進入２１世紀，中國船舶及海洋石油工業迎來了高速增長的新時期，成為中國國民經濟發展的重要支柱。就船舶行業而言，據英國克拉克松 研 究 數據表明，２０１０年中國造船完工量、新接訂單量、手持訂單量分別 占 據 世 界 市 場 份 額 的４１.９％、４８.５％、４０.８％，均位居世界第一，中國成為世界造船中心。

在海洋石油工業領域，“十一五”期間，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座平臺、６座 ＦＰＳＯ，鋪設了１４００多公里海底管線，２０１０年 海 洋 油 氣 產 量 實 現 了５０００ 萬ｔ油 當量。僅根據中海油規劃，“十二五”期間將新建５０００萬ｔ油當量產能。預計“十二五”、“十 三 五”海 洋 石油工業投入將分別達到６７００億元和９５００億元人民幣，其中僅海洋工程裝備市場投資將達到２５００億～３０００億元人民 幣。目前中國船廠能建造國際航運界所需船型的９５％左右，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 ｍ３ＬＮＧ 船、１２２ｍ 自升式鉆井平臺ＪＵ２０００等，目前已有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。

船舶及海洋石油工業的飛速發展對造船及海洋工程用鋼提出了迫切需求。為適應船體高效化的建造需求，對船板鋼提出了１００～５００ｋＪ／ｃｍ 的大線能量 焊 接 要 求，從而實現了船板鋼的一次焊接成型；為提高船體運行安全性，延長鋼材使用壽命，對壓載艙、貨油艙船板鋼提出了耐腐蝕的要求，提高運行壽命的同時降低了維護成本；大型船體建造提出了４３號 大 規 格 的 Ｄ４０球 扁 鋼 的 需 求，突 破 了傳統型鋼生 產 開 發 的 極 限；自 升 式 海 洋 平 臺 樁腿構件需要１２７～２１０ｍｍ 厚高強度特厚板，突破了中厚板生產厚度規格極限；油氣儲運設備提出了超低溫用鋼鐵材料，最低使用溫度達到－１９６℃，服役環境極為苛刻。在此基礎上，根據液化 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，研制開發了 Ｎｉ的質量分數分別為９％、５％或３。５％等 Ｎｉ系低溫鋼?？傊?，高強度、高韌性、易焊接性、良好的耐腐蝕性以及大厚度、大規格化是船舶及海洋工程用鋼的發展方向。

但是，中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，還存在很大差距。在中國船企建造的船舶中，６０％～７０％主要以低技術含量的散貨船為主，高技術含量的鉆井船及液化天然氣船等承接量少。在海洋工程裝備領域，國外深水鉆探最大水深已達３０９５ｍ，中國為１４８０ｍ。國外已開發油氣田最大水深為２７４３ｍ，中國為３００ｍ，其中自主開發的裝備采油能 力 不 大 于２００ｍ 水 深，與 國外 有 近 １０ 年 的 距 離。 南 中 國 海 水 深 在 ５００～２０００ｍ，中國目前還不具備在這種海域進行油氣勘探和生產的裝備技術。為此，必須要開發一系列高新技術和產品作為支持，而系列高品質船舶及海洋工程用鋼的開發是其重要組成部分，它將為推進中國船舶工業及海洋石油工業的發展，保障中國能源、運輸等行業的安全奠定良好的基礎。

１ 造船及海洋工程用鋼的研究進展

鋼 材 是 造 船 及 海 洋 工 程 結 構 建 造 的 主 要 原 材料，占 據 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量的６０％左右，其中板材又占８８％左右。

高強度、高韌性是造船和海洋工程用鋼的基本要求。早期大型船體結構多采用２３５ＭＰａ級 以 下的鋼板，隨著船體結構的安全性要求的不斷提高，船用鋼板的強度在逐步提高，由２３５ＭＰａ逐步升級到３１５ＭＰａ以及３５５ＭＰａ，鋼的質量等級也從 Ａ 級 提高到 Ｅ級甚至 Ｆ級。到２０世紀９０年代，隨著船舶的大型化、輕量化和高速化的要求，日本和歐洲率先開發出屈服強度 為３９０ＭＰａ級 的 ＴＭＣＰ 型 高 強 船板（ＹＰ４０Ｋ），主要用在船體受應力比較大的舷側舷緣頂板和強力甲板上。目前，在大型散裝貨船和集裝箱船中，３９０ＭＰａ級的高強度鋼已占主導地位，ＴＭＣＰ工藝生產的船體鋼的強度級別已經達到５５０ＭＰａ級以上，在海洋平臺等大型海洋結構 中 獲得廣泛應用。海洋工程中自升式鉆井平臺的樁腿結構，如齒條板、半圓板和無縫支撐管等部位，均要求屈服強度６９０ＭＰａ以上的高強度低合金鋼，同時對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）的低溫沖擊性能，在寒冷或極寒條件下考核－６０℃（Ｆ 級）甚 至－８０℃的低溫沖擊性能。而一些低溫油氣儲運用鋼對低溫沖擊性能的要求更為苛刻，如儲存 ＬＮＧ 的９Ｎｉ鋼要求考核－１９６℃的低溫沖擊功達到１００Ｊ以上，儲 運 ＬＥＧ 的 ５Ｎｉ 鋼 也 要 求 考 核 －１２０℃ 沖 擊功。

焊接性也是船體結構鋼關注的重點問題之一。２０世紀３０年 代 以 前，船體結構大都采用鉚接或螺栓連接。第二次世界大戰前后，焊接技術開始普遍應用在船體結構上，對船體鋼的焊接性和焊接工藝也提出了越來越高的要求。焊接時，鋼板的焊接熱影響區 ＨＡＺ必 須 經 受 高 溫 熱 循 環，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，為 降 低 建 造 成 本、提 高 造 船 的 生 產率，造船廠強烈要求采用大線能量焊接。國外廣泛采用１００～５００ｋＪ／ｃｍ 大線能量焊接。為此，各國開發了一系列大線能量焊接船體鋼，如日本于２０世紀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。

船舶及海洋工程結構的耐腐蝕性近年來越來越受到人們的關注。近年來，國際海事組織（ＩＭＯ）先后通過了壓載艙涂層防護標準（ＰＳＰＣ）以及貨 油 艙用耐腐蝕鋼性能標準（ＭＳＣ８７），這使得相關的研究工作變得更加緊迫。在壓載艙環境下，船板鋼經受高溫、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生嚴重的局部腐蝕。ＪＦＥ鋼鐵開發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 的方法研制開發的 Ｄ３６貨油艙用耐腐蝕鋼，將船體結構的使用壽命從１５年提高到２５年，開發的貨油艙用耐腐蝕鋼腐蝕速率約為傳統鋼的１／４。

厚度規格也是船體鋼技術水平的重要標志之一。雖然一般船體結構中對船體鋼厚板規格最多要求到４０ｍｍ，但中國新的船體鋼標準 ＧＢ７１２-２０１１已將規格上限擴大到１５０ｍｍ，厚規格船體鋼主要用于海洋平臺等大型海洋結構中。自升式鉆井平臺的樁腿用齒條板，其厚度普遍 大 于１００ｍｍ，目 前 的 主力型號ＪＵ２０００齒條板一般采用１７８ ｍｍ 厚 鋼 板。

厚規格船板和平臺用鋼重要的性能指標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。ＧＢ５３１３-２０１０對 有 厚 度 方 向 性 能要求的鋼板進行了規定，其中最高級別的 Ｚ３５鋼要求斷面收縮 率 大 于 等 于３５％。大 型 船 體 結 構 不 僅對鋼板提出了厚規格要求，也對船用型鋼提出了厚規格 要 求。３０萬ｔ級大型船舶舭龍骨部位要求 使用４３ 號 大 規 格 Ｄ４０ 球 扁 鋼，腹 板 厚 度 最 大 達２０ｍｍ，是目前研制型鋼中強韌性要求最高、截面尺寸最大的型材。型材一般采用孔型軋制生產，由于道次變形量低、終軋溫度高、軋后無法實現快冷等特點，因此大規格高強度型鋼較鋼板技術難度更大。

船舶用鋼板應具有良好的止裂特性。近 年 來，散裝貨船的破損事故和巨型油輪（ＶＬＣＣ）的觸礁事故不斷增多，除從設計上進行改進外，在造船用鋼方面，則要求船的碰撞和觸礁產生較大塑性變形（１０％）時，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 出 表 層具有超細晶粒組織的鋼板，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力最大的部位。隨造船工業的發展，船舶對止裂鋼板的需求將越來越多。

２ 高品質造船及海洋工程用鋼開發

２.１ 大線能量焊接船板鋼

采用“氧化物冶金”的技術思路開展了大線能量焊接用鋼的 研 究 開 發 工 作。研 究 了 Ｔｉ處 理、Ｚｒ處理、復合 Ｔｉ－Ｍｇ處理、復合 Ｔｉ－Ｚｒ處理對船體鋼大線能量焊接性的影響。對試驗鋼進行２０～２００ｋＪ／ｃｍ的焊接熱模擬試驗，焊接熱模擬最高加熱峰值溫度１３５０℃。結果 表 明，Ｔｉ－Ｍｇ、Ｔｉ－Ｚｒ復 合 處 理 后，鋼中獲得了大量細小的復合含 Ｔｉ氧化物粒子（圖１），其直徑約１～２μｍ。比較各種脫氧處理條件下焊接熱影響區的低溫韌性可以看 出（圖２），普 通 未 進 行任何處理的 Ｃ－Ｍｎ鋼焊后熱影響區的整體低溫韌性水平較低，其中線能量 Ｅ 大 于５０ｋＪ／ｃｍ 時，低 溫 韌性顯著降低，僅為１０Ｊ左右。經過不同合金脫氧處理后模擬焊接粗晶區的低溫韌性顯著提高。其中經Ｔｉ－Ｍｇ處理（低 Ｍｇ）后粗晶區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。對比焊接熱影響區的組織（圖３）可以看出，Ａｌ處理鋼中主要得到大量平行排列的側板條鐵素體組織，Ｔｉ－Ｍｇ復合處理鋼中主要得到大量交錯排列的晶內鐵素體組織。采用 Ｔｉ－Ｍｇ復合脫氧處理的方法，在工業大生產條件下研制開發了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、內底板環境下的腐蝕行為，研究了提高船板鋼耐蝕性的不同技術思路。通過不同的耐蝕合金設計，研究了多種合金元素對船板鋼在貨油艙腐蝕環境下的耐蝕性。圖４為３種不同合金元素對腐蝕速率的影響規律。從研究結果可以看出，在內底板腐蝕環境下，微量合金元 素 對 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 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 底 板 腐 蝕 環 境下，傳統鋼表面主要形成大量直徑大而深的腐蝕點蝕坑，而開發的耐蝕鋼表面只出現少量小而淺的點蝕 坑，點蝕坑的深度／直徑比顯著降低。根據上述結果研制開發的工業鋼（ＮＳＤ３２、ＮＳＤ３６）內底板腐蝕速率均低于１ｍｍ／ａ的標準腐蝕速率要求（圖６），其中 ＮＳＤ３６鋼腐蝕速率最低可以達到０.３８ｍｍ／ａ的超低水平，約為傳統鋼的１／１３。

２.３ 大規格船用球扁鋼

綜合利用新型的釩氮微合金化設計＋碳氮化釩控制析出 軋 制 工 藝（ＰＣＲＰ），集 成 創 新 開 發 出 高 韌性、大 規 格 船 用 球 扁 鋼 品 種 技 術。依 靠 奧 氏 體 中 析出的碳氮化釩促進晶內鐵素體形核（圖７），顯 著 地細化了最終的鐵素體晶粒尺寸，獲得顯著的細晶強化效果。同時，依靠鐵素體中彌散析出的碳氮化釩的析出強化作用，顯著提高鋼的強度。利用上述技術思路，可以在傳統孔型軋制條件下研究開發出屈服強度３５５、３９０、４４０ＭＰａ級 系 列 高 韌 性 船 用 球 扁鋼品種。其中研 制 開 發 的 Ｄ４０極 限 規 格４３號（邊長４３０ｍｍ、腹板厚 度２０ｍｍ）熱軋船用球扁鋼屈服強度高于４１０ＭＰａ，－４０℃沖擊功達到２００Ｊ（圖８）。高韌性、高強度、大規格船用球扁鋼的開發解決了高韌性艦船用球扁鋼品種技術難題，滿足了中國船體建造的需要。

２.４ 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，對自升式鉆井平臺用齒條鋼提出了大厚度、高強度、高韌性的發展要求，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。研究了不同合金元素復合處理對齒條鋼淬透性的影響，結果表明，采用微 Ｂ＋固 Ｎ 元素的復合處理可以在獲得良好強韌性的條件下大幅度提高齒條鋼的淬透性（圖９（ａ））。同時，采用微 Ｔｉ處理或稍過量的 Ａｌ處理，均可使微量Ｂ的固溶比例達到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 化 思 路，工業生產獲得了截面均勻 的 淬 透 組 織 和 良 好 力 學 性 能 的 特 厚 齒 條鋼。對 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 上 述 合 金設計和工 藝 配 合，也可獲得以馬氏體 ＋ 下 貝 氏 體為主的顯微 組 織（圖１０），基于該思路開發的齒條鋼和國內 外 先 進 技 術 相 比，具 有 較 高 的 強 韌 性 水平（圖１１）。

２.５ ９Ｎｉ低溫鋼

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 的 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。研 究 發現，采用 ＱＬＴ熱處理（在 ＱＴ調質處理中增加一道兩相區 淬 火），可在強度略微降低的情況下，顯 著提 高９Ｎｉ鋼 的 低 溫 韌 性，同 時 大 大 擴 展９Ｎｉ鋼 的 熱處理工藝窗口，提高９Ｎｉ鋼的性能穩定性（圖１２）。

進一步研究顯示，９Ｎｉ鋼的良好低溫韌性與 其中形成的一定含量的逆轉變奧氏體有密切關系（圖１３）。在９Ｎｉ鋼中形成５％～１５％左右的、熱穩定性高的逆轉變奧氏體，可韌化馬氏體基體，在受載變形過程中吸收能量，提高相變誘導塑性能力。在一定范圍內，９Ｎｉ鋼的逆轉變奧氏體含量越高，低溫韌性越好。

９Ｎｉ鋼逆轉變奧氏體的形成和穩定性，與 Ｃ、Ｎｉ、Ｍｎ等奧氏 體 穩 定 元 素 的 顯 著 富 集 具 有 密 切 的關系（圖１４）。理論計算和試驗結果顯示，采用適當的工藝處理，９Ｎｉ鋼中 Ｃ、Ｎｉ、Ｍｎ元素的質量分數最高可分別達到０。５％、２５％和２％左右，使熱處理過程形成的奧氏體可穩定保持到室溫，即使冷卻至液氮溫度也不發生轉變。逆轉變奧氏體的控制技術，也是改善和提高９Ｎｉ鋼低溫斷裂韌性尤其是止裂韌性的關鍵工藝技術之一。

３ 結語

高技術船舶及海洋工程的國產化是建立在高端材料和技術大量依賴進口的背景之上的。要實現中國成為世界造船強國的戰略目標，還有大量關鍵技術需要突破，其中的核心問題之一就是高品質造船及海洋工程用鋼的研發和推廣應用。

船舶及海洋石油工業的飛速發展給造船及海洋工程用鋼提出了高強度、高韌性、大線能量焊接及耐腐蝕性的要求，同時還需要具備大厚度及大尺寸規格的要求。采用 Ｍｇ－Ｔｉ復合處理技術，開發出了適合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，焊接熱影響區粗晶區－２０℃沖擊 功 高 達３５０Ｊ。通 過 超 純 凈 度 冶 煉 及添加增加耐蝕性能合金元素的方法開發出了 ＮＳ－Ｄ３２及 ＮＳ－Ｄ３６船板 鋼，在下底板環境下的腐蝕速率僅為傳統 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發出了性能優異的４３號極限大規格 Ｄ４０球扁鋼。此外，齒條鋼已由過去的１００、１２７ｍｍ 發展為 主 力 船 型 用 的１７８ｍｍ，并 逐 步增加２１０ｍｍ 齒 條 鋼 的 使 用，個 別 工 況 的 最 大 厚 度達到２５９ｍｍ。服役工況更為苛刻，強韌性匹配的要求也更高。油氣儲運設備的大型化趨勢也使用戶對Ｎｉ系低溫鋼的安全裕量的考核更加重視。２０萬 ｍ３和２５萬 ｍ３ 巨型 ＬＮＧ 儲罐的設計和建造促進了超級９Ｎｉ鋼 的 研 究 和 開 發，產 品 厚 度 達 到 ５０ｍｍ 以上，在保持強度水平的情況下，—１９６℃的沖擊功由１５０～２２０Ｊ提高至２５０Ｊ以上，—１６３℃的 ＣＴＯＤ 值達到０.３ｍｍ 以上。