目前，我國高技術船舶及海洋工程的國產化建立在高端材料和技術大量依賴進口的基礎之上。要推進我國船舶工業及海洋石油工業的發展，保障我國能源、運輸等行業的安全，大量關鍵技術有待突破，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。

　　造船及海洋工程用鋼的新要求

　　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重量的60%左右，其中板材又占88%左右。

　　高強度、高韌性是造船及海洋工程用鋼的基本要求。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，而TMCP（控制軋制和控制冷卻技術）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。而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，均要求屈服強度在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。

　　焊接性也是船體結構鋼關注的重點問題之一。近年來，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100kJ/cm～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，如日本于上世紀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。目前，在海洋工程用鋼領域如平臺用E36等，均要求采用大線能量焊接以提高施工建造效率。

　　船舶及海洋工程結構的耐腐蝕性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）和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。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，由于找到了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年延長到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。

　　厚度與尺寸規格也是船體鋼技術水平的重要標志之一。GB 5313-2010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≥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。30萬噸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。

　　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。這種船板已成功用于液化石油氣（LPG）船和散裝貨船剪切應力最大的部位。

　　高品質造船及海洋工程用鋼的開發現狀

　　大線能量焊接船板鋼及平臺用鋼。船板用鋼要求采用200kJ/cm以上大線能量焊接，從而實現18mm~36mm厚鋼板一次焊接成型。研究人員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。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，其直徑為1μm～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，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功值均在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。研究人員采用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100kJ/cm～240kJ/cm大線能量焊接用鋼，鋼板最大厚度為80mm。

　　對于海洋平臺用E36鋼，由于采用正火態交貨，無法有效利用TMCP及微合金化等技術，目前普遍采用50kJ/cm以下焊接線能量。平臺用鋼具有以下特點：碳含量及碳當量高、厚度規格大（30~100mm）、正火態交貨。因此，必須在現有平臺鋼設計基礎上通過降低碳含量及碳當量，大幅度提高焊接性，并采用其它方式彌補強度損失。通過采用V-N-Ti合金設計，利用V（CN）的析出強化彌鋼的強度損失，能大幅度降低鋼碳含量和碳氮量。復合析出的V-N-Ti粒子還能起到細化原始奧氏體晶粒，并最終提高大線能量焊接熱影響區低溫韌性的作用。目前，工業試制50mm以上平臺鋼可以實現100kJ/cm以上的大線能量焊接。

　　油船貨油艙用耐腐蝕鋼。研究結果顯示，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。觀察腐蝕后的形貌可以看出，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則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/年的標準腐蝕速率要求，其中NSD36鋼腐蝕速率最低可以達到0.38mm/年的超低水平，約為傳統鋼的1/13。

　　大規格船用球扁鋼。研究者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，顯著地細化最終鐵素體晶粒尺寸，獲得顯著的細晶強化效果；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―――利用這一技術思路，可以在傳統孔型軋制條件下研究開發出屈服強度355MPa、390MPa、440MPa級系列高韌性船用球扁鋼品種。

　　高止裂韌性船用鋼板。大型集裝箱船等在海上航行時，受波浪影響會產生彎曲，在船體艙口圍強度甲板上產生較大的應力集中。為了便于裝卸貨物，集裝箱船通常采用大的艙口開口設計，這就需要集裝箱船具有大型商船中最高的縱向強度。為了保證船舶安全性，防止脆性斷裂的產生，艙口圍板、上甲板等部位要求使用51mm~100mm具有高止裂韌性的厚鋼板。

　　使用新型的TRRP軋制工藝（Temperature Reverting Rolling Process），可以在厚鋼板表層獲得超細晶組織。與傳統TMCP工藝相比，其特點是在兩階段軋制間將鋼板加速冷卻到AC1以下，出水后鋼板內部的熱量加熱表層，表層處在兩相區時進行控制軋制，在表層得到超細晶組織。這樣軋制的厚鋼板產生斷裂時，通常表層不發生脆性斷裂，而是產生與應力方向垂直面成45°角的塑性變形，能夠吸收裂紋傳播的能量，從而達到阻止裂紋傳播的效果，有效提高止裂性能。表層超細晶鋼板就是應用這個原理，通過增加剪切唇的形成來增強止裂性能的。

　　海洋平臺特厚齒條鋼。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。研究人員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和固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。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，且偏聚于奧氏體晶界處，有效延緩了高溫相變，顯著提高齒條鋼的淬透性。

　　9%Ni低溫鋼。隨著液化天然氣（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。

　　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。在9Ni鋼中形成5%~15%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。理論計算和實驗結果顯示，采用適當的工藝處理，9Ni鋼中的C、Ni、Mn元素的最高含量可分別達到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。 目前，我國高技術船舶及海洋工程的國產化建立在高端材料和技術大量依賴進口的基礎之上。要推進我國船舶工業及海洋石油工業的發展，保障我國能源、運輸等行業的安全，大量關鍵技術有待突破，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。