要包括鋼板?型鋼(船用球扁鋼?H 型鋼?角鋼等)?鑄鍛鋼以及配套焊接材料等?其中船體建造耗用鋼材量約占全船質(zhì)量的60%左右,其中板材又占88%左右?

高強(qiáng)度?高韌性是造船和海洋工程用鋼的基本要求?早期大型船體結(jié)構(gòu)多采用235MPa級(jí)以下的鋼板,隨著船體結(jié)構(gòu)的安全性要求的不斷提高,船用鋼板的強(qiáng)度在逐步提高,由235MPa逐步升級(jí)到315MPa以及355MPa,鋼的質(zhì)量等級(jí)也從A 級(jí)提高到E級(jí)甚至F級(jí)?到20世紀(jì)90年代,隨著船舶的大型化?輕量化和高速化的要求,日本和歐洲率先開(kāi)發(fā)出屈服強(qiáng)度為390MPa級(jí)的TMCP型高強(qiáng)船板(YP40K),主要用在船體受應(yīng)力比較大的舷側(cè)舷緣頂板和強(qiáng)力甲板上?目前,在大型散裝貨船和集裝箱船中,390MPa級(jí)的高強(qiáng)度鋼已占主導(dǎo)地位,TMCP工藝生產(chǎn)的船體鋼的強(qiáng)度級(jí)別已經(jīng)達(dá)到550MPa級(jí)以上,在海洋平臺(tái)等大型海洋結(jié)構(gòu)中獲得廣泛應(yīng)用?海洋工程中自升式鉆井平臺(tái)的樁腿結(jié)構(gòu),如齒條板?半圓板和無(wú)縫支撐管等部位,均要求屈服強(qiáng)度690MPa以上的高強(qiáng)度低合金鋼,同時(shí)對(duì)低溫沖擊韌性的要求也極為苛刻,即使在普通工況條件也要求考核-40℃(E級(jí))的低溫沖擊性能,在寒冷或極寒條件下考核-60℃(F級(jí))甚至-80℃的低溫沖擊性能?而一些低溫油氣儲(chǔ)運(yùn)用鋼對(duì)低溫沖擊性能的要求更為苛刻,如儲(chǔ)存LNG的9Ni鋼要求考核-196℃的低溫沖擊功達(dá)到100J以上,儲(chǔ)運(yùn)LEG 的5Ni鋼也要求考核-120℃ 沖擊功?

焊接性也是船體結(jié)構(gòu)鋼關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題之一?20世紀(jì)30年代以前,船體結(jié)構(gòu)大都采用鉚接或螺栓連接?第二次世界大戰(zhàn)前后,焊接技術(shù)開(kāi)始普遍應(yīng)用在船體結(jié)構(gòu)上,對(duì)船體鋼的焊接性和焊接工藝也提出了越來(lái)越高的要求?焊接時(shí),鋼板的焊接熱影響區(qū)HAZ必須經(jīng)受高溫?zé)嵫h(huán),這很容易引起鋼板HAZ的組織粗化,顯著降低HAZ的韌性?特別是近幾年來(lái),為降低建造成本?提高造船的生產(chǎn)率,造船廠強(qiáng)烈要求采用大線能量焊接?國(guó)外廣泛采用100~500kJ/cm大線能量焊接?為此,各國(guó)開(kāi)發(fā)了一系列大線能量焊接船體鋼,如日本于20世紀(jì)80年代初期研制的YP335鋼?90年代中期研制的YP390和目前正在研制的YP460鋼等?

船舶及海洋工程結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性近年來(lái)越來(lái)越受到人們的關(guān)注?近年來(lái),國(guó)際海事組織(IMO)先后通過(guò)了壓載艙涂層防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)(PSPC)以及貨油艙用耐腐蝕鋼性能標(biāo)準(zhǔn)(MSC87),這使得相關(guān)的研究工作變得更加緊迫?在壓載艙環(huán)境下,船板鋼經(jīng)受高溫?高濕以及Cl- 的共同侵蝕,尤其在壓載艙的潮差部位船板鋼發(fā)生嚴(yán)重的局部腐蝕?JFE鋼鐵開(kāi)發(fā)出了可抑制船舶壓載艙涂膜劣化的新型高耐腐蝕性壓載艙用鋼“JFE-SIP-BT”?由于找到可抑制涂裝后涂膜劣化的元素,提高了基于腐蝕生成物的鋼材保護(hù)性能,可將涂膜膨脹及剝離等涂膜的劣化速度減慢到原鋼材的一半左右?新日鐵等通過(guò)提高鋼材的純凈度,添加Ni?Cu?W?Mo等耐蝕合金元素的方法研制開(kāi)發(fā)的D36貨油艙用耐腐蝕鋼,將船體結(jié)構(gòu)的使用壽命從15年提高到25年,開(kāi)發(fā)的貨油艙用耐腐蝕鋼腐蝕速率約為傳統(tǒng)鋼的1/4?

厚度規(guī)格也是船體鋼技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一?雖然一般船體結(jié)構(gòu)中對(duì)船體鋼厚板規(guī)格最多要求到40mm,但中國(guó)新的船體鋼標(biāo)準(zhǔn)GB 712—2011已將規(guī)格上限擴(kuò)大到150mm,厚規(guī)格船體鋼主要用于海洋平臺(tái)等大型海洋結(jié)構(gòu)中?自升式鉆井平臺(tái)的樁腿用齒條板,其厚度普遍大于100mm,目前的主力型號(hào)JU2000齒條板一般采用178mm 厚鋼板?

厚規(guī)格船板和平臺(tái)用鋼重要的性能指標(biāo)之一是抗層狀撕裂性能?由于軋制變形量較小以及鑄坯偏析的影響,厚板Z 向(即厚度方向)性能一般顯著低于縱?橫向性能?GB 5313—2010對(duì)有厚度方向性能要求的鋼板進(jìn)行了規(guī)定,其中最高級(jí)別的Z35鋼要求斷面收縮率大于等于35%?大型船體結(jié)構(gòu)不僅對(duì)鋼板提出了厚規(guī)格要求,也對(duì)船用型鋼提出了厚規(guī)格要求?30萬(wàn)t級(jí)大型船舶舭龍骨部位要求使用43 號(hào)大規(guī)格D40 球扁鋼,腹板厚度最大達(dá)20mm,是目前研制型鋼中強(qiáng)韌性要求最高?截面尺寸最大的型材?型材一般采用孔型軋制生產(chǎn),由于道次變形量低?終軋溫度高?軋后無(wú)法實(shí)現(xiàn)快冷等特點(diǎn),因此大規(guī)格高強(qiáng)度型鋼較鋼板技術(shù)難度更大?

船舶用鋼板應(yīng)具有良好的止裂特性?近年來(lái),散裝貨船的破損事故和巨型油輪(VLCC)的觸礁事故不斷增多,除從設(shè)計(jì)上進(jìn)行改進(jìn)外,在造船用鋼方面,則要求船的碰撞和觸礁產(chǎn)生較大塑性變形(10%)時(shí),造船用鋼板必須具有良好的抗脆性裂紋傳播的止裂特性?采用TMCP工藝可生產(chǎn)出表層具有超細(xì)晶粒組織的鋼板,厚度方向性能均勻,具有良好的阻止脆性裂紋擴(kuò)展的能力?這種船板鋼已成功地用于石油液化氣(LPG)船和散裝貨船剪切應(yīng)力最大的部位?隨造船工業(yè)的發(fā)展,船舶對(duì)止裂鋼板的需求將越來(lái)越多?

2 高品質(zhì)造船及海洋工程用鋼開(kāi)發(fā)

2.1 大線能量焊接船板鋼

采用“氧化物冶金”的技術(shù)思路開(kāi)展了大線能量焊接用鋼的研究開(kāi)發(fā)工作?研究了Ti處理?Zr處理?復(fù)合Ti-Mg處理?復(fù)合Ti-Zr處理對(duì)船體鋼大線能量焊接性的影響?對(duì)試驗(yàn)鋼進(jìn)行20~200kJ/cm的焊接熱模擬試驗(yàn),焊接熱模擬最高加熱峰值溫度1 350℃?結(jié)果表明,Ti-Mg?Ti-Zr復(fù)合處理后,鋼中獲得了大量細(xì)小的復(fù)合含Ti氧化物粒子(圖1),其直徑約1~2μm?比較各種脫氧處理?xiàng)l件下焊接熱影響區(qū)的低溫韌性可以看出(圖2),普通未進(jìn)行任何處理的C-Mn鋼焊后熱影響區(qū)的整體低溫韌性水平較低,其中線能量E 大于50kJ/cm 時(shí),低溫韌性顯著降低,僅為10J左右?經(jīng)過(guò)不同合金脫氧處理后模擬焊接粗晶區(qū)的低溫韌性顯著提高?其中經(jīng)Ti-Mg處理(低Mg)后粗晶區(qū)的低溫韌性水平最高,各種線能量下的低溫沖擊值均在300J以上,且隨線能量的變化不敏感?對(duì)比焊接熱影響區(qū)的組織(圖3)可以看出,Al處理鋼中主要得到大量平行排列的側(cè)板條鐵素體組織,Ti-Mg復(fù)合處理鋼中主要得到大量交錯(cuò)排列的晶內(nèi)鐵素體組織?采用Ti-Mg復(fù)合脫氧處理的方法,在工業(yè)大生產(chǎn)條件下研制開(kāi)發(fā)了100~240kJ/cm大線能量焊接用鋼,鋼板最大厚度為80mm?

2.2 油船貨油艙用耐腐蝕鋼

深入分析了船板鋼在貨油艙上甲板?內(nèi)底板環(huán)境下的腐蝕行為,研究了提高船板鋼耐蝕性的不同技術(shù)思路?通過(guò)不同的耐蝕合金設(shè)計(jì),研究了多種合金元素對(duì)船板鋼在貨油艙腐蝕環(huán)境下的耐蝕性?圖4為3種不同合金元素對(duì)腐蝕速率的影響規(guī)律?從研究結(jié)果可以看出,在內(nèi)底板腐蝕環(huán)境下,微量合金元素對(duì)船板鋼的耐蝕性存在顯著影響?添加0.1%以上的B和C耐蝕合金元素可以使腐蝕速率顯著降低到原來(lái)的1/4~1/3?觀察腐蝕后的形貌(圖5)可以看出,在IMO 貨油艙內(nèi)底板腐蝕環(huán)境下,傳統(tǒng)鋼表面主要形成大量直徑大而深的腐蝕點(diǎn)蝕坑,而開(kāi)發(fā)的耐蝕鋼表面只出現(xiàn)少量小而淺的點(diǎn)蝕坑,點(diǎn)蝕坑的深度/直徑比顯著降低?根據(jù)上述結(jié)果研制開(kāi)發(fā)的工業(yè)鋼(NSD32?NSD36)內(nèi)底板腐蝕速率均低于1mm/a的標(biāo)準(zhǔn)腐蝕速率要求(圖6),其中NSD36鋼腐蝕速率最低可以達(dá)到0.38mm/a的超低水平,約為傳統(tǒng)鋼的1/13?

2.3 大規(guī)格船用球扁鋼

綜合利用新型的釩氮微合金化設(shè)計(jì)+碳氮化釩控制析出軋制工藝(PCRP),集成創(chuàng)新開(kāi)發(fā)出高韌性?大規(guī)格船用球扁鋼品種技術(shù)?依靠奧氏體中析出的碳氮化釩促進(jìn)晶內(nèi)鐵素體形核(圖7),顯著地細(xì)化了最終的鐵素體晶粒尺寸,獲得顯著的細(xì)晶強(qiáng)化效果?同時(shí),依靠鐵素體中彌散析出的碳氮化釩的析出強(qiáng)化作用,顯著提高鋼的強(qiáng)度?利用上述技術(shù)思路,可以在傳統(tǒng)孔型軋制條件下研究開(kāi)發(fā)出屈服強(qiáng)度355?390?440MPa級(jí)系列高韌性船用球扁鋼品種?其中研制開(kāi)發(fā)的D40極限規(guī)格43號(hào)(邊長(zhǎng)430mm?腹板厚度20mm)熱軋船用球扁鋼屈服強(qiáng)度高于410MPa,-40℃沖擊功達(dá)到200J(圖8)?高韌性?高強(qiáng)度?大規(guī)格船用球扁鋼的開(kāi)發(fā)解決了高韌性艦船用球扁鋼品種技術(shù)難題,滿足了中國(guó)船體建造的需要?

2.4 海洋平臺(tái)特厚齒條鋼

隨著海洋石油工業(yè)的深入開(kāi)展和鉆采難度的加大,對(duì)自升式鉆井平臺(tái)用齒條鋼提出了大厚度?高強(qiáng)度?高韌性的發(fā)展要求,這類產(chǎn)品一般使用調(diào)質(zhì)熱處理狀態(tài)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(chǎn)品開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)?研究了不同合金元素復(fù)合處理對(duì)齒條鋼淬透性的影響,結(jié)果表明,采用微B+固N 元素的復(fù)合處理可以在獲得良好強(qiáng)韌性的條件下大幅度提高齒條鋼的淬透性(圖9(a))?

同時(shí),采用微Ti處理或稍過(guò)量的Al處理,均可使微量B的固溶比例達(dá)到50%以上(圖9(b)),且偏聚于奧氏體晶界處,有效地延緩了高溫相變,顯著提高齒條鋼的淬透性?采取上述合金優(yōu)化思路,工業(yè)生產(chǎn)獲得了截面均勻的淬透組織和良好力學(xué)性能的特厚齒條鋼?對(duì)于152mm 厚的齒條鋼,即使在鋼板的心部,淬火冷卻速率僅為1℃/s左右,通過(guò)上述合金設(shè)計(jì)和工藝配合,也可獲得以馬氏體+下貝氏體為主的顯微組織(圖10),基于該思路開(kāi)發(fā)的齒條鋼和國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)相比,具有較高的強(qiáng)韌性水平(圖11)?

2.5 9Ni低溫鋼

隨著LNG工業(yè)的迅猛發(fā)展,9Ni低溫鋼的研究和開(kāi)發(fā)熱度持續(xù)升溫?LNG 的儲(chǔ)存溫度為-163℃,要求LNG儲(chǔ)罐內(nèi)壁用9Ni鋼,具有較高的強(qiáng)度?良好的低溫韌性和較小的波動(dòng)?研究發(fā)現(xiàn),采用QLT熱處理(在QT調(diào)質(zhì)處理中增加一道兩相區(qū)淬火),可在強(qiáng)度略微降低的情況下,顯著提高9Ni鋼的低溫韌性,同時(shí)大大擴(kuò)展9Ni鋼的熱處理工藝窗口,提高9Ni鋼的性能穩(wěn)定性(圖12)?

進(jìn)一步研究顯示,9Ni鋼的良好低溫韌性與其中形成的一定含量的逆轉(zhuǎn)變奧氏體有密切關(guān)系(圖13)?在9Ni鋼中形成5%~15%左右的?熱穩(wěn)定性高的逆轉(zhuǎn)變奧氏體,可韌化馬氏體基體,在受載變形過(guò)程中吸收能量,提高相變誘導(dǎo)塑性能力?在一定范圍內(nèi),9Ni鋼的逆轉(zhuǎn)變奧氏體含量越高,低溫韌性越好?

9Ni鋼逆轉(zhuǎn)變奧氏體的形成和穩(wěn)定性,與C?Ni?Mn等奧氏體穩(wěn)定元素的顯著富集具有密切的關(guān)系(圖14)?理論計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果顯示,采用適當(dāng)?shù)墓に囂幚?span lang="EN-US" style="font-family: Arial, sans-serif;">,9Ni鋼中C?Ni?Mn元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高可分別達(dá)到0.5%?25%和2%左右,使熱處理過(guò)程形成的奧氏體可穩(wěn)定保持到室溫,即使冷卻至液氮溫度也不發(fā)生轉(zhuǎn)變?逆轉(zhuǎn)變奧氏體的控制技術(shù),也是改善和提高9Ni鋼低溫?cái)嗔秧g性尤其是止裂韌性的關(guān)鍵工藝技術(shù)之一?

3 結(jié)語(yǔ)

高技術(shù)船舶及海洋工程的國(guó)產(chǎn)化是建立在高端材料和技術(shù)大量依賴進(jìn)口的背景之上的?要實(shí)現(xiàn)中國(guó)成為世界造船強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略目標(biāo),還有大量關(guān)鍵技術(shù)需要突破,其中的核心問(wèn)題之一就是高品質(zhì)造船及海洋工程用鋼的研發(fā)和推廣應(yīng)用?

船舶及海洋石油工業(yè)的飛速發(fā)展給造船及海洋工程用鋼提出了高強(qiáng)度?高韌性?大線能量焊接及耐腐蝕性的要求,同時(shí)還需要具備大厚度及大尺寸規(guī)格的要求?采用Mg-Ti復(fù)合處理技術(shù),開(kāi)發(fā)出了適合100~200kJ/cm 的大線能量焊接船體鋼,其在200kJ/cm的大線能量焊接時(shí),焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)-20℃沖擊功高達(dá)350J?通過(guò)超純凈度冶煉及添加增加耐蝕性能合金元素的方法開(kāi)發(fā)出了NSD32及NS-D36船板鋼,在下底板環(huán)境下的腐蝕速率僅為傳統(tǒng)鋼的1/13?采用釩氮微合金化+碳氮化釩控制析出軋制工藝開(kāi)發(fā)出了性能優(yōu)異的43號(hào)極限大規(guī)格D40球扁鋼?此外,齒條鋼已由過(guò)去的100?127mm發(fā)展為主力船型用的178mm,并逐步增加210mm 齒條鋼的使用,個(gè)別工況的最大厚度達(dá)到259mm?服役工況更為苛刻,強(qiáng)韌性匹配的要求也更高?油氣儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的大型化趨勢(shì)也使用戶對(duì)Ni系低溫鋼的安全裕量的考核更加重視?20萬(wàn)m3和25萬(wàn)m3 巨型LNG儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)和建造促進(jìn)了超級(jí)9Ni鋼的研究和開(kāi)發(fā),產(chǎn)品厚度達(dá)到50mm 以上,在保持強(qiáng)度水平的情況下,-196℃的沖擊功由150~220J提高至250J以上,—163℃的CTOD值達(dá)到0.3mm以上?