海洋是人類活動不可或缺的重要組成部分，蘊藏著豐富的資源，具有巨大的經濟利益。目前，全球海洋石油儲量將超過100億桶，預計到2015年，海洋石油產量占世界石油的總產量將提高到39% 。為了滿足這一需求，預計未來10年，海洋平臺總用鋼量每年在300萬噸以上，我國2010－2011年需求量已達到100萬噸。海洋的開發利用離不開高強鋼的發展及應用，其中對海洋平臺用高強鋼的需求量將不斷擴大，海洋平臺用高強鋼及其耐腐蝕性的研究和發展已成為廣泛關注的焦點。

    海洋平臺用高強鋼的使用環境苛刻，其水下結構長期受海水及海生物的侵蝕而產生腐蝕問題，除受自身重力載荷外，還要經受風浪、海流、海底地震、低溫等自然力等惡劣海況的侵蝕和破壞，且其服役期長，受力強度高，易發生應力腐蝕開裂等問題 。因此其需要較高的耐大氣和海水腐蝕及腐蝕開裂的性能，還需具有高強度、高韌性、耐低溫、抗疲勞、抗層狀撕裂、易加工焊接等性能 。目前，隨著降低有害元素含量技術、低合金鋼細晶技術、合金中納米析出物控制技術、快速冷卻TMCP等新技術的應用，高強鋼性能不斷提高，使其在海洋領域的應用逐漸加大 。歐美、日本等發達國家和地區高強鋼的研發、生產及應用較早，標準及規格完善，耐腐蝕性、強度等性能及加工工藝處于世界領先地位 。我國也在不斷加大海洋平臺用高強鋼的研發、生產和應用的水平，EH40以下的海洋平臺用高強度結構鋼材實現了國產化  ，已研發生產船體及海洋平臺用鋼FH690 。我國海洋平臺用高強鋼的發展仍然面臨諸多問題 ：高級別用高強鋼的研發及生產能力不足；其強度及厚度不夠高、規格不全；高性能鋼對國外進口依賴過重；海洋用高強鋼的標準不夠完善，對耐腐蝕性能方面的要求較少；高強鋼加工、焊接、防護及耐腐蝕等技術應用方面存在不足；高強鋼產品性能不夠穩定，這些問題制約了我國海洋工程的發展，所以對海洋平臺用高強鋼的研究及發展勢在必行。

    文中對目前國內外海洋平臺用高強鋼的現狀、標準、腐蝕和焊接問題進行了綜述、分析了海洋平臺用高強鋼的發展趨勢，為高強鋼在我國海洋開發中的應用及相應的防腐蝕技術的發展提供參考。

    1 海洋平臺用高強鋼現狀

    1.1 海洋平臺裝備分類

    海洋平臺裝備按功能分主要有三大類：海上鉆井類裝備、海上生產類裝備及海洋開發船舶 。海洋鉆井類裝備主要分2類：移動式和固定式。生產類裝備主要分為：固定式與浮動式。隨著開發向深海不斷發展，固定式需求逐漸減少，目前以浮動式為主。海洋開發船舶主要包括鉆井船及輔助開發用船等 。海洋平臺裝備分類如圖1所示，海洋平臺工作水深見表1。

    1.2 海洋平臺裝備用高強鋼

    當今海洋平臺用鋼受輕量化及降成本等因素的推動，通過低碳、低夾雜、微合金化細化晶粒控制等方法，向高強、高韌化及耐腐蝕方向不斷發展 。世界海洋平臺用高強度鋼的主要級別為屈服強度355，420，460，500，550，620，690 MPa，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。其中，對自升式海洋平臺的樁腿、懸臂梁、升降電動齒輪、齒條機構等要求更加苛刻，需要690 MPa以上鋼級的高強度或特厚等專用鋼，并要有優良的低溫韌性、焊接性能和耐腐蝕開裂性能，厚度規格需要均在100 mm以上，最大達259 mm［1－2］ 。目前，通過船級社認證的海洋平臺用高強鋼的最高強度級別為FH690，國際上對海洋平臺用高規格的齒條鋼普遍采用ASTM標準中的A517Q和A514Q，力學性能要求見表2 。隨著海洋平臺工作水深增加、使用環境越來越苛刻，高強鋼的強度、厚度必將不斷增加、耐腐蝕性能要求也將越來越嚴格。

    1）日本海洋平臺裝備用高強鋼。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980 MPa。JFE公司通過Super-OLAC與JFE-EWEL工藝相結合，來細化焊接熱影響區的晶粒尺寸，使HAZ的韌性達到了較高水平。EWEL工藝利用熱影響區中析出的第二相來細化焊接熱影響區的組織及晶粒尺寸，同時利用Super-OLAC工藝減少鋼中的鈮及釩含量，并控制熱影響區的游離氮，可顯著改進熱影響區及母材的韌性和耐腐蝕開裂性。同時該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360～980 MPa，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315~550 MPa之間的A，D，E，F級別的鋼板，最高強度達到950 MPa 。

    2）歐洲海洋平臺裝備用高強鋼。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235~690 MPa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 。

    挪威埃科菲斯克Ⅱ號海洋鉆井平臺是歐洲第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，最大鉆探深度達6500 m。當前S690級高強鋼在海洋平臺中的應用越來越多，但擴大此類鋼板的應用還需解決高強鋼板焊接處易開裂及耐蝕性差等問題。現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1100 MPa，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 。

    3）我國海洋平臺裝備用高強鋼。我國首次自主設計、建造的3000 m深水半潛式鉆井平臺“海洋石油981”所用鋼的強度已達到690 MPa；北海油區海洋自升式平臺固定結構已使用500 MPa以上，甚至750 MPa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。

    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，產品牌號主 要 為 A，B，D，E，AH322FH32，AH362FH36，AH402FH40，API2H，Cr42，Cr50等，少數企業已能生產FH屈服強度690 MPa的中厚板，并通過九國船級社認證，而且已開發出690 MPa級的海洋平臺齒條特厚板等高附加值品種。厚度在120 mm以上時，在產品質量及性能的穩定性、滿足更大規格產品的技術需求、耐腐蝕開裂、配套焊接等方面都存在問題。在建造海洋工程的關鍵部位所用的高強度、厚規格、耐海洋腐蝕開裂等性能的鋼板多數仍需進口，特別是具有良好綜合力學性能且厚度在120 mm以上、屈服強度在690 MPa以上的高韌性、耐腐蝕、易焊接的海洋平臺用鋼基本依賴進口 ，耐海水腐蝕鋼板、大線能量焊接鋼板及其焊接熱影響區的韌化技術開發相對滯后 。因此高強度、厚規格及耐腐蝕性能好的海洋平臺用高強鋼的研發和應用是我國今后的主要研究方向之一。

    2 海洋平臺用高強鋼標準概況

    目前海洋平臺用鋼遵循的生產標準主要為En10225，API，BS7191，Norsok以及船標，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。

    2.1 美國美國海洋高強鋼的標準較為完善，ABS，API對平臺鋼設計和制造都有相應的規范，主要是對高強鋼的力學性能有較明確的規定，但對耐腐蝕性能的要求較為欠缺 。高強度海洋平臺用鋼生產標準主要有 5 個：API SPEC 2H 近海結構用碳錳鋼板規范；API SPEC 2W熱機軋制生產的近海結構用鋼板規范；API SPEC 2Y 海洋結構調質鋼板；A514 焊接結構用高屈服強度淬火回火合金鋼；A517壓力容器用高強度淬火回火合金鋼板。其主要性能要求見表3 。

    2.2 歐洲歐洲海洋平臺用高強鋼的研發和應用相對完善，標準化程度處于領先地位。目前世界上關于海洋平臺用鋼的4個主要通用標準中有3個為歐洲標準，分別為EN10225，BS7191及Norsok。這些歐洲標準對海洋結構鋼種類型及性能要求都做了明確的規定 ，成為世界各國海洋用高強鋼生產的主要依據，但其對耐腐蝕性能也沒有做出明確的描述。

    2.3 中國我國早期海洋平臺用鋼是根據中國船檢局頒布“海上固定平臺入級與建造規范”的要求研制。隨著國內海洋用高強鋼的研究及應用的不斷發展，產能、品種都得到了大幅提升，但我國尚無專用的海洋平臺用鋼標準，對海洋工程用鋼的耐腐蝕性能的規范較少。國標《船舶及海洋工程用結構鋼》報批稿由原船體結構用鋼修改而成，涵蓋屈服強度690 MPa及以下級別，涵蓋150 mm以下海洋平臺鋼，尚未正式發布；GB 19189壓力容器用調質高強度鋼板報批稿厚度范圍10～60 mm，未涵蓋厚規格齒條用鋼；GB16270高強度結構用調質鋼板，最大厚度150 mm。

    目前我國海洋工程用鋼除船規系列或由壓力容器用鋼等移植而來以外，均采用國外標準，主要使用標準有En 10225，BS 7191，以及美國海洋結構用鋼API規范。

    由于我國缺少海洋平臺用鋼專用標準規范及耐腐蝕性能的要求，一定程度上限制了國產高強鋼在海洋工程方面的應用 。國內正在改進海洋平臺用鋼無專用國家標準的情況，但相關標準在細節及耐腐蝕性要求方面有待加強。

    3 海洋平臺用高強鋼及其耐腐蝕性發展趨勢

    海洋平臺用高強鋼的發展趨勢主要有高強度、厚規格、高的低溫韌性以、加工工藝的適應性、良好的抗層狀撕裂性能、降低有害成份等，但這些性能與提高材料的耐腐蝕及腐蝕開裂的性能息息相關，提高耐腐蝕及腐蝕開裂性能已經成為了海洋平臺用高強鋼的重要發展趨勢之一。

    1）高強度。高強度一直是海洋用鋼發展的方向，一方面海洋平臺用鋼出于質量與強度比以及成本節約等方面的考慮，趨于使用高強度鋼；另一方面提高鋼的強度，還可減少海洋平臺的質量，減少焊接，并增大承載能力，降低成本 。隨著深海資源開發的加強，海洋平臺用鋼的強度必將不斷提升，但強度提升的同時，應力腐蝕等腐蝕問題也不斷加大，引起了廣泛關注 。

    2）厚規格。隨著海洋平臺構建向大型化發展，設備和質量日益增加，使得其用鋼厚度也逐漸增大。厚度達125～150 mm甚至更厚的特厚板應用已較為普遍，但增大厚度也造成焊接困難，對材料的強度、低溫韌性和耐腐蝕開裂產生重大影響。由于厚度的提高，焊接困難，造成焊縫及其熱影響區極易發生應力腐蝕開裂。

    3）高的低溫韌性。海洋資源開發區域及深度日益增加，環境更加復雜多變，對海洋平臺用鋼的低溫韌性提出了更高的要求。通過細化晶粒、適當添加鎳含量等可以滿足或提高低溫韌性，并對降低腐蝕開裂產生積極的影響。

    4）加工工藝的適應性。加工工藝的適應性對海洋平臺用高強鋼也尤為重要，加工要求：不致形成表面損傷、微細裂紋等以至鋼板金屬連續性的破壞和應力腐蝕開裂發生的問題；能允許多次加工或修補，尤其是焊接操作；冷熱加工對材料力學性能的影響低于允許值，而這些要求可以降低腐蝕開裂問題的發生。

    5）良好的抗層狀撕裂性能。為適應海洋環境和保障工程安全，海洋平臺用鋼要求具有良好的抗層狀撕裂性能。良好的抗層狀撕裂性能能降低材料發生腐蝕開裂的可能性。

    6）有害成份控制。海洋平臺用鋼中的P，S，N，H，O 等有害元素對鋼的性能影響較大，應控制在150×10 -6 以內，如控制不當，易在晶界造成偏聚，導致鋼的回火脆性傾向加大；或形成鋼中非金屬夾雜物，造成裂紋源，導致腐蝕開裂；并增加軋制鋼板性能的不均勻性。

    7）高耐腐蝕性能。海洋平臺用鋼長期服役于鹽霧、潮氣、海水和干濕交替等復雜環境中，受到海水及海生物等的侵蝕作用而產生腐蝕 ；漆膜易發生皂化、老化等問題，產生嚴重的結構腐蝕；Cl - 易吸附在金屬表面，導致陽極溶解發生，形成點蝕，甚至會發展為裂紋源，在氫的共同作用下導致應力腐蝕開裂 ，這些問題降低了海洋平臺用鋼的力學性能和使用壽命。又因為海洋平臺服役周期長、遠離海岸，隨開發深度不斷提高，定期維修和保養非常困難，所以對海洋平臺用鋼耐腐蝕性能的要求不斷提高。

    海洋平臺用鋼處于不同的海洋環境中腐蝕機理和腐蝕速率差別較大，對耐腐蝕性能的要求也不同，不同位置用鋼的腐蝕速率見表4 。目前的研究主要是利用不同元素和組織對鋼耐蝕性的影響，開發耐海水腐蝕用鋼 ；完善并開發海洋用高強鋼的腐蝕防護方法；加強應力腐蝕開裂的防護和研究；優化冶金、焊接等工藝，降低腐蝕開裂的可能性。現在防止海水腐蝕常采用增加腐蝕裕量、涂層保護和陰極保護等方法。

    4 海洋平臺用高強鋼焊接和腐蝕開裂問題

    海洋平臺結構是開發海洋資源的重要超大型焊接鋼結構，焊接要求極為苛刻，特別是厚鋼板焊接接頭的韌度及其耐腐蝕開裂性能等問題引起了廣泛關注。由于海洋平臺結構尺寸大、用鋼強度高、厚度大、焊接部位多，易造成焊接缺陷，如氣孔、未熔合、夾渣、微裂紋、殘余應力等缺陷的發生，致使韌性降低，導致腐蝕開裂等安全問題容易發生。因此要求海洋平臺用鋼具有優良的焊接性能及配套處理工藝，并能盡量減少焊后熱處理，降低應力腐蝕的敏感性 。

    目前評價海洋平臺用鋼焊接接頭韌性多采用裂紋尖端張開位移（CTOD）斷裂韌度試驗，其是評價鋼材焊接接頭抗脆斷特性的重要參數，可評估海洋平臺結構最敏感部位裂紋的形成及擴展，從而預測其使用壽命  。現通行的主要標準為 BS7448 和DNVOS-C401。

    4.1 焊接裂紋及腐蝕開裂問題海洋平臺用高強鋼大多碳含量很低，隨著強度級別提高，其合金元素含量逐漸增多，但合金元素在焊接接頭中會導致過度硬化，碳當量和裂紋敏感性增加，使得焊接變得困難，腐蝕開裂的敏感性也會增加。兼顧鋼的高強度、焊接性和耐腐蝕開裂，已成為海洋平臺用高強鋼的一個關鍵因素。焊接區中的拘束應力狀態、有害元素及氫的含量和焊接區微觀組織是高強度鋼焊接和腐蝕裂紋形成及發展的主要因素 。

    海洋平臺用鋼焊接時，由于厚度大，致使拘束比較大，而且這些鋼大部分都經過了TMCP處理，氫在母材、熱影響區、焊縫中的溶解度依次加大，在稍有缺陷的焊接接頭上，氫極易聚集，誘發氫致裂紋。

    海洋平臺用鋼要求采用降低C，S，Mn，P的方法減少元素偏析，同時控制鈣硫比來減少長條狀硫化錳的產生，降低氫形核，減少氫致裂紋［42－48］ 。4.2 焊接熱影響區的韌性焊接熱影響區（HAZ）中韌性的降低，主要是由于在較大的焊接線能量下HAZ晶粒粗化，而在Cl-環境下，由于晶粒粗化導致的韌性降低又極易形成腐蝕開裂等裂紋。海洋平臺用高強鋼常使用鈮、釩作為合金元素進行微合金化，但鈮、釩對HAZ韌性有害，這使得鋼在高熱輸入焊接時實現優良的焊接HAZ韌性成為問題［49－50］ 。新日鐵公司通過有效細化熱影響區的晶粒尺寸，減小碳當量，通過TiN、AlN進行固氮等方法改善了焊接熱影響區的韌性及耐腐蝕開裂問題 。

    5 結語

    隨著我國乃至全世界對海洋資源的不斷探索和開發，高強鋼以其不可替代的優良性能必然成為全世界研究的重點領域之一。耐腐蝕性能又是制約海洋用高強鋼發展的重要因素之一，必引起廣泛關注。

    目前我國在海洋平臺用高強鋼的研發和應用方面已取得了長足的進步，但和歐美等發達國家和地區相比，海洋平臺用高強鋼存在強度和厚度不高、規格不全、標準不完善、焊接性能較差等方面的不足，尤其是耐腐蝕及腐蝕開裂問題研究不夠深入，限制了我國海洋資源開發的能力。因此，研發和完善高強度、厚規格、可焊接性，尤其是耐腐蝕及耐腐蝕開裂性能好的海洋平臺用高強鋼是我國今后的重點研究方向之一。

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責任編輯：王元

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