一、海洋新材料行業定義和分類

    21 世紀是海洋的世紀，海洋在國家經濟發展及維護國家主權的地位更加突出，而材料科學又是發展海洋科學技術的基礎；沒有高性能材料作為物質保證，海洋科技的發展和產業化將受到很大制約。

    所謂海洋新材料，宏觀上是指能從海洋中提取的材料和專屬用于海洋開發的各類特殊材料。海洋新材料的主要分類：海洋用鋼（鋼筋和各類不銹鋼）、海洋用有色金屬（鈦、鎂、鋁、銅等）、防護材料（防腐、防污涂料、犧牲陽極材料）、混凝土、復合材料與功能材料等。

    海洋新材料的主要應用：造船、港口碼頭及跨海大橋、海底隧道、海洋平臺、海水淡化、沿海風力發電、海洋軍事等。

    二、海洋新材料要求及分類

    1、海洋環境對材料的標準要求

    海洋工程設施通常由金屬材料（特別是鋼鐵）、鋼筋混凝土材料等制造而成。如果沒有有效的腐蝕防護措施，海洋工程設施在幾年內就會因腐蝕而嚴重破壞。因此，認識海洋腐蝕防護的重要性，并大力發展海洋工程設施專用防腐材料，推進海洋工程設施的全壽命周期維護，具有極其重要的經濟價值和社會意義。然而，我國海洋工程的防腐措施薄弱，急需加強腐蝕保護。

    影響材料在海洋環境中腐蝕的因素主要包括化學和物理兩大因素，并且兩者相互關聯。化學因素主要是氧、鹽、碳酸鹽、有機化合物、污染物等，物理因素主要包括溫度、流速、壓力及海洋生物等。通常所指的大體分為 5 個腐蝕區帶：海洋大氣區、海水飛濺區、海水潮差區、海水全浸區以及海泥區。根據海水深度不同，全浸區帶又可以分為淺水區、大陸架區和深水區，深水的定義也隨著科技的進步和海洋石油的發展在改變。目前可以將水深大于 500m 定義為深水，水深超高1500m定義為超深水。

    每個區帶都有其特有的腐蝕環境，但一般認為紫外、鹽霧、老化是海洋環境的特征。海洋環境的腐蝕條件比較嚴酷和惡劣，再加上接觸介質多種多樣，不存在任何條件下都能腐蝕的材料，因此，對海洋工程復合材料的原材料，有必要進行適當的取舍。目前，我國海洋工程材料的發展仍然面臨著諸多問題，比如涉及船舶、海洋平臺、油氣管線以及離岸建筑等方面使用的高品質金屬材料、復合材料的關鍵應用技術的開發，以及海洋用材料標準的制定。此外，鑒于海洋裝備和海洋工程長期處于嚴酷海洋環境下工作，服役中無法回避的問題是材料的腐蝕損傷、磨蝕失效和生物污損，嚴重影響海洋工程和裝備的可靠性和壽命，材料的腐蝕失效機理與防護技術已成為我國海洋工程領域都亟待解決的問題。

    2、海洋石油裝備材料的特殊要求

    與陸地環境相比，海洋環境更為苛刻、復雜。海洋石油裝備材料在安裝、服役期間會承受多種載荷的影響，同樣，也會受到海水或油氣介質引起的腐蝕，以及可能遇到的低溫或高溫環境的作用。海洋石油裝備材料的載荷條件根據產生原因可分為 : 建造載荷、功能載荷、環境載荷以及偶然載荷。建造載荷是系統在建造時，包括安裝、試壓、試運行、維護和維修產生的載荷。功能載荷是指系統在運行期間，本身存在的載荷和由于使用所引起的載荷。環境載荷即周圍環境作用于系統上的載荷，其包括風載、流體動力載荷、波浪和海流載荷、冰載荷、地震載荷等。偶然載荷是指異常和意外情況下施加于管道系統上的載荷。

    海洋石油裝備材料在建造和服役期間，要充分考慮評估各種載荷單獨或復合作用的影響，確保材料滿足服役要求。

    3、海洋材料用鋼材料

    （1）碳鋼與低合金鋼

    在海洋石油裝備材料中涉及的碳鋼和低合金鋼，主要包括平臺用鋼、鉆機井架及底座用鋼、管線鋼和立管用鋼等工程結構鋼，以及鉆機 （ 井架及底座外 ）、水下井口頭、采油樹、防噴器、管匯等設備零件用調質鋼、低碳馬氏體鋼、滲碳鋼、滲氮鋼等機械制造用鋼。我國不銹鋼的牌號標準為 GB/T20878，海洋石油裝備中主要采用馬氏體不銹鋼、奧氏體不銹鋼、雙相不銹鋼和沉淀硬化不銹鋼。

    （2）低溫用鋼

    通常將各種液化石油氣、液氨、液氧、液氮等生產、儲存容器和低溫環境服役的輸送管道及管件，稱為低溫容器，制造低溫容器所用的鋼以及在低溫環境服役的其他裝備用鋼統稱為低溫鋼。目前，國內外對低溫用鋼的溫度界限還沒有一個統一的規定。根據 GB150《固定式壓力容器》，我國低溫壓力容器定義為－ 20℃以下溫度服役的容器。

    目前，低溫鋼大致可分為四類 : 低碳鋁鎮靜鋼、低溫高強度鋼、鎳系低溫鋼和奧氏體不銹鋼。

    海洋石油裝備中主要的低溫鋼有低碳鋁鎮靜鋼、低溫高強度鋼和鎳系低溫鋼，主要應用于海底低溫環境、極地或冬季嚴寒海域、LNG 船儲罐系統等。在水深超過 1000m 的海底，溫度常年維持在 0℃附近，要求裝備材料須具有良好的低溫韌性。另外，在北極和冬季寒冷海區服役溫度極低，尤其是北極海區最冷月平均氣溫達到－ 40℃，此環境下使用的平臺構件、管系、閥門等裝備需采用 E 級 （ 滿足－ 40℃沖擊要求 ） 甚至是 F 級別 （ 滿足－ 60℃沖擊要求 ） 的鋼材。LNG（ 液化天然氣 ） 液化溫度低達－163℃左右，LNG 船儲罐材料一般采用9%Ni 鋼。9%Ni 鋼低溫下具有良好的強韌性，且合金含量少、價格便宜，已逐步取代 Ni － Cr 不銹鋼，成為－ 196℃級低溫設備和容器的最重要的結構材料，廣泛用于 LNG 儲罐。

    （3）不銹鋼

    我國不銹鋼的牌號標準為 GB/T20878，海洋石油裝備中主要采用馬氏體不銹鋼、奧氏體不銹鋼、雙相不銹鋼和沉淀硬化不銹鋼。

    （4）鎳基和鐵鎳基耐蝕合金

    純鎳除具有良好的強度、塑韌性外，在鹵族元素及其氫化物活潑氣體、不含氧和氧化劑的還原性酸性介質中還具有良好的耐蝕性，因此純鎳作為耐蝕金屬材料得以應用。由于提高耐蝕性的 Cr、Mo、W、Cu、Si 等元素在鎳中的溶解度遠大于在鐵中的溶解度，因此可通過合金化，發展了一系列上述元素含量較高的鎳基和鐵鎳基耐蝕合金。鐵鎳基合金含鎳 30% ～ 50% 且鎳與鐵總量不小于60%，鎳基合金含鎳量不小于 50%。

    耐蝕合金根據強化特征，可分為固溶強化型合金和時效硬化型合金 ; 根據成型方式，可分為變形耐蝕合金和鑄造耐蝕合金。

    鎳基耐蝕合金按不同的合金體系，可 分 為 Ni － Cu、Ni － Cr － Fe、Ni －Mo、Ni － Cr － Mo、Ni － Cr － Mo － W、Ni － Cr － Mo － Cu 等類型 ; 鐵鎳基耐蝕合金可分為 Ni － Fe － Cr、Ni － Fe －Cr－Mo、Ni－Fe－Cr－Mo－Cu等類型。

    國外耐蝕合金的主要產品Monel（ 蒙乃爾 ） 合金、Inconel 合金、Incoloy 合金、Hastelloy（ 哈氏 ） 合金等。

    Monel 合金是 Ni － Cu 合金，為 Ni、Cu以任意比例混合形成的固溶體。Inconel合金為含鐵量較低的 Ni － Cr 系鎳基合金；而 Incoloy 合金為含鐵量較高的 Ni－ Fe － Cr 系鐵鎳基合金。Hastelloy 合金是以 Cr、Mo 為主要合金元素的超低碳 Ni － Cr － Mo 系合金，包括 A、B、C、D、F、G、N、W、X 等系列。海洋石油裝備使用的幾種典型鎳基和鐵鎳基合金牌號、化學成分和應用舉例見表 1-1，不同國家耐蝕合金牌號對照見表 1-2。

    在海洋石油裝備材料中，當不銹鋼材料的耐腐蝕性能無法滿足工況要求時，則需選用具備更高耐蝕性能的鐵鎳基合金和 / 或鎳基合金。一般情況下，鎳基和鐵鎳基合金用于制造符合APIApec6A 與 17D 規范的 HH 級井口裝置和采油樹零部件。材料牌號的具體選用與腐蝕介質的溫度、介質中 H 2 S和 CO 2 分壓、pH 值、氯化物濃度以及硫元素是否存在等有關，按照 NACEMＲ 0175 選材有三種途徑，分別為：標準推薦表選擇、實驗室評價和現場實際經驗。

    4、海洋用有色金屬材料

    在海洋石油開發中，為獲得更加輕量化、壽命更長的石油裝備構件，有色金屬材料得以廣泛應用。海洋石油裝備中常用的有色金屬材料包括鈦合金、鋁合金、銅合金等。

    （1）鈦合金與鋼鐵、不銹鋼、銅、鋁等常用材料相比，鈦材最突出的特點是密度低，比強度高，耐蝕性強。同時還具有耐海水沖刷，無磁性，無冷脆性，高透聲系數，較好成形、鑄造、焊接性能等，使它對各類海洋工程有廣泛的適用性。

    目前，美國、俄羅斯和中國等先后開發出了約 50 種海洋工程用鈦合金，表 1-3 列出了常用海洋工程裝備用鈦合金的牌號及相應的性能。鈦及其合金是升級海洋資源開發裝備，提升海洋資料開發能力的理想結構材料。在海洋石油開發方面，鈦合金主要應用于隔水管、錐形應力接頭、連續管、增壓管道、鉆具提升裝置、海水管路系統、冷卻系統、滅火系統等。其中 TC4（Ti － 6Al － 4V）在海洋油氣工程中應用較多，尤其是采用 β 鍛造技術鍛造的 Ti － 6Al － 4VELI合金的平面斷裂韌性和應力腐蝕斷裂韌性高于普通 Ti － 6Al － 4V，得到了更為廣泛的應用。由 Ti － 6Al － 4V（Gr5）鈦合金制成的超深井鉆桿，垂直深度可達 9200mm。鈦合金鉆桿代替鋼鉆桿后，鉆具起吊力減少 30%，扭矩降低30% ～ 40%。井下作業連續管通常采用 Gr2、Gr7、Gr9、Gr12、Gr18、Gr28等 6 種鈦和鈦合金管焊接制造，目前最大外徑 63.6mm。連續管鉆井可以使得鉆井成本降低很多，采用鈦合金連續管，連續管的疲勞壽命和腐蝕疲勞壽命也大大延長。

    （2）鋁合金鋁及鋁合金具有密度小，耐腐蝕，無磁性，良好的成型性和焊接性等優點，應用鋁合金可提高海洋石油裝備的性價比。純鋁硬度及強度一般較低，不適宜制作受力的機械零構件。鋁及其合金在海洋油氣開發中的應用較為廣泛，主要有 : 鋁合金鉆桿、鋁合金平臺、鋁合金直升機停機坪、鋁合金海上生活套間、鋁合金隔水管、鋁合金 LNG 球罐 （Moss球罐 ） 等。

    1962 年，俄羅斯即開始使用鋁合金鉆桿。鋁合金鉆桿由于其重量輕、強度重量比高 （ 強度重量比是普通鋼的1.5 ～ 2 倍 ）、抗腐蝕性強、延展性好、與井壁的摩阻小和無磁性等優點，在深井、超深井、深水平井和大位移井中具有廣泛應用前景。美國、法國、德國和日本等國也開發了不同規格和用途的鋁合金鉆桿。1957 年，在委內瑞拉的馬拉開波湖，世界上第一個使用在高腐蝕地區的鋁合金石油鉆井平臺出現。2004年，巴西卡姆波斯巴欣公司建造了首臺全鋁石油平臺。20 世紀 90 年代鋁焊接技術的進步，出現了全鋁結構停機坪，大大減輕了重量，同時降低了成本。

    2008 年，新加坡開發了直徑 22.2m 的全鋁直升機停機坪。此外，鋁合金也用于制作海上生活單元等。目前，在 LNG船上，Moss 球罐已多采用 5083 鋁合金材料，5083 是一種 Al － Mg 合金，其具備良好的低溫斷裂韌性和裂紋擴展傳播特征，Moss 球罐即使產生了裂縫，裂縫擴展速度也非常緩慢，產生的泄漏也非常輕微。一艘 Moss 型 LNG 船大約需要 2800t ～ 3100t 的 5083 鋁合金板。

    （3）銅合金銅及其合金具有優良的力學性能、耐海水腐蝕及刷腐蝕、耐海洋生物腐蝕性能、導熱性能等，在海洋工程中有著非常關鍵的作用。按照化學成分，銅合金可分為黃銅、青銅和白銅。黃銅是以鋅為主加元素的銅合金。白銅是以 Ni為主加元素的銅合金。作為結構件，白銅常用于制造海水管道、儀表零件、冷凝器、熱交換器等。除黃銅、白銅之外的其他銅合金統稱為青銅。根據主加元素，如 Sn、Al、Si、Be 等，分別稱為錫青銅、鋁青銅、硅青銅、鈹青銅。錫青銅在海水中耐蝕性超過純銅、黃銅，常被用于彈性元件、軸承等耐磨零件、抗磁及耐蝕零件。鋁青銅的強度、硬度、耐磨性、耐熱性、耐蝕性均高于黃銅、錫青銅，主要應用于高強度、耐磨和耐蝕零件，如齒輪、軸承、閥座、螺旋槳等。

    鈹青銅具有強的沉淀強化效應，經淬火和時效，鈹青銅具有高的強度、硬度、耐磨性、抗蝕性等，常用作彈簧、海底連接件、螺線管等。在海洋油氣開發中，由于具有良好的抗污性及耐蝕性，Cu －Ni 合金包覆海洋平臺，被證明是避免或減緩飛濺區腐蝕的理想選擇。銅合金也被用于平臺海水管道、鉆頭組件、閥門組件等。海水管道和油氣平臺包覆層一般均選用 Cu － Ni 合金，以 C70600（ 美國牌號，Cu － 10Ni － 1.5Fe － Mn） 為代表，其具有優良的加工性能、可焊性和力學性能，同時具備優良的耐海水腐蝕、耐海生物腐蝕、耐應力腐蝕和耐疲勞腐蝕性能等，成為了海洋油氣用銅合金的主流材料。此外，在海洋石油工程中，有色金屬陰極保護系統也常用于油氣裝備的腐蝕與防護，經濟效益明顯。

    常用的犧牲陽極體系包括鎂基犧牲陽極、鋅基犧牲陽極和鋁基犧牲陽極。

    5、海洋石油裝備用非金屬材料

    （1）無機非金屬材料

    無機非金屬材料在海洋油氣開發中主要被用于離岸混凝土平臺。混凝土平臺具有制造周期短、安裝及維護費用低、抗海浪沖擊及冰凍擠壓能力強等優點，在海洋平臺中占有了一席之地。1973年，在北海油田建成了世界第一座海上巨型混凝土儲油平臺，自此拉開了混凝土平臺建設的序幕。截止 2012 年，全球共建成離岸混凝土平臺 52 座。離岸混凝土平臺要求混凝土材料具有高的強度、良好的耐久性和可構造性，因此海工混凝土對水泥、硅灰、骨料、化學外加劑、海砂等材料都有更為嚴格的要求。

    高強度輕質混凝土技術是目前發達國家在海洋工程中應用中的主流技術，能滿足海洋工程應用中對混凝土輕量化、大型化、大跨化、重載化以及耐久化等諸多方面的要求。采用高強度輕質混凝土材料用于平臺建造，可降低前期造價和后期維護費用約 30%。

    （2）高分子材料

    高分子材料主要用在防噴器膠芯、鉆采裝備用密封件、柔性管用聚合物材料、防腐涂料等。環形防噴器膠芯采用的橡膠材料有丁腈橡膠、氯丁橡膠、天然橡膠等。閘板防噴器膠芯以及鉆采裝備密封件主要使用丁腈橡膠、氰化丁腈橡膠。高分子材料在柔性管中的應用十分廣泛，其中可用到的熱塑性塑料包括高密度聚乙烯、交聯聚乙烯、聚酰胺和聚偏氟乙烯、氯化聚乙烯等，橡膠材料有丁腈橡膠、氫化丁腈橡膠、天然橡膠、氯丁橡膠、乙烯丙烯二烴單體橡膠等。

    （3）復合材料

    復合材料作為新型結構功能材料，具有重量輕、比強度和比模量高、阻尼性能好、耐疲勞、耐化學腐蝕、耐磨性好、熱膨脹系數低等優點，成為海洋油氣開發的重要選擇之一。復合材料在海洋油氣開發中的應用包括海洋平臺系泊纜繩、隔水管、抽油桿、柔性管及管道等。對于深海石油平臺，采用復合材料可大幅度減輕構件的重量。用碳纖維增強復合材料制成的平臺系泊纜繩可用于3000m 的深海油田 ; 用碳纖和玻纖混雜增強環氧樹脂制成的隔水管具有非常高的比強度和比剛度 ; 水下輕質復合材料可用于隔水管浮力塊、浮筒、浮纜等。

    20 世紀 90 年代，美國開始研制復合材料抽油桿，抽油桿通常增強相為 ThornelTMT － 30012K 碳纖維，基體相為環氧樹脂，具有以下優點 : 質量輕，高比強度和高比模量，減重節能效果顯著，且適合深井采油 ; 柔韌性優異，適合盤繞和運輸，操作方便 ; 耐疲勞，大大延長了使用壽命。在管道方面，玻璃鋼管、復合增強管 （TP） 以及雙金屬復合管等均可用于海洋油氣開發中。玻璃鋼管是通過玻璃纖維增強環氧樹脂，質量輕且耐腐蝕，已應用于海洋石油平臺的管道設施。復合增強管由內層 （ 聚乙烯、聚丙烯 ）、增強層 （ 聚酯纖維、芳綸纖維或高強鋼絲 ） 及外部耐磨層 （ 聚乙烯 ）組成，韌性好，強度高，可用于海洋油氣的集輸。雙金屬復合管是由雙層金屬組成的復合管，內層一般為不銹鋼或耐蝕合金，外層為普通鋼管，通過機械或冶金方法復合而成。基管負責承壓以及提供剛性支撐，內管承擔耐腐蝕作用，可用于含 H 2 S、CO 2 以及 Cl－ 等腐蝕介質油氣的輸送，常用作油田內部集輸管及剛性跨接管。此外，柔性管是海洋油氣開發中廣泛應用的復合材料管，其是由骨架層、內護套、耐磨層、鎧裝層及外層護套等組成的多層結構，常用作海洋立管及柔性跨接管等。

    三、海洋新材料研究的意義

    從世界范圍看，海洋科技創新能力和發展水平已經成為主要海洋國家間爭奪全球海洋領導地位和話語權的關鍵領域之一。

    我國是海洋大國，經過多年發展，海洋事業總體上進入了歷史上最好的發展時期。尤其是黨的十八大以來，黨中央的一系列重大決策部署均體現出了對海洋科技工作的重視，海洋科技在國家科技大格局中的地位日益突顯：《國家創新驅動發展戰略綱要》提出，要發展海洋先進適用技術，構建立體同步的海洋觀測體系，推進我國海洋戰略實施和藍色經濟發展。《“十三五”國家科技創新規劃》明確提出，我國將加強海洋、極地空間拓展等關鍵技術突破，提升戰略空間探測、開發和利用能力，為促進人類共同資源有效利用和保障國家安全提供技術支撐。這些都為海洋科技未來的發展指明了方向。

    當前是推動海洋科技創新工作再上新臺階的關鍵階段。國家海洋局實施“藍色海灣、南紅北柳、生態島礁、智慧海洋、雪龍探極、蛟龍探海”等重點工程，這些任務的落實都需要海洋科技的支撐服務和創新引領。這些既為國家海洋局科技創新工作加快發展提供了難得機遇，同時也對海洋科技創新服務發展提出了新的更高的要求。

    四、海洋新材料產業鏈分析  

    海洋新材料與海洋產業的關聯體現在海工裝備產業鏈，其主要包括船舶、海洋工程裝備、海洋涂料、發電、海上鉆井平臺、海洋污染治理等行業。

    當前，我國正處于經濟轉型升級的關鍵時期，海洋資源的開發和利用，被認為是重要的途徑之一。2015 年全國海洋生產總值 64669 億元，占國內生產總值的 9.6%。

圖 1-1 海洋新材料產業鏈

圖1-2 全國海洋生產總值占GDP情況

    開發深海資源，維護主權權益，提高我國海洋技術支撐和保障能力，必須要發展重大技術裝備。而海洋工程材料則將在其中發揮關鍵性作用。“十三五”以來，隨著經濟轉型升級需求的日益迫切，加快海洋資源的開發和利用，已成為我國的重要戰略方向。但現實的窘境是，材料問題已成為我國海洋工程裝備發展中的主要瓶頸，沒有高性能材料作為物質保障，海洋科技的發展和產業化將受到很大制約。