干勇院士：海洋交通用鋼鐵材料及其冶金制備技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)
2024-03-07 14:30:21
作者：干勇，劉中秋，等 來源：腐蝕與防護(hù)
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建設(shè)海洋交通強(qiáng)國(guó)，離不開鋼鐵材料的有力支撐。作為海洋船舶及工程的主要材料，鋼鐵材料及其冶金制備技術(shù)的發(fā)展具有基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性、戰(zhàn)略性和服務(wù)性的作用。
由于海洋裝備長(zhǎng)期服役于大負(fù)載、高鹽霧環(huán)境中，從經(jīng)濟(jì)性、加工性、環(huán)境友好性等多角度考慮，運(yùn)用多種先進(jìn)冶金技術(shù)制備大尺寸、高強(qiáng)度、高韌性、高耐蝕性和具有良好焊接性能的鋼鐵材料是目前海洋交通行業(yè)的主要發(fā)展需求之一。這些鋼鐵材料及冶金制備技術(shù)的不斷創(chuàng)新與應(yīng)用，將進(jìn)一步促進(jìn)海洋交通的高安全、高質(zhì)量、低能耗發(fā)展，為國(guó)家的安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技進(jìn)步提供強(qiáng)有力的支撐和保障。
鋼鐵材料在海洋交通領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀
自步入21世紀(jì)以來，中國(guó)的鋼鐵材料產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，2021年中國(guó)鋼鐵出口量位居全球第一位。鋼鐵材料的高速發(fā)展帶動(dòng)了中國(guó)高端裝備及制造業(yè)體系的建設(shè)，對(duì)中國(guó)的國(guó)防安全、科學(xué)考察、資源開采等領(lǐng)域產(chǎn)生了重大影響。中船重工自主設(shè)計(jì)建造的“蛟龍?zhí)?rdquo;成功下潛至馬里亞納海溝7062米深度；中國(guó)第一艘完全自主設(shè)計(jì)的彈射型航空母艦“福建艦”首次海試成功，以及世界最先進(jìn)的鉆井平臺(tái)A5000的順利交付，這一系列事跡均標(biāo)志著中國(guó)海洋交通用鋼鐵材料已達(dá)到世界前列水平，海洋交通用鋼鐵材料的迅猛發(fā)展對(duì)中國(guó)海洋交通行業(yè)的發(fā)展及相關(guān)設(shè)施的建設(shè)起到了重要的支撐和保障作用。
01 高性能船舶
高性能船舶是指采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念、材料和技術(shù)制造的具有出色性能和效率的船舶，廣泛應(yīng)用于國(guó)防安全、海洋交通等領(lǐng)域。
航空母艦、液化天然氣船與大型郵輪并稱為世界造船業(yè)三顆“明珠”。其中，航空母艦是一種以空中作戰(zhàn)為主要任務(wù)的大型軍艦，是現(xiàn)代海上軍事力量的核心之一。甲板是航母艦體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，不僅要承受艦載機(jī)在起飛和降落過程中產(chǎn)生的高強(qiáng)度沖擊，還要承受噴氣式飛機(jī)高達(dá)幾千度的火焰的灼燒，因此甲板鋼厚度需達(dá)到50～80 mm；此外，鋼材數(shù)量過多會(huì)導(dǎo)致航母表面出現(xiàn)大量的焊縫，降低甲板強(qiáng)度，因此甲板鋼材尺寸應(yīng)盡可能寬大，同時(shí)保證每米甲板鋼的不平度小于5 mm。
例如，中國(guó)首艘國(guó)產(chǎn)航母山東艦的特種鋼材由5.5 m超寬軋機(jī)所制造，其-84 ℃低溫沖擊韌性大于250 J，屈服強(qiáng)度達(dá)到了690 MPa，甲板鋼兩側(cè)之間的耐壓強(qiáng)度偏差小于10 MPa，其耐受抗壓性能達(dá)到全球頂尖水平。
液化天然氣船是在-162 ℃低溫條件下運(yùn)輸液化氣的專用船舶，被喻為世界造船“皇冠上的明珠”。目前液化天然氣船按液貨艙的結(jié)構(gòu)形式可分為獨(dú)立儲(chǔ)罐式和膜式。獨(dú)立儲(chǔ)罐式可細(xì)分為1HI-SPB棱柱型貨艙和Moss Rosenberg球型獨(dú)立貨艙，兩者均使用帶有加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的鋁合金或9%Ni鋼板構(gòu)成貨艙邊界。
薄膜貨艙主要分為法國(guó)TechniGaz公司開發(fā)的TechniGaz薄膜型貨艙和法國(guó)Gaz Transport公司開發(fā)的Gaz Transport薄膜型貨艙。由36%鎳、63.8%鐵和0.2%碳所構(gòu)成的鎳鐵合金（殷瓦鋼），其熱膨脹系數(shù)無限趨近于零，使得殷瓦鋼能夠在低溫條件下保持穩(wěn)定和強(qiáng)度。因此，殷瓦鋼通常作為核心艙的建造鋼材。
液化天然氣燃料儲(chǔ)罐作為液化天然氣船的核心部件，通常采用屈服強(qiáng)度680 MPa的9%Ni鋼作為燃料儲(chǔ)罐的鋼材。韓國(guó)大宇造船海洋工程在世界上首次將抗拉強(qiáng)度為1200～1800 MPa的高錳鋼用于液化天然氣動(dòng)力超大型油輪的燃料箱建造，保證其即使在零下兩百度超低溫的環(huán)境下，也能保持穩(wěn)定工作。
最近，由江南造船有限責(zé)任公司為PETREDEC公司建造的93000 m³超大型液化氣船（VLGC）系列船第三艘“Hyperion”號(hào)正式簽字交付。該船總長(zhǎng)230 m，型寬36.6 m，服務(wù)航速16.5節(jié)。
大型郵輪是一種巨大的豪華客運(yùn)船，通常用于提供海上人員運(yùn)輸和游輪旅行服務(wù)，對(duì)于提高國(guó)際貿(mào)易交易量以及促進(jìn)當(dāng)?shù)匚幕ㄔO(shè)有著巨大的作用。通常在建造大型船舶時(shí)，鋼板平均厚度需要達(dá)到20 mm左右以確保船體質(zhì)量，然而采用常規(guī)電焊焊接的鋼板焊縫粗大難以保持結(jié)構(gòu)的完整性。最近，由中國(guó)制造的首艘國(guó)產(chǎn)大型郵輪“愛達(dá)·魔都號(hào)”，其采用的4～8 mm厚的薄形鋼板占比達(dá)到了總鋼板量的80%，同時(shí)使用了先進(jìn)的激光復(fù)合焊接技術(shù)使焊縫更細(xì)更平，并將焊接速度提升了4倍多。它的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)大型郵輪從零到一的突破，標(biāo)志著中國(guó)成為全球第五個(gè)有能力建造大型郵輪的國(guó)家。
02 跨海大橋
跨海大橋被用于跨越海洋、海灣、海峽等水域，從而促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及文化交流。其中，橋梁主體、支撐柱、橫梁等結(jié)構(gòu)部件通常都是使用高強(qiáng)度鋼材制造，以確保橋梁的穩(wěn)定性和承載能力。
例如，連接丹麥哥本哈根和瑞典第三大城市馬爾默的厄勒海峽大橋全長(zhǎng)16 km，是全球第10大橋，其引橋主桁主要采用屈服強(qiáng)度為460 MPa的S460N鋼材，獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及先進(jìn)鋼鐵材料的結(jié)合使其成為世界上承重量最大的斜拉橋。
中國(guó)的港珠澳大橋是世界上最長(zhǎng)的跨海大橋，在其建造過程中，不僅消耗鋼材數(shù)量巨大，同時(shí)也是一個(gè)多鋼種薈萃的典范，鞍鋼集團(tuán)有限公司提供近17萬噸橋梁鋼用于大橋主體；寶鋼股份提供鋼材合計(jì)約34萬噸；河北鋼鐵集團(tuán)提供含釩高強(qiáng)抗震螺紋鋼筋及精品板材產(chǎn)品約24萬噸；太鋼自主研發(fā)的雙相不銹鋼鋼筋大幅延長(zhǎng)了橋梁使用壽命，其發(fā)生點(diǎn)蝕的臨界氯離子濃度為3.9～3.95 mol/L，耐點(diǎn)蝕性約為普通碳鋼鋼筋的60倍；燕山大學(xué)王青峰課題組與中鐵山橋集團(tuán)有限公司合作，將耐候鋼應(yīng)用于港珠澳大橋索塔錨固，這也是耐候鋼首次在中國(guó)跨海橋工程亮相。
03 海底隧道
海底隧道是指在水下或海床下建設(shè)的隧道，海底隧道可以連接兩個(gè)水域難以跨越的地區(qū)，縮短交通距離，提高了區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及人員流動(dòng)。然而，海底隧道需要長(zhǎng)時(shí)間承受海水的沖擊和腐蝕，這對(duì)鋼材性能提出了巨大的挑戰(zhàn)。
世界海底隧道長(zhǎng)度排名第一的英吉利海峽隧道，全長(zhǎng)50.5 km，水下長(zhǎng)度37.9 km，鐵路橋梁的覆層和支架都使用了鉻含量至少為10.5%，碳含量不超過1.2%的不銹鋼；位于挪威的埃克松隧道是世界上最深的海底隧道，隧道深達(dá)海平面以下287 m。
港珠澳大橋海底隧道是世界最長(zhǎng)的公路沉管隧道以及唯一的深埋沉管隧道，其由33節(jié)巨型沉管和1個(gè)合龍段接頭共同組成，沉管結(jié)構(gòu)采用了大量屈服強(qiáng)度為400 MPa的HRB400鋼。隧道全長(zhǎng)6.7 km，每節(jié)沉管長(zhǎng)180 m，寬37.95 m，高11.4 m，重約7.4萬噸，最大排水量達(dá)8萬噸，通航噸級(jí)為30萬噸，埋入海底最深處近50 m；大連灣海底隧道是中國(guó)最大直徑的地鐵海底隧道，在其建造過程中，通鋼公司供應(yīng)的直徑為36 mm及40 mm規(guī)格HRB400E熱軋抗震帶肋鋼筋以及津西自主研發(fā)的U600系列寬體鋼板樁均對(duì)工程建設(shè)提供了巨大的幫助；翔安海底隧道是世界最大斷面的海底隧道，同時(shí)也是世界上巖土覆蓋層最淺的海底隧道，其隧道總長(zhǎng)5.9 km，跨越海域?qū)捈s4.2 km，最深位于海平面約70 m，整個(gè)建造工程耗費(fèi)支護(hù)用錨桿、鋼架、鋼筋網(wǎng)、襯砌鋼筋等鋼材約5萬噸。
04 海上鉆井平臺(tái)
海上鉆井平臺(tái)用于在海洋中進(jìn)行石油和天然氣的勘探和生產(chǎn)活動(dòng)，它們通常被安放在深水或淺水區(qū)域，因此對(duì)鋼材的強(qiáng)度、耐腐蝕性及耐低溫性能都有著相當(dāng)大的要求。
歐洲作為海洋資源開發(fā)較早的區(qū)域，其海洋工程用鋼性能已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，歐洲的海洋平臺(tái)用鋼種主要是S355，S420，S460及S690。挪威埃科菲斯克Ⅱ號(hào)海洋鉆井平臺(tái)是歐洲第一座使用改進(jìn)韌性S690Q鋼板的海洋平臺(tái)。
目前中國(guó)海洋平臺(tái)主要使用的屈服強(qiáng)度為355～460 MPa的D，E及F級(jí)鋼板已基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。中國(guó)首次自主設(shè)計(jì)建造的深水半潛式鉆井平臺(tái)“海洋石油981”所用鋼包括屈服強(qiáng)度大于690 MPa的EQ70級(jí)超高強(qiáng)度鋼以及高強(qiáng)度鋼AH36/DH36/EH36等。
“藍(lán)鯨1號(hào)”是中國(guó)建造的全球首座超深水半潛式海上鉆井平臺(tái)，鉆探深度、工作水深都堪稱世界之最。為滿足該深水鉆井平臺(tái)對(duì)鋼板厚度的特殊要求，鞍鋼股份通過熱機(jī)械控制工藝，研發(fā)生產(chǎn)出一系列厚度為8～80 mm的TMCP態(tài)FH420、FH460、FH550等級(jí)別的超高強(qiáng)海工鋼產(chǎn)品。其具有低碳當(dāng)量易焊接、超高強(qiáng)度、低屈強(qiáng)比、超低溫沖擊韌性等優(yōu)異特性。同時(shí)“藍(lán)鯨1號(hào)”使用了大約4000噸抗拉強(qiáng)度達(dá)到772～940 MPa的NVF690超強(qiáng)超厚鋼。在“藍(lán)鯨1號(hào)”的基礎(chǔ)上，于2019年交付的“藍(lán)鯨2號(hào)”海上鉆井平臺(tái)，其型長(zhǎng)117 m，型寬92.7 m，型高118 m，最大作業(yè)水深3658 m，最大鉆井深度15240 m，其采用了100 mm厚的NVF690超厚鋼板，使“藍(lán)鯨2號(hào)”擁有極強(qiáng)的抗扭曲能力，可在全球大部分深海海域鉆井工作。
05 港口設(shè)施
在港口處通常需要完成對(duì)貨物以及重型設(shè)備的起重、搬運(yùn)、施工和裝配，這時(shí)就需要龍門吊的幫助。龍門吊由兩根立柱與一個(gè)橫梁組成，形成一個(gè)框架結(jié)構(gòu)，可以在立柱之間移動(dòng)，完成起重和搬運(yùn)任務(wù)。
世界上最大的龍門吊“宏海號(hào)”是完全由上海振華重工自主制造的，“宏海號(hào)”高度為148 m，因其在鋼材的應(yīng)用方面，“宏海號(hào)”采用了大型鋼筋結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度焊接，其承重能力可達(dá)到22000噸。
除了傳統(tǒng)港口貨物的輸送，中國(guó)在鉆井平臺(tái)起吊裝備的研發(fā)也達(dá)到了世界前列。由中集來福士制造的泰山吊總體高度為118 m，主體采用高低雙梁結(jié)構(gòu)，起升高度分別為113 m和83 m，最大起升重量高達(dá)20160噸，是目前為止世界上起重量最大的起重機(jī)。這也進(jìn)一步標(biāo)志著中國(guó)在海洋交通裝備制造領(lǐng)域的又一個(gè)進(jìn)步。
海洋交通用鋼鐵材料冶金制備技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
隨著海洋經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，海洋交通用鋼鐵材料的冶金制備技術(shù)也在不斷創(chuàng)新發(fā)展。目前廣泛采用的冶金制備技術(shù)包括模鑄、連鑄、特種冶煉和增材制造等，這些先進(jìn)工藝不僅提高了鋼鐵材料的制備質(zhì)量和性能，還促進(jìn)了海洋交通設(shè)備制造方式的創(chuàng)新和發(fā)展。
01 模鑄
模鑄是通過將熔融金屬直接注入預(yù)制模具中，進(jìn)而冷卻凝固形成零件或構(gòu)件。雖然模鑄的總產(chǎn)能規(guī)模在逐年減少，但模鑄技術(shù)仍是成本最低的鑄造工藝，具有良好的靈活性以及多樣性，可針對(duì)新鋼種做小規(guī)模的生產(chǎn)，因此對(duì)于小批量、特殊鋼生產(chǎn)、大型厚材或特厚板以及大型圓材生產(chǎn)，模鑄技術(shù)仍具有不可取代的優(yōu)勢(shì)。此外，模鑄技術(shù)具有良好的壓縮比，所生產(chǎn)的鋼錠具有良好的質(zhì)量以及較高的強(qiáng)度，適用于各種高強(qiáng)度生產(chǎn)或工作環(huán)境中。
在海洋交通設(shè)備制造中，模鑄技術(shù)被廣泛應(yīng)用于復(fù)雜形狀或大型構(gòu)件的制造，如船體結(jié)構(gòu)、承載機(jī)構(gòu)等，例如自升式海洋平臺(tái)中的齒條用鋼。齒條鋼厚度和單重大，厚度多為127～210 mm，用抗拉強(qiáng)度為690～800 MPa的調(diào)質(zhì)型高強(qiáng)度鋼制造。
目前，國(guó)外生產(chǎn)大規(guī)格齒條鋼的企業(yè)主要是德國(guó)的迪林根、日本的新日鐵和法國(guó)的阿賽洛，主要應(yīng)用于各大鉆井平臺(tái)。由美國(guó)F&G公司設(shè)計(jì)建造，中海油采購(gòu)的JU2000型CP-400自升式鉆井平臺(tái)，所用齒條鋼厚178 mm。隨著采油深度和難度的加大，齒條鋼的厚度不斷增加，目前世界上齒條鋼的最大厚度已達(dá)到259 mm。
國(guó)內(nèi)開發(fā)ASTM A514/A517Gr.Q系列產(chǎn)品的企業(yè)主要有寶鋼、舞陽鋼廠和鞍鋼等。其中，寶鋼采用模鑄坯生產(chǎn)的鋼板最大厚度為178 mm，舞鋼先后研發(fā)了114，127，152.4和177.8 mm厚度的齒條鋼，渤海裝備遼河重工在建的自升式平臺(tái)CP-300齒條鋼的厚度達(dá)到127和152.4 mm，CP-400齒條鋼的厚度則達(dá)到178 mm。
通過模鑄技術(shù)獲得耐壓、耐蝕性能，進(jìn)而在海洋環(huán)境中穩(wěn)定工作，同時(shí)優(yōu)化造型，有效助力了船舶制造、海洋設(shè)備、港口建設(shè)、海洋能源、深海探測(cè)以及跨海大橋等領(lǐng)域取得更高性能的成果。
02 連鑄
近年來，隨著中國(guó)海洋工程的快速發(fā)展，對(duì)高性能鋼的需求量大幅增加，連鑄技術(shù)是一種將熔融金屬連續(xù)地鑄造成坯料或板材的方法，可以用于生產(chǎn)大型、高強(qiáng)度的鋼板，具有投資少、能耗低、效率高、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。此外，連鑄還可以提高材料的均勻性和性能一致性，通過連鑄技術(shù)，可以生產(chǎn)高強(qiáng)度、高耐腐蝕性的船體結(jié)構(gòu)和零部件，提高船舶、橋梁、港口設(shè)施的承載能力、耐用性和安全性，同時(shí)減輕重量，提高設(shè)施穩(wěn)定性、安全性和可維護(hù)性。
在海洋交通設(shè)備制造中，連鑄技術(shù)作為高性能鋼的有效生產(chǎn)方式被廣泛應(yīng)用。美國(guó)紐柯克勞福茲維爾 （Crawfordsville）的連鑄產(chǎn)線可生產(chǎn)的高強(qiáng)鋼產(chǎn)品涵蓋結(jié)構(gòu)鋼、HSLA鋼、API鋼、合金鋼、AHHS鋼、硼鋼和耐磨鋼等系列產(chǎn)品；德國(guó)蒂森-克虜伯的產(chǎn)線可生產(chǎn)50種以上產(chǎn)品，其中包括高強(qiáng)捆帶、HSLA鋼、調(diào)質(zhì)鋼、多相鋼、API鋼、SCALUR®熱軋酸洗鋼等系列高強(qiáng)鋼，該系列鋼被廣泛應(yīng)用于海洋交通等產(chǎn)業(yè)。
中國(guó)的唐鋼、漣鋼、武鋼等都已在薄板坯連鑄連軋產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)了30CrMo，50Mn2V，75Cr1，65Mn和60Si2Mn等系列中高碳特殊鋼的批量化生產(chǎn)，支撐了船體及海工鋼的應(yīng)用。珠鋼、武鋼、漣鋼等典型的薄板坯連鑄連軋產(chǎn)線也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了系列高強(qiáng)鋼的批量生產(chǎn)，其中最具代表性的是鈦微合金化高強(qiáng)集裝箱用鋼。
隨著海洋交通設(shè)施的快速發(fā)展，對(duì)海洋交通用鋼的性能要求愈加嚴(yán)苛，通過連鑄技術(shù)獲取高性能的鋼材是目前海洋交通的發(fā)展重點(diǎn)之一。
03 特種冶煉
特種冶煉技術(shù)是通過調(diào)整鋼材的合金元素含量，提高材料的耐腐蝕性和強(qiáng)度，以滿足對(duì)強(qiáng)度、耐腐蝕性、耐磨性和低溫性能等方面的要求。該技術(shù)包括真空感應(yīng)熔煉（VIM）、電渣重熔（ESR）、真空電弧重熔（VAR）等。
其中，VIM技術(shù)在真空環(huán)境下利用中頻電磁感應(yīng)在金屬材料中產(chǎn)生渦流熱使材料熔化，電磁攪拌過程使金屬材料的化學(xué)成分得到精確控制，是目前對(duì)金屬材料加熱效率最高、速度最快的低耗節(jié)能環(huán)保型的感應(yīng)加熱技術(shù)。ESR技術(shù)具有金屬純凈、組織致密、力學(xué)性能優(yōu)異等特點(diǎn)，目前使用的新技術(shù)包括熔速控制的保護(hù)氣氛電渣爐、真空電渣爐、加壓電渣重熔設(shè)備及高氮鋼制備技術(shù)、電渣重熔超大扁錠技術(shù)、電渣重熔空心鋼錠技術(shù)、導(dǎo)電結(jié)晶器技術(shù)以及電渣液態(tài)澆注技術(shù)等。VAR技術(shù)主要應(yīng)用于獲得低偏析、高潔凈、組織致密及力學(xué)性能較優(yōu)的合金鑄錠，是高端金屬材料冶煉過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
目前國(guó)內(nèi)外大多高品質(zhì)海洋交通用鋼等特種材料主要通過雙聯(lián)的方法，即通過真空感應(yīng)+電渣重熔（VIM+ESR）或雙真空熔煉（VIM+VAR）來生產(chǎn)，VIM+ESR雙聯(lián)方法可以精確控制成分，但工藝要求較高。VIM+VAR有效減少疏松和縮孔，降低雜質(zhì)元素含量。此外，部分高要求產(chǎn)品采用VIM+ESR+VAR三聯(lián)生產(chǎn)，但生產(chǎn)成本將顯著提高。
目前，美國(guó)、德國(guó)和日本報(bào)道采用三聯(lián)工藝制備汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子所需的材料，德國(guó)報(bào)道直徑為980 mm，日本的為1300 mm，鍛造后直徑大于1 m，重量超10 t。美國(guó)GE與Allvac公司聯(lián)合開發(fā)出了碳化物及夾雜物含量較低的Φ915 mm的超大規(guī)格鑄錠，并成功用于后續(xù)開坯鍛造。
中國(guó)現(xiàn)有的真空爐包括寶鋼的10噸級(jí)，攀鋼和撫鋼的12噸級(jí)真空自耗爐，但由于生產(chǎn)工藝的復(fù)雜性，國(guó)內(nèi)通過雙真空熔煉獲得鑄錠的最大尺寸為660 mm，仍待進(jìn)一步發(fā)展。
利用特種冶煉技術(shù)可有效提高鋼的潔凈度，有助于提高船舶的航行性能、安全性和經(jīng)濟(jì)性等耐高壓、耐腐蝕和高強(qiáng)度的特性，保障海洋交通設(shè)施的穩(wěn)定性和持久性，對(duì)延長(zhǎng)嚴(yán)苛工作環(huán)境下海洋交通設(shè)施的使用壽命具有重要意義。
04 增材制造
金屬增材制造技術(shù)，從20世紀(jì)90年代中期開始，成為了金屬快速成型領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向，正在海洋交通設(shè)備制造中嶄露頭角。
區(qū)別于傳統(tǒng)機(jī)械加工的減材制造技術(shù)和鑄造、鍛造的等材制造技術(shù)，金屬增材制造通過逐層堆積材料來制造零件，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀和定制化設(shè)計(jì)，例如船舶發(fā)動(dòng)機(jī)的螺旋槳、舵或者深潛器的外殼等復(fù)雜幾何形狀和精確尺寸需求的零件，從而優(yōu)化性能和可維護(hù)性，并減少?gòu)U料和材料浪費(fèi)，大大提高了結(jié)構(gòu)的輕量化，增加了設(shè)備的操控性和燃油效率。因此，增材制造技術(shù)可以用于制造小批量、高性能的零部件，從而提高整體裝備的性能和可維護(hù)性。
此外，海洋環(huán)境對(duì)設(shè)備造成的腐蝕和損傷常常需要及時(shí)的修復(fù)與維護(hù)，增材制造技術(shù)可以用于海洋交通設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)，使得設(shè)備能夠在海上進(jìn)行臨時(shí)或緊急維護(hù)，縮短維護(hù)停機(jī)時(shí)間。
增材制造技術(shù)在國(guó)內(nèi)外海洋交通方面得到廣泛的應(yīng)用。目前，海洋交通用增材制造技術(shù)主要有兩種應(yīng)用形式：一是在岸打印，例如新加坡的威爾森船舶服務(wù)公司配置了3D打印設(shè)備，按需生產(chǎn)3D打印的零件，為船舶提供配件；德國(guó)西門子公司和日本三菱電機(jī)使用EOS金屬打印機(jī)制備燃?xì)廨啓C(jī)部件和部分汽輪機(jī)末端葉片，極大削減了制造成本。二是船載打印，馬士基郵輪公司早在2014年對(duì)316L不銹鋼等金屬粉末顆粒進(jìn)行3D打印。
目前，鋼鐵材料增材制造工藝主要以不銹鋼為主，其中，南洋理工大學(xué)、美國(guó)加利福尼亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等通過改進(jìn)增材制造技術(shù)工藝，獲得更高性能的不銹鋼。
中國(guó)船舶領(lǐng)域?qū)τ谠霾闹圃旒夹g(shù)的應(yīng)用還處于探索階段，例如中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院使用增材制造進(jìn)行螺旋槳的試制，中國(guó)船舶集團(tuán)注重于柴油機(jī)新品研發(fā)和關(guān)鍵零部件的研制，中國(guó)船舶重工集團(tuán)有限公司則主要關(guān)注導(dǎo)航支架、陀螺儀和艦載儀表，以及框架型零件的減重應(yīng)用。此外，在鋼鐵材料研發(fā)方面，中國(guó)鋼研集團(tuán)鋼鐵研究總院研發(fā)了一種應(yīng)用于超低溫增材制造的高強(qiáng)不銹鋼GY130，具備了極佳的室/低溫綜合力學(xué)性能。
歸功于其高自由度的特性，利用增材制造技術(shù)制備和修復(fù)海洋交通用高精密零件正成為當(dāng)下國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)發(fā)展的熱點(diǎn)方向。
海洋交通用鋼鐵材料的發(fā)展趨勢(shì)
海洋交通平臺(tái)及設(shè)施大多應(yīng)用在波浪、海潮、風(fēng)暴及寒流等嚴(yán)峻的海洋環(huán)境中。這些使用特征決定了海洋交通用鋼鐵材料必須具有大厚度、高強(qiáng)度、高韌性、良好的可焊性以及耐海水腐蝕等性能，這對(duì)于保證航運(yùn)安全，提高海洋交通用鋼使用壽命以及開發(fā)海洋資源具有重要意義。
目前中國(guó)海洋交通用鋼鐵材料在強(qiáng)度和性能上已經(jīng)能夠滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的大部分需求，但是一些高性能特種鋼材仍依賴進(jìn)口，這些鋼材具有非常嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝，同時(shí)對(duì)設(shè)備要求較高，開發(fā)難度大。為此，急需開發(fā)一系列高性能、大尺寸的船舶及海洋工程用鋼。
01 大厚度
隨著海洋交通運(yùn)輸技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代高性能船舶、海洋平臺(tái)以及跨海大橋等交通設(shè)施逐漸趨于大型化發(fā)展。不斷增加的船舶主尺寸、船舶噸位以及橋梁跨度等，對(duì)高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的厚度提出了更高的要求。
在橋梁用鋼方面，當(dāng)前研究階段的鋼板厚度已經(jīng)能夠達(dá)到100 mm，例如日本NKK公司研發(fā)的570 MPa級(jí)SM570Q-H-EX和SMA570WQ-HEX鋼板，而國(guó)內(nèi)已經(jīng)得到應(yīng)用的Q390E和Q420E橋梁用鋼板厚度也分別達(dá)到了60 mm和80 mm。
與此同時(shí)，厚度規(guī)格也是船舶及海洋平臺(tái)用鋼技術(shù)水平的重要標(biāo)志。目前中國(guó)新的船體鋼標(biāo)準(zhǔn)GB 712—2011已經(jīng)將鋼板厚度規(guī)格提高到了150 mm，而海洋平臺(tái)用鋼板厚度也普遍大于100 mm，例如目前鉆井平臺(tái)用的JU2000齒條板大多采用178 mm厚鋼板。
此外，隨著鋼板厚度增加，鋼板的Z向（厚度方向）性能成為海洋交通用鋼鐵材料不可忽視的問題，目前鋼板Z向性能主要分3個(gè)級(jí)別，分別為Z15，Z25和Z35，其中Z35鋼要求斷面收縮率不小于35%。
隨著海洋交通設(shè)施向大型化發(fā)展，大厚度鋼板的需求逐漸增多，受制于鋼板抗撕裂性、焊接性能的影響，大規(guī)格海洋交通用鋼的開發(fā)應(yīng)用是一個(gè)急需攻克的難題。
02 高強(qiáng)度
在建造高性能船舶、跨海大橋以及海洋平臺(tái)等海洋交通設(shè)施的過程中，使用高強(qiáng)度特種鋼材可以減輕鋼板厚度和結(jié)構(gòu)重量。早期的大型船舶及海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)大多采用235 MPa級(jí)以下的鋼板，隨后為了應(yīng)對(duì)不斷提高的結(jié)構(gòu)安全性，船體及海工鋼的應(yīng)用強(qiáng)度逐漸提高到315 MPa以上，同時(shí)鋼板的質(zhì)量等級(jí)也從A級(jí)提高到E級(jí)甚至F級(jí)。
近些年，日本和歐洲率先開發(fā)出屈服強(qiáng)度為390 MPa級(jí)的熱機(jī)械控制工藝（TMCP）型高強(qiáng)船板（YP40K），主要用在船體受應(yīng)力較大的舷側(cè)舷緣頂板和強(qiáng)力甲板上。
在大型散裝貨船和集裝箱船中，390 MPa級(jí)的高強(qiáng)度鋼已經(jīng)占據(jù)主導(dǎo)地位，海洋平臺(tái)等大型海洋工程建筑結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用的TMCP工藝船體鋼，其強(qiáng)度級(jí)別已經(jīng)達(dá)到550 MPa級(jí)以上。
在橋梁用鋼方面，隨著橋梁建設(shè)向大跨度、多元化等方向不斷發(fā)展，對(duì)橋梁鋼的性能要求也將不斷提高，其中高強(qiáng)度是未來橋梁結(jié)構(gòu)鋼的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。
早在20世紀(jì)中期，屈服強(qiáng)度為345，500，600，700和800 MPa級(jí)的高強(qiáng)鋼逐漸在橋梁建造過程中得到應(yīng)用，高強(qiáng)度鋼材的使用大大減輕了鋼梁的自重。自20世紀(jì)50年代起，中國(guó)就開始了一系列橋梁結(jié)構(gòu)鋼的研發(fā)和應(yīng)用。
長(zhǎng)期以來，中國(guó)鋼橋采用的低合金高強(qiáng)度鋼主要是345 MPa級(jí)，如16Mnq和S355N等。更高強(qiáng)度級(jí)別橋梁用鋼的應(yīng)用相對(duì)較少。屈服強(qiáng)度為390 MPa和420 MPa的橋梁用鋼僅在少量鋼橋中得以應(yīng)用。目前，中國(guó)最新研究開發(fā)出了Q690qE高強(qiáng)鋼，通過TMCP控制技術(shù)，使鋼板成分和組織均勻化，得到了屈服強(qiáng)度達(dá)690 MPa級(jí)的高強(qiáng)度橋梁用鋼。
隨著大型鋼結(jié)構(gòu)船舶及海洋平臺(tái)向全焊接結(jié)構(gòu)和高參數(shù)方向發(fā)展，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的安全可靠性要求越來越嚴(yán)格，這將對(duì)鋼板強(qiáng)度提出更高的要求。
03 高韌性
鋼板的沖擊韌度關(guān)乎結(jié)構(gòu)的安全性，近些年隨著高性能海洋交通用鋼的快速發(fā)展，在鋼板強(qiáng)度不斷增加的同時(shí)，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的韌性和屈強(qiáng)比也提出較高的要求。一般要求考核-40 ℃的低溫沖擊性能，而在寒冷或極寒條件下則需考核-60 ℃甚至-80 ℃的低溫沖擊性能。例如，在最初的第一代A3橋梁鋼中，對(duì)韌性和屈強(qiáng)比等均沒有要求，直至第五代和第六代橋梁鋼 Q420qE和Q500qE，已經(jīng)能夠做到低溫沖擊功在-40 ℃時(shí)不低于120 J［17］。未來將主力發(fā)展綜合性能優(yōu)良的高性能船舶及海洋交通用鋼，除了強(qiáng)度要求高于690 MPa級(jí)外，屈強(qiáng)比將從最初代的沒有要求到要求低于0.85～0.88，同時(shí)低溫韌性要求-40 ℃沖擊功高于120 J。
04 高耐蝕性
由于海洋環(huán)境腐蝕的破壞性強(qiáng)，造成的損失較大，船舶及海洋工程結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性近年來越來越受到人們的關(guān)注。國(guó)際海事組織（IMO）先后通過了壓載艙涂層防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)（PSPC）以及貨油艙用耐腐蝕鋼性能標(biāo)準(zhǔn)（MSC7），這使得相關(guān)的研究工作日益迫切。在壓載艙環(huán)境下，船板鋼在高溫、高濕以及Cl-的協(xié)同作用下，尤其在壓載艙的潮差部位船板鋼經(jīng)常發(fā)生嚴(yán)重的局部腐蝕。
在跨海大橋等海洋交通基礎(chǔ)設(shè)施上，為了提高鋼橋的使用壽命，減少維修維護(hù)成本，通常對(duì)鋼梁等結(jié)構(gòu)涂裝耐腐蝕的涂層。但是，解決船舶及海洋交通基礎(chǔ)設(shè)施的耐腐蝕問題，最根本的措施是提高鋼材本身的耐腐蝕性能。普通的耐候鋼在非沿海地區(qū)不涂裝防腐蝕涂料就可以使用，在高腐蝕性的氣候條件下，必須開發(fā)具有高耐腐蝕性的鋼板，使之在沿海地區(qū)也可以不涂裝。
在此之前，JFE鋼鐵開發(fā)出了“JFE-SIP-BT”鋼，可抑制船舶壓載艙涂膜劣化行為，同時(shí)提高了腐蝕產(chǎn)物對(duì)鋼基體的保護(hù)性能。新日鐵等開發(fā)的貨油艙用耐蝕鋼，通過加入耐蝕合金元素，顯著降低腐蝕速率。
因此，為了提高海洋結(jié)構(gòu)物的壽命，急需開發(fā)出耐海水腐蝕性以及耐海洋微生物腐蝕性良好的鋼板，以適應(yīng)高濕熱、強(qiáng)輻射、高Cl-海洋環(huán)境。
05 良好的焊接性能
對(duì)于船舶與海洋工程用鋼，其加工重點(diǎn)及難點(diǎn)都在焊接成形方面。焊接的難易及焊接質(zhì)量的好壞，決定了海洋鋼結(jié)構(gòu)物的最終使用性能，同時(shí)鋼的可焊性能也是保證船體和海洋工程結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量及安全性能的關(guān)鍵。隨著鋼板厚度規(guī)格的增加，開發(fā)具有高焊接熱輸入適應(yīng)性的鋼板以提高焊接效率成為海洋交通設(shè)施建造過程中重點(diǎn)關(guān)注的問題。
隨著碳及合金元素加入量增大，在提高鋼板強(qiáng)度級(jí)別的同時(shí)，也容易引起焊接熱影響區(qū)的脆化和形成冷熱裂紋。此外，焊接接頭熱影響區(qū)軟化也是細(xì)晶粒鋼焊接時(shí)普遍存在的問題。因此，提高熱輸入量的焊接技術(shù)以及適用于大熱輸入量焊接的鋼種的開發(fā)研制已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)技術(shù)問題。
結(jié) 語
交通是興國(guó)之要、強(qiáng)國(guó)之基。海洋交通作為綜合交通體系的重要一環(huán)，其發(fā)展離不開鋼鐵材料的有力支撐。
當(dāng)今世界正經(jīng)歷百年未有之大變局，全球產(chǎn)業(yè)格局正經(jīng)歷著重構(gòu)和調(diào)整，貿(mào)易全球化正面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為此，鋼鐵材料必須牢牢把握高性能、輕量化、智能化、綠色化的行業(yè)發(fā)展方向，聚焦海洋交通行業(yè)需求變化，大力推進(jìn)產(chǎn)學(xué)研一體化，著力破除鋼鐵材料和冶金制備技術(shù)的瓶頸制約，不斷補(bǔ)上海洋交通業(yè)的發(fā)展短板，向傳統(tǒng)海洋運(yùn)載交通設(shè)施賦能，具體舉措包括：
集中多機(jī)構(gòu)、多資源攻克國(guó)家重大戰(zhàn)略與民生需求重點(diǎn)領(lǐng)域卡脖子問題，提高海洋交通用鋼鐵材料國(guó)產(chǎn)化率；
積極開發(fā)、使用、推廣海洋交通用鋼鐵材料新產(chǎn)品，并加強(qiáng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)意識(shí)，推動(dòng)新品類或產(chǎn)品行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定；
構(gòu)建海洋交通用鋼鐵材料的材料數(shù)據(jù)庫(kù)及服役性能評(píng)價(jià)系統(tǒng)，制定材料性能表征參量與技術(shù)指標(biāo)，促進(jìn)材料性能的不斷提升；
打造產(chǎn)學(xué)研用多方交流平臺(tái)，加快科技成果產(chǎn)出、轉(zhuǎn)化與產(chǎn)業(yè)化。
海洋交通與鋼鐵材料的多層次、多領(lǐng)域、多形式、多措并舉的融合發(fā)展，將更好的發(fā)揮兩者的協(xié)同效應(yīng)和整體優(yōu)勢(shì)，為中國(guó)的海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略建設(shè)貢獻(xiàn)新的力量。
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