一、復合材料

    復合材料作為新型結構功能材料，具有優(yōu)越的可設計性，而且具有重量輕、比強度和比模量高、阻尼性能好、耐疲勞、耐化學腐蝕、耐磨性能好、熱膨脹系數低以及射線透過性好等特點，并且在海洋濕熱、多鹽的環(huán)境條件下也能夠表現出優(yōu)異的性能。復合材料的應用情況能夠反映一個國家海洋工程裝備的先進程度和未來的發(fā)展趨勢。

    海洋工程用復合材料的發(fā)展趨勢

    未來 5-10 年的海洋油氣資源勘探開發(fā)中，海洋平臺、海底管道、系泊系統(tǒng)等的建設需求旺盛，并且隨著我國海洋強國戰(zhàn)略的進一步實施，包括軍、民用船艇海洋工程裝備面臨前所未有的發(fā)展機遇，同時對材料的性能要求也越來越高。

    復合材料在替代傳統(tǒng)金屬材料方面還有很多空間。對于海洋工程用復合材料，尚有很多工作要做。未來將向三個方向發(fā)展：

    （1）向低成本、高性能、集成化生產的方向發(fā)展

    各種規(guī)格的船舶制造商們正尋找提高其競爭力的方法，以較低的成本將產品更快地推出市場是達到這一目標的關鍵所在。設計和制造質量的提高會促進上述目標的實現。船舶部件需要在極端氣候條件下具備可靠性、安全性，因此性能在許多應用中都是關鍵因素。速度和穩(wěn)定性是船舶設計的主要目標。例如賽艇、高速巡邏艇和特殊用途船舶以及某些快速渡輪。軍用和商用船艇的上部結構也追求減重目標，重心的降低可以提高穩(wěn)定性和安全性。最小化并精確控制復合材料層壓板的質量可以獲得更好的性能。

    （2）向虛擬設計、制造、驗證一體化的方向發(fā)展

    復合材料設計軟件正快速成為多個行業(yè)設計過程中的主要組成部分。設計和應力分析是設計過程中的兩大重點，通常這兩個學科之間的交流并不理想，因此會出現單調且緩慢的重復工作。最近幾年，復合材料設計軟件和結構分析軟件之間的雙向交流取得了良好的進展。制造商通過開發(fā)出的復合材料部件或組裝件的完整詳細的三維 CAD 模型，可以對復合材料模型進行精確性和完整性的定義，帶來了更高的質量，并且可以預測潛在的制造問題，設計和分析同步進行，部件得以優(yōu)化，不同部件擁有專門的設計方法。復合材料部件的設計越精確，結構的優(yōu)化也就更好更快。采用復合材料設計軟件可以使工程師在開發(fā)過程中大大減少變數，也讓使用者可以立即記錄下所有設計上的改變。在設計初期對復合材料部件進行完整詳細的三維設計，制造過程中所有的層壓板、層片和芯材信息都是始終不變的。

    Vistagy 公司的 FiberSIM 軟件被用于此類大型玻璃纖維復合材料部件大的設計和開發(fā)。

    （3）向新型可靠生產工藝的方向發(fā)展

    受我國制造業(yè)水平落后的限制，加之采用先進復合材料進行大規(guī)模、一體化成型的核心技術被發(fā)達國家所掌握，我國在海洋工程用復合材料成型工藝方面與發(fā)達國家存在一定差距，材料性能的批次穩(wěn)定性有待提升。自動化生產能力和大規(guī)模、一體化成型方面國內技術相對落后，在建造大型結構件或一體化成型艦船、石油工業(yè)等領域所用大型結構件中存在工藝瓶頸。新型可靠的生產工藝，保證產品不同批次的性能穩(wěn)定，是目前和今后一段時間的主要工作之一。

    二、無機材料

    無機材料（主要是水泥混凝土）是目前海工建筑中使用最多的材料，對全球海洋經濟和海洋產業(yè)的發(fā)展影響重大。

    水泥混凝土在海洋環(huán)境應用中展示出優(yōu)異的抗海水腐蝕能力，并應用于越來越多的海工建筑中，如碼頭、橋梁、海底隧道、防浪堤、海上鉆采平臺等，21 世紀將是水泥混凝土在海洋工程中大規(guī)模應用的世紀。

    我國海工混凝土發(fā)展戰(zhàn)略目標和重點發(fā)展方向推進水泥混凝土在海洋工程領域的應用，建立完善的標準和規(guī)范體系，完善配套原材料、工藝、技術、裝備的開發(fā)和應用，提高我國的海上資源開發(fā)能力及海洋經濟的競爭力是我國海工混凝土發(fā)展戰(zhàn)略目標。

    重點發(fā)展方向

    （1）海工超高性能混凝土技術（如高強輕質混凝土）及相關原材料的研究開發(fā)及在海洋工程中的應用。高強度輕質骨料混凝土是現有海工混凝土材料發(fā)展的核心技術之一。雖然目前發(fā)達國家的離岸海工建筑如海上油氣平臺、海上風電基座等大規(guī)模使用高強度輕質骨料混凝土技術，但混凝土材料本身自重大的缺點無法避免，因而限制了如混凝土 LNG 船、FPSO 等的進一步發(fā)展。目前以挪威為代表的海洋發(fā)達國家重點研究將現有高強度輕質骨料混凝土生產技術進一步提高，容重比力圖達到 1500kg/m 3 （設計強度 70MPa），現有技術大約在 1900kg/m 3 （設計強度 70MPa）。

    （2）海水海砂拌合及珊瑚礁在遠洋人工島礁建設中的利用技術。利用海水、海砂、珊瑚礁等代替淡水、河砂等材料配制及應用混凝土的技術，對于在遠離大陸的遠洋、海島等快速修建人工島礁、離岸鉆采平臺及國防安全有著重要的現實意義極高的應用價值。

    （3）混凝土鋼復合材料的研究開發(fā)及在海洋工程中的應用。離岸混凝土平臺的自重過大仍然是影響其大規(guī)模推廣的重要原因之一，雖然混凝土材料的進一步輕量化是其可選途徑之一。結合水泥混凝土耐腐蝕、成本低的優(yōu)點和鋼材高強、自重低的優(yōu)點，制造混凝土鋼結合的材料用于海洋工程。

    （4）海工混凝土專用的高強高耐蝕鋼的開發(fā)及應用。針對水泥混凝土在海洋中的環(huán)境特殊性，開發(fā)專用的高強耐蝕鋼，如通過冶金雙結合技術生產復合耐蝕鋼，提高水泥混凝土在海洋環(huán)境中的耐久性。

    （5）離岸混凝土構建物（如油氣鉆采平臺、海上風電混凝土基礎）的設計和生產制造技術的開發(fā)。離岸平臺的設計及生產制造技術是一項技術難度大、涉及行業(yè)廣、跨領域的應用技術，目前在國內尚屬空白。

    （6）海上混凝土油氣鉆探平臺及多功能平臺的制造相關技術裝備的開發(fā)。國內對于海上混凝土施工專用的相關裝備如泵送、吊裝等機械的開發(fā)研究較少，海上施工環(huán)境及變化性與陸地區(qū)別很大，國內應加強該領域專用機械裝備的開發(fā)及生產。

    三、鋼鐵材料

    海洋工程用鋼鐵材料主要包括：海洋國土安全領域用鋼、海洋油氣資源開發(fā)領域用鋼、海洋基礎設施建設領域用鋼、海洋交通領域用鋼。

    我國海洋工程用鋼的發(fā)展對策及重點發(fā)展方向

    （1）高強韌、易焊接艦船用納米相強化鋼制造技術及其科學基礎

    船體結構鋼材料在艦船建造中用量最大，結構重量約占全船排水量的 40%-50%。船體結構鋼體系是否完整、合理，綜合性能優(yōu)劣直接影響艦船的作戰(zhàn)性能和水平。大型水面水下艦船的抗爆抗沖擊能力是決定艦船生命力的關鍵因素。為了提高艦船的抗爆抗沖擊能力，一個有效的途徑是增強艦船用結構鋼的強度和韌性。同時，增強艦船用結構鋼的強度和韌性也是艦船減重的最有效途徑。

    隨著鋼材強度級別的提高，鋼中合金元素增多，使得鋼的碳當量和裂紋敏感性也隨之大幅增加，這使得鋼的焊接變得十分困難。而焊接對于艦船建造具有重要影響。其中焊接工作量約占船體建造總工作量的 30%-40%，焊接成本約占船體建造成本的 30％ -50％，因此高強度易焊接鋼的開發(fā)對大型艦船性能穩(wěn)定性和艦船經濟性、建造周期以及造船量均具有重要影響。

    為了滿足我國大潛深潛艇，尤其是航空母艦建設的要求，急需大量高強度、高韌性，同時具有高焊接性能和耐候性的低合金結構鋼。

    沉淀強化代替碳強化是開發(fā)新型艦船用鋼的新途徑，現有研究表明，由高數量密度細小富銅納米相代替碳強化，在較低合金含量的情況下可獲得高強度，同時保持較好的韌性。

    通過大量降低碳含量，并避免使用高碳當量的合金元素 Cr 和Mo 等可進一步降低合金中合金元素的總含量，來提高焊接性能；鋼中適量的銅和其他合金元素對提高鋼在海洋環(huán)境條件下的耐腐蝕性能具有良好的作用。美國海軍 HSLA 系列鋼的成分和工藝是公開的，我國有關單位根據 HSIA 鋼的成分和工藝做了部分探索性工作。但是，銅沉淀強化鋼的核心技術是通過工藝控制銅沉淀相成分、尺寸、分布等特性來獲得優(yōu)帛的綜合性能。我國目前對于如何控制沉淀相的性能還沒有足夠認識，這嚴重阻礙了我國航母用鋼的研究開發(fā)工作。

    因此，急需開展高強、易焊接艦船用納米相強化鋼生產技術及其科學基礎研究項目。

    研究目標：掌握高強韌、易焊接納米相強化鋼的合金設計和冶金技術；從納米尺度掌握影響鋼材性能穩(wěn)定的機制；掌握熱機械處理等組織控制技術；掌握鋼材的焊接工藝技術；掌握納米相的析出行為和機制及其對力學性能的影響規(guī)律；完成工程示范應用。

    （2）深海鉆井平臺用鋼的關鍵生產技術及冶金學原理

    研究充分開發(fā)和利用我國豐富的海洋能源和資源是我國經濟可持續(xù)發(fā)展的命脈之一。深海石油天然氣鉆井平臺是完成海洋深度探測和開采的關鍵裝備，其工作環(huán)境惡劣、建設周期長且成本高、維護保養(yǎng)困難，服役時間要求比船舶長 50%，因此深海海洋平臺用鋼既要有高強度和高韌性，又要具有良好的抗疲勞、抗層狀撕裂性能、焊接性能及耐腐蝕性能。目前，我國海洋平臺用鋼級別較低，關鍵部位所用高強度、大厚度材料依賴進口，是受制于外國的“卡脖子”關鍵材料。為了滿足我國深海資源開發(fā)的需要，迫切需要研究超高強度海洋平臺用鋼的冶金學原理并開發(fā)關鍵生產技術。

    未來針對高等級海洋平臺用鋼，將著重研究海洋平臺用鋼厚規(guī)格產品的組織與性能控制理論、“大熱輸入”氧化物冶金原理及高耐腐蝕合金與顯微組織結構的設計機理等方面工作，為我國深海資源開發(fā)利用積累相關理論并提供關鍵工藝技術。

    研究目標：開發(fā)出極地條件下應用的 50mm 厚、低溫沖擊性能滿足 -60℃條件下 CTOD 實驗要求的海洋平臺用鋼；開發(fā)出超高強海洋平臺用鋼的高效焊接技術；給出合金元素、組織狀態(tài)對耐腐蝕性能的影響規(guī)律，開發(fā)出高耐蝕海洋平臺用超高強鋼；通過創(chuàng)新軋制及熱處理工藝技術和裝備，開發(fā)出超薄（4-6mm）及超厚（259mm）規(guī)格海洋平臺用鋼。

    （3）厚規(guī)格高耐蝕易焊接深海管線鋼關鍵技術及冶金學原理

    21 世紀將是海洋的世紀，海洋資源開發(fā)和利用已經成為世界各國發(fā)展的重要戰(zhàn)略方向，而海底油氣資源是世界各國爭奪的重要資源。隨著海洋油氣開采走向深海，厚規(guī)格高耐蝕易焊接深海管線鋼需求量巨大，迫切需要厚規(guī)格、易悍接、耐腐蝕和止裂性能良好的深海管線用鋼。

    研究目標：掌握 X70 以上級別等厚規(guī)格深海管線鋼組織細化及 DWTT 控制技術；厚向組織均勻化技術；適用于厚規(guī)格深海管線鋼大線能量焊接的合金化和組織設計技術；大線能量焊接工藝技術；深海管線腐蝕行為表征；耐油氣介質腐蝕的合金化技術；高塑性組織控制技術；完成工程示范應用。

    （4）耐海水腐蝕特厚板關鍵制造技術及其科學基礎

    海洋工程用鋼是我國海洋開發(fā)的重要鋼種。國內外在海洋工程用鋼領域對于 60-150mm 厚板有很大的市場需求，尤其是高鋼級，具有重要的現實需要和良好的市場前景。

    海洋工程用鋼厚板與特厚板生產的主要技術難點主要體現在：傳統(tǒng)連鑄坯存在的宏觀和微觀偏析所導致的厚板組織和力學性能的不均勻性，以及由此造成的產品性能不穩(wěn)定性，尤其是低溫沖擊韌性、Z 向性能和板厚遞減效應，低壓縮比軋制特厚板造成的中心疏松、縮孔等，導致特厚板質量不能滿足要求，對于武鋼等鋼企新品種的開發(fā)形成嚴重制約，給武船、719 等造船與軍工用戶的使用帶來困難。

    研究目標：在鋼鐵企業(yè)現有工藝裝備條件下，優(yōu)化工藝技術，開發(fā) 20-100mm 海洋工程用鋼厚板與特厚板；提高鋼材質量及其穩(wěn)定性；在此基礎上，采用結晶器喂鋼帶技術，制造 100-150mm 海洋工程用鋼特厚板。

    四、鈦合金

    形成完整的海洋工程裝備用鈦合金材料設計、驗證、制造、加工、研究等產業(yè)體系，打造若干具有較強創(chuàng)新能力的海洋工程裝備用鈦合金配套、服務機構，全面掌握海洋工程裝備用鈦金屬材料的設計技術、應用技術和生產加工技術，具備創(chuàng)新應用鈦金屬材料的技術能力，達到海洋工程裝備鈦合金應用技術和范圍的國際先進水平，使我國海洋工程裝備用鈦及鈦合金量達到 15000-20000t，占全國鈦加工材產量的 10％～ 15％，為全面提升我國海洋工程裝備的技術水平做出應有貢獻。

    專題資料來源：文獻、百度文庫、知網、材料 +、網絡等綜合整理