目前，我國高技術(shù)船舶及海洋工程的國產(chǎn)化建立在高端材料和技術(shù)大量依賴進(jìn)口的基礎(chǔ)之上。要推進(jìn)我國船舶工業(yè)及海洋石油工業(yè)的發(fā)展，保障我國能源、運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)的安全，大量關(guān)鍵技術(shù)有待突破，其中的核心問題之一就是高品質(zhì)造船及海洋工程用鋼的研發(fā)和推廣應(yīng)用。

　　造船及海洋工程用鋼的新要求

　　鋼材是造船及海洋工程結(jié)構(gòu)建造的主要原材料，占據(jù)了船體及海洋工程建造成本的20%～30%。涉及的鋼材品種主要包括鋼板、型鋼（船用球扁鋼、H型鋼、角鋼等）、鑄鍛鋼以及配套焊接材料等。其中船體建造耗用鋼材量約占全船重量的60%左右，其中板材又占88%左右。

　　高強(qiáng)度、高韌性是造船及海洋工程用鋼的基本要求。目前，在大型散裝貨船和集裝箱船中，390MPa級的高強(qiáng)度鋼已占主導(dǎo)地位，而TMCP（控制軋制和控制冷卻技術(shù)）工藝生產(chǎn)的船體鋼的強(qiáng)度級別已經(jīng)達(dá)到550MPa級以上，在海洋平臺等大型海洋結(jié)構(gòu)中獲得廣泛應(yīng)用。而海洋工程中自升式鉆井平臺的樁腿結(jié)構(gòu)，如齒條板、半圓板和無縫支撐管等部位，均要求屈服強(qiáng)度在690MPa以上的高強(qiáng)度低合金鋼，同時對低溫沖擊韌性的要求也極為苛刻，即使在普通工況條件也要求考核-40℃（E級）的低溫沖擊性能，在寒冷或極寒條件下考核-60℃（F級）甚至-80℃的低溫沖擊性能。

　　焊接性也是船體結(jié)構(gòu)鋼關(guān)注的重點(diǎn)問題之一。近年來，為降低建造成本、提高造船的生產(chǎn)率，造船廠強(qiáng)烈要求采用大線能量焊接。國外廣泛采用100kJ/cm～500kJ/cm大線能量焊接。為此，各國開發(fā)了一系列大線能量焊接船體鋼，如日本于上世紀(jì)80年代初期研制的YP335鋼、90年代中期研制的YP390和目前正在研制的YP460鋼等。目前，在海洋工程用鋼領(lǐng)域如平臺用E36等，均要求采用大線能量焊接以提高施工建造效率。

　　船舶及海洋工程結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性越來越受到人們的關(guān)注。近年來，國際海事組織（IMO）先后通過了壓載艙涂層防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)（PSPC）和貨油艙用耐腐蝕鋼性能標(biāo)準(zhǔn)（MSC87），這使得相關(guān)的研究工作變得更加緊迫。JFE鋼鐵開發(fā)出了可抑制船舶壓載艙涂膜劣化的新型高耐腐蝕性壓載艙用鋼JFE-SIP-BT，由于找到了可抑制涂裝后涂膜劣化的元素，提高了基于腐蝕生成物的鋼材保護(hù)性能，可將涂膜膨脹及剝離等涂膜的劣化速度減慢到原鋼材的一半左右。新日鐵等通過提高鋼材的純凈度，添加Ni、Cu、W、Mo等耐蝕合金元素的方法研制開發(fā)的D36貨油艙用耐腐蝕鋼，將船體結(jié)構(gòu)的使用壽命從15年延長到25年，開發(fā)的貨油艙用耐腐蝕鋼腐蝕速率約為傳統(tǒng)鋼的1/4。

　　厚度與尺寸規(guī)格也是船體鋼技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一。GB 5313-2010對有厚度方向性能要求的鋼板進(jìn)行了規(guī)定，其中最高級別的Z35鋼要求斷面收縮率≥35%。大型船體結(jié)構(gòu)不僅對鋼板提出了厚規(guī)格要求，也對船用型鋼提出了厚規(guī)格要求。30萬噸級大型船舶舭龍骨部位要求使用43號大規(guī)格D40球扁鋼，腹板厚度最大達(dá)20mm，是目前研制型鋼中強(qiáng)韌性要求最高、截面尺寸最大的型材。

　　船舶用鋼板應(yīng)具有良好的止裂特性。近年來，散裝貨船的破損事故和巨型油輪（VLCC）的觸礁事故不斷增多，除從設(shè)計(jì)上進(jìn)行改進(jìn)外，在造船用鋼方面，則要求船的碰撞和觸礁產(chǎn)生較大塑性變形（10%）時，造船用鋼板必須具有良好的抗脆性裂紋傳播的止裂特性。采用TMCP工藝可生產(chǎn)出表層具有超細(xì)晶粒組織的鋼板，厚度方向性能均勻，具有良好的阻止脆性裂紋擴(kuò)展的能力。這種船板已成功用于液化石油氣（LPG）船和散裝貨船剪切應(yīng)力最大的部位。

　　高品質(zhì)造船及海洋工程用鋼的開發(fā)現(xiàn)狀

　　大線能量焊接船板鋼及平臺用鋼。船板用鋼要求采用200kJ/cm以上大線能量焊接，從而實(shí)現(xiàn)18mm~36mm厚鋼板一次焊接成型。研究人員采用氧化物冶金的技術(shù)思路開展了大線能量焊接用鋼的研究開發(fā)工作，研究了Ti處理、Zr處理、復(fù)合Ti-Mg處理、復(fù)合Ti-Zr處理對船體鋼大線能量焊接性的影響。結(jié)果表明，Ti-Mg、Ti-Zr復(fù)合處理后，鋼中獲得了大量細(xì)小的復(fù)合含Ti氧化物粒子，其直徑為1μm～2μm。比較各種脫氧處理?xiàng)l件下焊接熱影響區(qū)的低溫韌性可以看出，普通未進(jìn)行任何處理的C-Mn鋼焊后熱影響區(qū)的整體低溫韌性水平較低，其中線能量大于50kJ/cm時低溫韌性顯著降低，僅為10J左右。經(jīng)過不同合金脫氧處理后模擬焊接粗晶區(qū)的低溫韌性顯著提高。其中經(jīng)Ti-Mg處理（低Mg）后粗晶區(qū)的低溫韌性水平最高，各種線能量下的低溫沖擊功值均在300J以上，且隨線能量的變化不敏感。對比焊接熱影響區(qū)的組織可以看出，Al處理鋼中主要得到大量平行排列的側(cè)板條鐵素體組織，Ti-Mg復(fù)合處理鋼中主要得到大量交錯排列的晶內(nèi)鐵素體組織。研究人員采用Ti-Mg復(fù)合脫氧處理的方法，在工業(yè)大生產(chǎn)條件下研制開發(fā)了100kJ/cm～240kJ/cm大線能量焊接用鋼，鋼板最大厚度為80mm。

　　對于海洋平臺用E36鋼，由于采用正火態(tài)交貨，無法有效利用TMCP及微合金化等技術(shù)，目前普遍采用50kJ/cm以下焊接線能量。平臺用鋼具有以下特點(diǎn)：碳含量及碳當(dāng)量高、厚度規(guī)格大（30~100mm）、正火態(tài)交貨。因此，必須在現(xiàn)有平臺鋼設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上通過降低碳含量及碳當(dāng)量，大幅度提高焊接性，并采用其它方式彌補(bǔ)強(qiáng)度損失。通過采用V-N-Ti合金設(shè)計(jì)，利用V（CN）的析出強(qiáng)化彌鋼的強(qiáng)度損失，能大幅度降低鋼碳含量和碳氮量。復(fù)合析出的V-N-Ti粒子還能起到細(xì)化原始奧氏體晶粒，并最終提高大線能量焊接熱影響區(qū)低溫韌性的作用。目前，工業(yè)試制50mm以上平臺鋼可以實(shí)現(xiàn)100kJ/cm以上的大線能量焊接。

　　油船貨油艙用耐腐蝕鋼。研究結(jié)果顯示，在內(nèi)底板腐蝕環(huán)境下，微量合金元素對船板鋼的耐蝕性存在顯著影響。觀察腐蝕后的形貌可以看出，在IMO貨油艙內(nèi)底板腐蝕環(huán)境下，傳統(tǒng)鋼表面主要形成大量直徑大而深的腐蝕點(diǎn)蝕坑，而開發(fā)的耐蝕鋼表面則出現(xiàn)少量小而淺的點(diǎn)蝕坑，點(diǎn)蝕坑的深度/直徑比顯著降低。根據(jù)上述結(jié)果研制開發(fā)的工業(yè)鋼（NSD32、NSD36）內(nèi)底板腐蝕速率均低于1mm/年的標(biāo)準(zhǔn)腐蝕速率要求，其中NSD36鋼腐蝕速率最低可以達(dá)到0.38mm/年的超低水平，約為傳統(tǒng)鋼的1/13。

　　大規(guī)格船用球扁鋼。研究者綜合利用新型的釩氮微合金化設(shè)計(jì)+碳氮化釩控制析出軋制工藝（PCRP），集成創(chuàng)新開發(fā)出高韌性、大規(guī)格船用球扁鋼品種技術(shù)。依靠奧氏體中析出的碳氮化釩促進(jìn)晶內(nèi)鐵素體形核，顯著地細(xì)化最終鐵素體晶粒尺寸，獲得顯著的細(xì)晶強(qiáng)化效果；依靠鐵素體中彌散析出的碳氮化釩的析出強(qiáng)化作用，顯著提高鋼的強(qiáng)度―――利用這一技術(shù)思路，可以在傳統(tǒng)孔型軋制條件下研究開發(fā)出屈服強(qiáng)度355MPa、390MPa、440MPa級系列高韌性船用球扁鋼品種。

　　高止裂韌性船用鋼板。大型集裝箱船等在海上航行時，受波浪影響會產(chǎn)生彎曲，在船體艙口圍強(qiáng)度甲板上產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。為了便于裝卸貨物，集裝箱船通常采用大的艙口開口設(shè)計(jì)，這就需要集裝箱船具有大型商船中最高的縱向強(qiáng)度。為了保證船舶安全性，防止脆性斷裂的產(chǎn)生，艙口圍板、上甲板等部位要求使用51mm~100mm具有高止裂韌性的厚鋼板。

　　使用新型的TRRP軋制工藝（Temperature Reverting Rolling Process），可以在厚鋼板表層獲得超細(xì)晶組織。與傳統(tǒng)TMCP工藝相比，其特點(diǎn)是在兩階段軋制間將鋼板加速冷卻到AC1以下，出水后鋼板內(nèi)部的熱量加熱表層，表層處在兩相區(qū)時進(jìn)行控制軋制，在表層得到超細(xì)晶組織。這樣軋制的厚鋼板產(chǎn)生斷裂時，通常表層不發(fā)生脆性斷裂，而是產(chǎn)生與應(yīng)力方向垂直面成45°角的塑性變形，能夠吸收裂紋傳播的能量，從而達(dá)到阻止裂紋傳播的效果，有效提高止裂性能。表層超細(xì)晶鋼板就是應(yīng)用這個原理，通過增加剪切唇的形成來增強(qiáng)止裂性能的。

　　海洋平臺特厚齒條鋼。海洋石油工業(yè)的深入開展和鉆采難度的加大，對自升式鉆井平臺用齒條鋼提出了大厚度、高強(qiáng)度、高韌性的發(fā)展需求，這類產(chǎn)品一般使用調(diào)質(zhì)熱處理狀態(tài)交貨。但是，隨著齒條鋼厚度的增加，截面厚度方向上組織、性能差異增大，提高特厚齒條鋼的淬透性成為這類產(chǎn)品開發(fā)的難點(diǎn)。研究人員研究了不同合金元素復(fù)合處理對齒條鋼淬透性的影響，結(jié)果表明，采用微B和固N(yùn)元素的復(fù)合處理可以在獲得良好強(qiáng)韌性的條件下大幅度提高齒條鋼的淬透性。同時，采用微Ti處理或稍過量的Al處理，均可使微量B的固溶比例達(dá)到50%以上，且偏聚于奧氏體晶界處，有效延緩了高溫相變，顯著提高齒條鋼的淬透性。

　　9%Ni低溫鋼。隨著液化天然氣（LNG）工業(yè)的迅猛發(fā)展，9Ni低溫鋼的研究和開發(fā)熱度持續(xù)升溫。LNG的儲存溫度為-163℃，要求LNG儲罐內(nèi)壁用9Ni鋼具有較高的強(qiáng)度、良好的低溫韌性和較小的波動。研究發(fā)現(xiàn)，采用QLT熱處理（在QT調(diào)質(zhì)處理中增加一道兩相區(qū)淬火），可在強(qiáng)度略微降低的情況下，顯著提高9Ni鋼的低溫韌性，同時大大擴(kuò)展9Ni鋼的熱處理工藝窗口，提高9Ni鋼的性能穩(wěn)定性。

　　進(jìn)一步研究顯示，9Ni鋼的良好低溫韌性與其中形成的一定含量的逆轉(zhuǎn)變奧氏體有密切關(guān)系。在9Ni鋼中形成5%~15%熱穩(wěn)定性高的逆轉(zhuǎn)變奧氏體，可韌化馬氏體基體，在受載變形過程中吸收能量，提高相變誘導(dǎo)塑性能力。在一定范圍內(nèi)，9Ni鋼的逆轉(zhuǎn)變奧氏體含量越高，低溫韌性越好。9Ni鋼逆轉(zhuǎn)變奧氏體的形成和穩(wěn)定性，與C、Ni、Mn等奧氏體穩(wěn)定元素的顯著富集具有密切的關(guān)系。理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，采用適當(dāng)?shù)墓に囂幚恚?Ni鋼中的C、Ni、Mn元素的最高含量可分別達(dá)到0.5%、25%和2%左右，使熱處理過程形成的奧氏體可穩(wěn)定保持到室溫，即使冷卻至液氮溫度也不發(fā)生轉(zhuǎn)變。逆轉(zhuǎn)變奧氏體的控制技術(shù)，也是改善和提高9Ni鋼低溫?cái)嗔秧g性尤其是止裂韌性的關(guān)鍵工藝技術(shù)之一。 目前，我國高技術(shù)船舶及海洋工程的國產(chǎn)化建立在高端材料和技術(shù)大量依賴進(jìn)口的基礎(chǔ)之上。要推進(jìn)我國船舶工業(yè)及海洋石油工業(yè)的發(fā)展，保障我國能源、運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)的安全，大量關(guān)鍵技術(shù)有待突破，其中的核心問題之一就是高品質(zhì)造船及海洋工程用鋼的研發(fā)和推廣應(yīng)用。