我國(guó)海洋工程用鋼鐵材料研發(fā)現(xiàn)狀

    海洋工程用鋼主要種類(lèi)可分為：海洋油氣開(kāi)發(fā)裝備、艦船用鋼、橋梁基礎(chǔ)設(shè)施用鋼、海洋特殊裝備（包括深潛器、海水淡化、深海資源勘探）用鋼等。

    1、海洋平臺(tái)用鋼

    海洋油氣開(kāi)發(fā)主要裝備是海洋平臺(tái)，海洋平臺(tái)服役期一般為20-40年，比普通船舶高約50%，由于海洋平臺(tái)處于深水、浪涌、低溫等多重復(fù)雜而苛刻的服役環(huán)境，平臺(tái)建造所采用的鋼板需要具有高強(qiáng)度 、高韌性、抗疲勞、抗層狀撕裂、良好可焊性和可加工性等綜合性能。海洋平臺(tái)按作業(yè)方式可分為鉆井平臺(tái)和生產(chǎn)平臺(tái)兩大類(lèi)。材料級(jí)別從355-690MPa，最大厚度可達(dá)259mm。EH36及以下級(jí)別平臺(tái)用鋼基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，占平臺(tái)用鋼量的90%，但關(guān)鍵部位所用超高強(qiáng)度（600MPa以上）、大厚度（100mm以上）、高韌性（－40℃以下）、適應(yīng)50kJ/cm以上大焊接熱量輸入的鋼材還需進(jìn)口。平臺(tái)主要遵循的通用標(biāo)準(zhǔn)包括BS/EN系列歐標(biāo)、美標(biāo)API、北海NOSOK及國(guó)際船級(jí)社規(guī)范等。我國(guó)的海洋平臺(tái)用鋼標(biāo)準(zhǔn)體系還需要進(jìn)一步完善。隨著我國(guó)海洋開(kāi)發(fā)的不斷發(fā)展，對(duì)海洋平臺(tái)用鋼的需求量不斷擴(kuò)大，預(yù)計(jì)年用鋼需求量在300萬(wàn)噸以上。

    2、海底油氣管線用鋼

    隨著陸地及近海油氣資源的日漸枯竭，深海和超深海的油氣資源的勘探開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為世界油氣開(kāi)采的重點(diǎn)領(lǐng)域。隨著海上油氣田、極地油氣田、深水氣田的開(kāi)發(fā)，面對(duì)惡劣的海洋服役環(huán)境，對(duì)海底管線提出了比陸地管線更高的質(zhì)量要求，如鋼管高鋼級(jí)、大厚度、各向同性、低屈強(qiáng)比、低溫下的高韌性、高止裂性、良好焊接性、抗大應(yīng)變性能及抗酸性介質(zhì)腐蝕等性能。在目前國(guó)際上普遍執(zhí)行的美國(guó)協(xié)會(huì)API標(biāo)準(zhǔn)中，管線用鋼級(jí)別涵蓋了X42-X80的焊接高強(qiáng)度鋼。國(guó)內(nèi)每年需建設(shè)原油管線6000km，至少需要17萬(wàn)噸的海底管線鋼。如果國(guó)內(nèi)南海油氣資源大規(guī)模開(kāi)發(fā)，則需要的管線鋼數(shù)量將大幅度上升。

    3、船舶用鋼

    我國(guó)作為世界造船大國(guó)，正向著輕量化、大型化、安全化、長(zhǎng)壽化的趨勢(shì)發(fā)展，在高技術(shù)船舶方面的設(shè)計(jì)建造及材料應(yīng)用已躋身世界先進(jìn)行列，船體結(jié)構(gòu)用鋼的強(qiáng)度級(jí)別從235MPa-1000MPa，年需求量達(dá)到1200萬(wàn)噸以上。具有高強(qiáng)度、高韌性、易焊接、高止裂性、耐低溫、耐腐蝕及大厚度、寬規(guī)格等關(guān)鍵特性的鋼板成為船用鋼的發(fā)展方向。除冰級(jí)船舶、化學(xué)品船、LNG船、大型郵輪等船舶所需特種鋼材正處于研發(fā)階段以外，我國(guó)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)絕大部分船型所需材料的國(guó)產(chǎn)化。

    隨著我國(guó)海洋戰(zhàn)略的實(shí)施，以及人類(lèi)開(kāi)發(fā)利用深海時(shí)代的到來(lái)，對(duì)高性能海洋平臺(tái)用鋼的需求量將不斷增加，海洋平臺(tái)用鋼也將成為未來(lái)幾年國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)重點(diǎn)研發(fā)和生產(chǎn)的產(chǎn)品。綜合分析我國(guó)海洋工業(yè)的市場(chǎng)需求及現(xiàn)有海洋平臺(tái)用鋼與國(guó)外產(chǎn)品的差距，可以看到，目前海洋平臺(tái)用樁腿、懸臂梁及半圓板等結(jié)構(gòu)件急需升級(jí)換代，特厚規(guī)格齒條用鋼、極地低溫用鋼、高耐蝕性特種鋼等均需開(kāi)展細(xì)致的研究工作，同時(shí)應(yīng)與設(shè)計(jì)單位和下游用戶密切合作，積極推進(jìn)高端裝備材料的工程化應(yīng)用，盡快健全材料體系，建立完備的國(guó)際認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和材料應(yīng)用評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。

    海洋裝備用鋼未來(lái)具體發(fā)展趨勢(shì)體現(xiàn)在以下幾方面：

    1、實(shí)現(xiàn)高性能海洋平臺(tái)用鋼的國(guó)產(chǎn)化

    海洋平臺(tái)用鋼的高性能包括高強(qiáng)度、高韌性、耐腐蝕等特點(diǎn)，從海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，采用高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度鋼可以有效減輕平臺(tái)結(jié)構(gòu)自重，增加平臺(tái)可變載荷和自持能力，提高總排水量與平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)自重比。而隨著深海及極地海洋平臺(tái)建設(shè)的快速發(fā)展，海洋工程用鋼的低溫韌性更顯重要，因此，690MPa以上級(jí)別的超高強(qiáng)度、耐-60℃及以下低溫的高韌性、大厚度海洋平臺(tái)用鋼將是今后研發(fā)的重點(diǎn)。

    全面提升材料的綜合性能，如良好的力學(xué)性能，滿足鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、韌性、耐疲勞性、耐海水腐蝕等設(shè)計(jì)要求；良好的加工工藝性，如冷熱加工工藝性、可焊性等，以保證設(shè)計(jì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

    2、開(kāi)發(fā)海洋工程用鋼生產(chǎn)新工藝

    為實(shí)現(xiàn)海洋平臺(tái)用高強(qiáng)度特厚規(guī)格鋼板的國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用，開(kāi)展鋼板冶金質(zhì)量、組織性能穩(wěn)定化控制等關(guān)鍵生產(chǎn)工藝技術(shù)研究，包括大斷面鑄坯（錠）凝固與冶金質(zhì)量控制、基于大厚度鋼板組織性能均勻化的控制軋制及熱處理技術(shù)，系統(tǒng)掌握大厚度鋼板的強(qiáng)韌性變化機(jī)制、微觀組織與力學(xué)性能控制的冶金學(xué)規(guī)律與控制技術(shù)。

    3、系統(tǒng)化的海洋工程用鋼應(yīng)用技術(shù)研究

    可焊性、抗疲勞和耐腐蝕是實(shí)現(xiàn)海洋平臺(tái)工程化應(yīng)用的關(guān)鍵應(yīng)用特性。以導(dǎo)管架平臺(tái)為例，所采用的易焊接高強(qiáng)鋼要求實(shí)現(xiàn)“焊前不預(yù)熱，焊接高輸入、焊后免熱處理”。我國(guó)急需在大線能量焊接的基礎(chǔ)原理及關(guān)鍵技術(shù)上實(shí)現(xiàn)突破，以滿足海洋裝備領(lǐng)域的高效化生產(chǎn)需求，推進(jìn)高端裝備材料的升級(jí)換代。面對(duì)復(fù)雜的海洋腐蝕環(huán)境，開(kāi)展系統(tǒng)的腐蝕實(shí)驗(yàn)及研究，開(kāi)發(fā)具有高強(qiáng)、高韌、耐浪涌、耐海洋環(huán)境腐蝕和長(zhǎng)壽命用高性能低合金耐蝕鋼、不銹鋼等高性能特殊鋼，形成系列化，滿足海洋環(huán)境對(duì)鋼材的耐腐蝕、長(zhǎng)壽命要求。

    4、研發(fā)低成本高附加值產(chǎn)品

    產(chǎn)品海洋平臺(tái)是由鋼結(jié)構(gòu)焊接而成，其中高強(qiáng)鋼所占比例高達(dá) 60%～90%，如果在高強(qiáng)鋼合金設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)減量化，將會(huì)大大降低海洋平臺(tái)的建設(shè)成本。 國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的 690 級(jí)高強(qiáng)鋼均采用添加大量的Ni、Mo 等貴重合金元素，如能通過(guò)合金設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)“以 Mn/C 代 Ni”的成分設(shè)計(jì)思路，可以大幅度降低成本。首先，Mn 是一種強(qiáng)奧氏體穩(wěn)定元素，其價(jià)格只是Ni的 1/5-1/20，其次，高 Mn 鋼具有優(yōu)異的強(qiáng)度和塑性的綜合性能以及優(yōu)異的低溫韌性。 高M(jìn)n 鋼本身的優(yōu)異綜合性能可以解決目前海洋平臺(tái)用 690 MPa 級(jí)超高強(qiáng)鋼的低溫韌性差、屈強(qiáng)比高等問(wèn)題， 能夠滿足未來(lái)深海和極地海洋平臺(tái)對(duì)超高強(qiáng)鋼安全性能和建造成本需求， 這也是今后高強(qiáng)、高韌海洋平臺(tái)用鋼的重要發(fā)展方向。

    5、良好成形性能的低屈強(qiáng)比

    海洋平臺(tái)用鋼開(kāi)發(fā)從海洋平臺(tái)底部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)， 如果采用先進(jìn)的樁腿（包括樁靴）結(jié)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)，將會(huì)增加平臺(tái)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(jí)超高強(qiáng)鋼，但其他樁腿結(jié)構(gòu)用鋼一般僅為 550 MPa 級(jí)別高強(qiáng)鋼。 主要原因在于， 其他結(jié)構(gòu)用鋼不僅要求具有較高的強(qiáng)度，同時(shí)需要良好的成形性能，因而對(duì)屈強(qiáng)比進(jìn)行了嚴(yán)格限制， 海洋平臺(tái)安全設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)件用鋼的屈強(qiáng)比不允許超過(guò) 0.85， 以確保塑性失效前有足夠的延展性來(lái)防止發(fā)生災(zāi)難性的脆性斷裂。

    6、止裂性能高強(qiáng)鋼開(kāi)發(fā)

    針對(duì)船舶、建筑、儲(chǔ)油罐、海洋結(jié)構(gòu)、管線等結(jié)構(gòu)設(shè)施所發(fā)生的一系列的結(jié)構(gòu)件斷裂災(zāi)難事故，國(guó)際工程領(lǐng)域提出了生產(chǎn)和應(yīng)用止裂性性能鋼板的要求，且正在形成并推廣相關(guān)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。 鋼中存在一定量的殘余奧氏體時(shí)， 在裂紋擴(kuò)展時(shí)可以使其沿殘余奧氏體發(fā)生偏轉(zhuǎn)， 或者因裂紋尖端的應(yīng)力集中引發(fā) “殘余奧氏體→馬氏體” 相變的TRIP 效應(yīng)而產(chǎn)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(diào)控鋼中殘余奧氏體含量， 因此通過(guò)合理的成分設(shè)計(jì)以及組織性能控制，實(shí)現(xiàn)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(qiáng)韌海洋平臺(tái)用鋼的又一重要發(fā)展趨勢(shì)。

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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