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干貨| 船舶及海洋工程用鋼

2018-03-28 10:37:20 作者：材料+ 來源：材料+ 分享至：

　　【材料+】說：

　　從古至今，人類征服大海的決心從沒有動搖，而體現在實際行動中，就是對海洋資源的不斷探索拓展。2017年2月13日，全球最先進超深水雙鉆塔半潛式鉆井平臺“藍鯨1號”在煙臺命名交付，其整體用鋼約40000多噸，其中10%為超強超厚鋼。“藍鯨1號”是我國船廠在海洋工程超深水領域的首個“交鑰匙”工程，具有里程碑意義。

　　鋼鐵作為海洋工程裝備的關鍵結構材料，廣泛應用于鉆井平臺、生產平臺以及海底管道等。由于服役時間長，要長期抵抗惡劣的風浪條件，水下修理維護的成本極高，其采用的鋼板逐漸向高強度、高韌性、易焊接性、良好的耐腐蝕性以及大厚度、大規格化方向發展。今天材料+小編帶大家了解船舶及海洋工程用鋼。

　　船舶及海洋工程用鋼發展史

　　二戰以后，由于推行海洋發展戰略以及蘇美兩大陣營對抗的軍事需求，以美國、俄羅斯、日本、德國等為代表海洋強國開展了大規模的艦船、海洋運輸、海洋油氣開發、海洋建筑等領域用鋼研究，形成了相應的合金標準與技術體系。典型的美國艦船用鋼經歷了由普通碳鋼（40年代）-高強鋼（50年代）-易焊高強鋼（80年代）-易焊耐蝕鋼（90年代）等幾代的發展，支撐起了包括深水潛艇、核動力航母在內的美國龐大的現代化海軍艦隊。

　　在海洋油氣開采領域，日本、德國、法國等已經掌握適用各種深度海洋鉆井平臺、作業平臺、油氣運輸船等海工裝備適用的大厚規格、高性能鋼材。目前國外已能夠生產3000米深水區域使用的塑性、強韌性、耐蝕性、抗疲勞性要求苛刻的油氣管線鋼。

　　美國潛艇、航母用鋼的發展歷程及其典型應用

　　我國在艦船用鋼、海工用鋼等方面，經過幾十年的發展取得了巨大進步，初步建立了我國自己的艦船及海工鋼鐵材料體系以及具有較強生產能力的鋼鐵企業。我國海工用鋼的國產化率已達到90%以上，有力的支撐了海洋經濟及國防建設需求。

　　海洋工程用鋼國內外研究現狀

　　1.國外研究現狀

　　目前海洋平臺用鋼遵循的四大國際標準，即En10225和BS7191（歐洲標準），API（美國標準），Norsok（北海標準），對海洋平臺用鋼的力學性能及設計制造等都有明確的規定，但對耐腐蝕性能的規范較為欠缺。

　　國際海洋平臺用鋼主要由德國的迪林根和日本的新日鐵、JFE和住友金屬生產。迪林根生產的355MPa級正火鋼可以在保證焊接性能的條件下厚度達到120mm；420MPa級的調質鋼的厚度可以達到100mm；采用TMCP工藝生產的厚度規格一般不超過90mm。

　　JFE開發出了厚度為140mm、屈服強度為700MPa、抗拉強度800MPa的含Ni海洋平臺用鋼。

　　新日鐵采用TMCP生產了厚度為16~70mm，屈服強度為500MPa，抗拉強度為650MPa，-40℃沖擊功大于200J的平臺用鋼，用于帝汶島海Bayu Undan、北海Grane和Kvitebjorn、里海的ACG、墨西哥灣Thunder Horse、地中海Western Libya等工程。

　　世界海洋平臺用高強度鋼的主要級別為屈服強度355、420、460、500、550、620、690MPa，并對低溫性能要求至少-40℃，甚至-60℃，抗層狀撕裂性能達Z向35%，耐腐蝕性能良好，主要交貨方式為TMCP、正火以及調質。

　　日本對海洋平臺用鋼的研究較早，已開發出耐海水腐蝕、大線能量焊接及低溫用等系列的高強鋼板，強度級別已達980MPa。JFE公司形成了自己的企業標準系列，海洋平臺的鋼板抗拉強度為360～980MPa，品種主要有JFE-HITEN系列高強鋼板等。

　　利用微合金化元素的析出，新日鐵開發了HTUFF技術，其用于海洋平臺的鋼板主要有WEL-TEN系列高強鋼板、NAW-K及COＲ-TEN系列無涂層焊接結構用耐蝕鋼板、MARILOY系列焊接結構用耐海水腐蝕鋼板及NAW-TEN系列含Ni耐候鋼板等品種。此外，新日鐵公司還按API2W，EN10225，NORSOK及BS7191標準生產屈服強度在315～550MPa之間的A，D，E，F級別的鋼板，最高強度達到950MPa。

　　歐洲作為海洋資源開發較早的區域，其海洋平臺用鋼的研發、應用、品種系列化及標準化處于領先地位，已可生產A，B，D，E級的屈服強度在235～690MPa之間的各種鋼板。目前歐洲用于海洋平臺建設的鋼種應用最廣泛的為S355，S420，S460及S690，耐腐蝕性能良好。挪威?？品扑箍刷蛱柡Ｑ筱@井平臺是歐洲第1座使用改進韌性S690Q鋼板的海洋平臺。

　　俄羅斯Arkticheskaya自升式鉆井平臺用于北極地區的油氣鉆探，最大鉆探深度6500m。當前S690級高強鋼在海洋平臺中的應用越來越多，但仍需解決高強鋼板焊接處易開裂及耐蝕性差等問題?，F今在海洋平臺建設中也應用了更高強度級別的鋼板，其高強鋼板主要通過調質工藝生產，鋼板屈服強度可達1100MPa，但由于焊接困難和耐腐蝕開裂問題，超高強鋼在海洋建設中應用較少。

　　當前國外海洋工程用鋼生產主要具有以下特點：

　　（1）品種的多功能化： 海洋平臺用鋼板都可成系列供貨，如高強鋼板、大線能量焊接鋼板、低溫及耐海水腐蝕鋼板等系列品種，實現了全系列供貨；

　　（2）焊接熱影響區韌化技術： 國外鋼鐵企業都開發了自己獨有的焊接熱影響區韌化技術，如JFE 公司的 JFE-EWEL技術和新日鐵公司的HTUFF 技術等；

　　（3）形成企業獨有的標準： 國外鋼鐵企業除能按通用的標準生產海洋平臺用鋼板外，還形成了性能要求更加嚴格、應用環境更加特殊的企業標準；

　　（4）實施專利保護戰略： 國外鋼鐵企業積極進行海洋平臺用鋼的國際專利布局，特別重視在中國申請專利，意圖對我國鋼鐵企業形成技術壁壘，達到降低我國海洋平臺用鋼競爭力的目的。

　　2.國內研究現狀

　　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[1,2]。

　　我國開發海洋石油起步比較晚，到20世紀80年代才建成自己的海洋石油平臺。目前我國海洋平臺主要使用屈服強度為355～460MPa的D，E及F級鋼板，基本實現國產化。我國首次自主設計建造的3000m深水半潛式鉆井平臺“海洋石油981”所用鋼的強度已達到690MPa；北海油區海洋自升式平臺固定結構已使用500MPa以上，甚至750MPa高強度鋼，但我國海洋平臺用鋼強度不高、規格不全、耐腐蝕性能較差、配套工藝不完善等問題，仍限制了我國自主開發海洋資源的能力。

　　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。

　　按照ASTM（美國）、EN（歐洲）、各船級社以及API（美國石油協會）的規范或標準來劃分，寶鋼擁有四大系列海洋平臺用厚板產品。寶鋼集團浦鋼公司采用正火工藝開發了DH36－Z35、EH36－Z35等海洋石油平臺鋼板，各項性能指標均達到相關標準規范要求。采用調質工藝試制了屈服強度690MPa高強度海洋平臺用齒條鋼，同時自主研發的自升式海洋平臺樁腿用最大厚度為178mm的厚板。

　　舞鋼成功開發了A、B、D、E、AH32-EH32、AH36-EH36級海洋平臺用鋼和EH40、FH40、E500、E550、E520、E690、A514GrQ和A517GrQ等高強度鋼板。其生產的D36-Z35海工鋼，被用于我國第一個世界級深水項目——位于南海東部1500m深海區域的“荔灣3－1”氣田中。生產的A514GrQ齒條鋼最大厚度達215mm，比國外最大厚度還超出5mm，解決了自升式平臺升降機構齒條鋼、半圓板國產化的急需。

　　鞍鋼的鋼板級別涵蓋了普通強度A、B、D、E級和高強度AH32～EH32、AH36～EH36、AH40～EH40級的大線能量焊接用船體及海洋采油平臺用鋼系列，產品最大厚度為100mm，焊接線能量為100kJ/cm。其強度、低溫韌性、規格等指標均達到國際先進水平，大大超過一般鋼廠能達到的厚度40mm、焊接線能量50kJ/cm的水平。

　　依托熱軋板帶鋼新一代控軋控冷技術，東北大學自主研制出系列首臺套熱軋鋼材先進快速冷卻裝備與控制系統，這套裝備已成為我國熱軋鋼材生產線主力機型，覆蓋了鞍鋼、首鋼等50%以上大型鋼企，實現了高品質節約型熱軋鋼材4000萬噸/年的生產規模，所研發的產品在西氣東輸、海洋平臺、跨海大橋、第三代核電站、大型水面艦艇等國家戰略性工程中廣泛應用，為我國鋼材由“中低端”向“中高端”升級換代作出了巨大貢獻。

　　海洋工程用鋼的成分及性能要求

　　海洋工程用鋼對化學成分的要求

　　影響鋼材性能的因素有：化學成分、溶煉與澆鑄、軋制以及熱處理工藝等，以化學成分為主；其中硫、磷含量直接影響著鋼板厚度方向的性能。硫是連鑄坯中偏析最為嚴重的元素。硫會造成鋼的熱脆，使鋼在高溫鍛壓時產生裂紋。在焊接時產生很多疏松和氣孔[3]。

　　磷是僅次于硫在鋼的連鑄坯中偏析度高的元素，而且磷在鐵固溶體中擴散速率很小，因而磷的偏析很難消除，從而嚴重影響鋼的性能。磷是以固溶體的形式溶解于鐵素體中，這種固溶體很脆，形成的富磷區促使鋼變脆，降低鋼的塑性、韌性及可焊性。在熱加工時易導致鋼的開裂，在焊接中容易產生裂紋。磷是降低鋼的表面張力的元素，隨著磷含量的增加，鋼液的表面張力降低顯著，從而降低了鋼的抗裂性能。

　　因此，海洋平臺用鋼板對硫、磷的含量有嚴格的要求，其中對硫的含量控制較嚴。

　　海洋工程用鋼的性能要求

　　海洋平臺由于常年浸泡在海水中，要承受各種惡劣海況，因此，海洋平臺用鋼的各項技術指標要求極高，不僅要有很高的耐大氣腐蝕和耐海水腐蝕性能，還要求良好的力學和加工性能等。海洋平臺用鋼的性能要求包括[4]：

　　（1）具有較高的強度，抵抗水面以上的風流沖擊。具有良好的抗層狀撕裂能力，避免鋼材在受到厚度方向外力時，發生撕裂；

　　（2）具有良好的低溫沖擊性能，有的海洋平臺用鋼需要在-60℃環境下具有良好的沖擊性能，可以在極寒環境下服役；

　　（3）具有良好的焊接性能，焊接接頭性能具有和母材相同或相近的力學性能，保證海洋平臺整體結構的安全性；

　　（4）鋼質純凈度要求。鋼材需具有很低的P、S等雜質元素含量，并對夾雜物的形貌、類型和分布均有很高的要求，避免海洋平臺在受到臺風和水流運動影響時發生疲勞失效，保障人生和財物安全。

　　（5）耐腐蝕性能的要求。由于海洋用鋼結構長期處于鹽霧、潮氣和海水等環境中，受到海水及海生物的侵蝕作用而產生劇烈的電化學腐蝕，漆膜易發生劇烈皂化、老化，產生非常嚴重的結構腐蝕，不僅降低了結構材料的力學性能，縮短其使用壽命，而且又因遠離海岸，不能像船舶那樣定期進行維修、保養。所以對其耐腐蝕性能的要求更高。

　　（6）針對海洋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。

　　海洋工程用鋼的發展趨勢

　　隨著我國不斷加大海洋開發力度，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、極地低溫用鋼等均需開展細致的研究工作，具體發展趨勢體現在以下幾方面[5]。

　　1、加快開發高強度、高韌性的海洋平臺用鋼

　　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。國內的海洋平臺用鋼多集中在E550 級別以下，而國外的同類產品多集中在 E690級別以上，且使用量遠遠超過國內水平。另外，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，同系列的E級和F級鋼板的需求量逐漸增加，高強度、高韌性海洋平臺用鋼將是今后重點研發的品種。

　　2、研發低成本高附加值產品

　　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。

　　3、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。

　　4、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。

　　參考文獻：

　　[1] 徐興平。海洋石油工程概論[M]. 山東：中國石油大學出版社， 2007.

　　[2] 劉放。海洋平臺技術的現狀及發展趨勢[J]. 設計與計算， 2009, （6）：1-3.

　　[3] 粟京，劉華祥，馬濤等，海洋平臺用鋼及其焊接接頭的韌性研究[J]. 船海工程， 2010, （5）：234-237.

　　[4] 陶素芬， 700MPa級海洋平臺用鋼成分、組織與性能的研究。北京科技大學博士論文，2015年。

　　[5] 劉振宇，唐帥，陳俊等，海洋平臺用鋼的研發生產現狀與發展趨勢[J]. 鞍鋼技術， 2015, 1:1-7.

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責任編輯：王元