從古至今，人類征服大海的決心從沒有動搖，而體現(xiàn)在實際行動中，就是對海洋資源的不斷探索拓展。2017年2月13日，全球最先進超深水雙鉆塔半潛式鉆井平臺“藍鯨1號”在煙臺命名交付，其整體用鋼約40000多噸，其中10%為超強超厚鋼。“藍鯨1號”是我國船廠在海洋工程超深水領(lǐng)域的首個“交鑰匙”工程，具有里程碑意義。

鋼鐵作為海洋工程裝備的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料，廣泛應(yīng)用于鉆井平臺、生產(chǎn)平臺以及海底管道等。由于服役時間長，要長期抵抗惡劣的風(fēng)浪條件，水下修理維護的成本極高，其采用的鋼板逐漸向高強度、高韌性、易焊接性、良好的耐腐蝕性以及大厚度、大規(guī)格化方向發(fā)展。今天帶大家了解船舶及海洋工程用鋼。

船舶及海洋工程用鋼發(fā)展史

二戰(zhàn)以后，由于推行海洋發(fā)展戰(zhàn)略以及蘇美兩大陣營對抗的軍事需求，以美國、俄羅斯、日本、德國等為代表海洋強國開展了大規(guī)模的艦船、海洋運輸、海洋油氣開發(fā)、海洋建筑等領(lǐng)域用鋼研究，形成了相應(yīng)的合金標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)體系。典型的美國艦船用鋼經(jīng)歷了由普通碳鋼（40年代）-高強鋼（50年代）-易焊高強鋼（80年代）-易焊耐蝕鋼（90年代）等幾代的發(fā)展，支撐起了包括深水潛艇、核動力航母在內(nèi)的美國龐大的現(xiàn)代化海軍艦隊。

在海洋油氣開采領(lǐng)域，日本、德國、法國等已經(jīng)掌握適用各種深度海洋鉆井平臺、作業(yè)平臺、油氣運輸船等海工裝備適用的大厚規(guī)格、高性能鋼材。目前國外已能夠生產(chǎn)3000米深水區(qū)域使用的塑性、強韌性、耐蝕性、抗疲勞性要求苛刻的油氣管線鋼。

美國潛艇、航母用鋼的發(fā)展歷程及其典型應(yīng)用

我國在艦船用鋼、海工用鋼等方面，經(jīng)過幾十年的發(fā)展取得了巨大進步，初步建立了我國自己的艦船及海工鋼鐵材料體系以及具有較強生產(chǎn)能力的鋼鐵企業(yè)。我國海工用鋼的國產(chǎn)化率已達到90%以上，有力的支撐了海洋經(jīng)濟及國防建設(shè)需求。

海洋工程用鋼國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.國外研究現(xiàn)狀

目前海洋平臺用鋼遵循的四大國際標(biāo)準(zhǔn)，即En10225和BS7191(歐洲標(biāo)準(zhǔn))，API(美國標(biāo)準(zhǔn))，Norsok(北海標(biāo)準(zhǔn))，對海洋平臺用鋼的力學(xué)性能及設(shè)計制造等都有明確的規(guī)定，但對耐腐蝕性能的規(guī)范較為欠缺。

國際海洋平臺用鋼主要由德國的迪林根和日本的新日鐵、JFE和住友金屬生產(chǎn)。迪林根生產(chǎn)的355MPa級正火鋼可以在保證焊接性能的條件下厚度達到120mm；420MPa級的調(diào)質(zhì)鋼的厚度可以達到100mm；采用TMCP工藝生產(chǎn)的厚度規(guī)格一般不超過90mm。

JFE開發(fā)出了厚度為140mm、屈服強度為700MPa、抗拉強度800MPa的含Ni海洋平臺用鋼。

新日鐵采用TMCP生產(chǎn)了厚度為16~70mm，屈服強度為500MPa，抗拉強度為650MPa，-40℃沖擊功大于200J的平臺用鋼，用于帝汶島海Bayu Undan、北海Grane和Kvitebjorn、里海的ACG、墨西哥灣Thunder Horse、地中海Western Libya等工程。

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、690MPa，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(diào)質(zhì)。

日本對海洋平臺用鋼的研究較早，已開發(fā)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980MPa。JFE公司形成了自己的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)系列，海洋平臺的鋼板抗拉強度為360～980MPa，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(fā)了HTUFF技術(shù)，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(jié)構(gòu)用耐蝕鋼板、MARILOY系列焊接結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)屈服強度在315～550MPa之間的A，D，E，F(xiàn)級別的鋼板，最高強度達到950MPa。

歐洲作為海洋資源開發(fā)較早的區(qū)域，其海洋平臺用鋼的研發(fā)、應(yīng)用、品種系列化及標(biāo)準(zhǔn)化處于領(lǐng)先地位，已可生產(chǎn)A，B，D，E級的屈服強度在235～690MPa之間的各種鋼板。目前歐洲用于海洋平臺建設(shè)的鋼種應(yīng)用最廣泛的為S355，S420，S460及S690，耐腐蝕性能良好。挪威?？品扑箍刷蛱柡Ｑ筱@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(qū)的油氣鉆探，最大鉆探深度6500m。當(dāng)前S690級高強鋼在海洋平臺中的應(yīng)用越來越多，但仍需解決高強鋼板焊接處易開裂及耐蝕性差等問題?，F(xiàn)今在海洋平臺建設(shè)中也應(yīng)用了更高強度級別的鋼板，其高強鋼板主要通過調(diào)質(zhì)工藝生產(chǎn)，鋼板屈服強度可達1100MPa，但由于焊接困難和耐腐蝕開裂問題，超高強鋼在海洋建設(shè)中應(yīng)用較少。

當(dāng)前國外海洋工程用鋼生產(chǎn)主要具有以下特點：

（1） 品種的多功能化：海洋平臺用鋼板都可成系列供貨，如高強鋼板、大線能量焊接鋼板、低溫及耐海水腐蝕鋼板等系列品種，實現(xiàn)了全系列供貨；

（2） 焊接熱影響區(qū)韌化技術(shù)：國外鋼鐵企業(yè)都開發(fā)了自己獨有的焊接熱影響區(qū)韌化技術(shù)，如JFE 公司的 JFE-EWEL技術(shù)和新日鐵公司的HTUFF 技術(shù)等；

（3） 形成企業(yè)獨有的標(biāo)準(zhǔn)：國外鋼鐵企業(yè)除能按通用的標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)海洋平臺用鋼板外， 還形成了性能要求更加嚴(yán)格、應(yīng)用環(huán)境更加特殊的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；

（4） 實施專利保護戰(zhàn)略：國外鋼鐵企業(yè)積極進行海洋平臺用鋼的國際專利布局， 特別重視在中國申請專利， 意圖對我國鋼鐵企業(yè)形成技術(shù)壁壘，達到降低我國海洋平臺用鋼競爭力的目的。

2.國內(nèi)研究現(xiàn)狀

船舶用鋼主要是船體結(jié)構(gòu)用鋼板，經(jīng)過多年的發(fā)展，我國已經(jīng)建立了比較完備的船舶與海工用鋼體系，并以相關(guān)規(guī)范及國家標(biāo)準(zhǔn)的形式頒布，主要包括CCS船級社規(guī)范和GB712《船舶及海洋工程用鋼》，鋼級涵蓋了早期大型船體采用的一般強度鋼和現(xiàn)在海工設(shè)備常采用的焊接結(jié)構(gòu)用超高強度鋼，如表1所示[1,2]。

表1 船舶及海工用鋼

由于船舶與海工用鋼需要取得船級社的認(rèn)證才能生產(chǎn)使用，雖然船級社標(biāo)準(zhǔn)中涵蓋了這40個鋼級，但不同的鋼鐵企業(yè)通過認(rèn)證級別不同，如表2所示。

表2 我國超高強鋼的認(rèn)證

我國開發(fā)海洋石油起步比較晚，到20世紀(jì)80年代才建成自己的海洋石油平臺。目前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(xiàn)國產(chǎn)化。我國首次自主設(shè)計建造的3000m深水半潛式鉆井平臺“海洋石油981”所用鋼的強度已達到690MPa；北海油區(qū)海洋自升式平臺固定結(jié)構(gòu)已使用500MPa以上，甚至750MPa高強度鋼，但我國海洋平臺用鋼強度不高、規(guī)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(fā)海洋資源的能力。

海工用鋼由于其特殊性，用戶在建造海洋平臺時，除采用船標(biāo)外，還采用ASTM標(biāo)準(zhǔn)、API以及EN規(guī)范。例如，A517Q、A514Q經(jīng)常用于制造自升式海洋平臺樁腿，EN10025鋼及API 2W、2Y、2Z鋼在海洋結(jié)構(gòu)及海洋風(fēng)電中應(yīng)用廣泛。

按照ASTM(美國)、EN(歐洲)、各船級社以及API(美國石油協(xié)會)的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)來劃分，寶鋼擁有四大系列海洋平臺用厚板產(chǎn)品。寶鋼集團浦鋼公司采用正火工藝開發(fā)了DH36－Z35、EH36－Z35等海洋石油平臺鋼板，各項性能指標(biāo)均達到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。采用調(diào)質(zhì)工藝試制了屈服強度690MPa高強度海洋平臺用齒條鋼，同時自主研發(fā)的自升式海洋平臺樁腿用最大厚度為178mm的厚板。

舞鋼成功開發(fā)了A、B、D、E、AH32-EH32、AH36-EH36級海洋平臺用鋼和EH40、FH40、E500、E550、E520、E690、A514GrQ和A517GrQ等高強度鋼板。其生產(chǎn)的D36-Z35海工鋼，被用于我國第一個世界級深水項目——位于南海東部1500m深海區(qū)域的“荔灣3－1”氣田中。生產(chǎn)的A514GrQ齒條鋼最大厚度達215mm，比國外最大厚度還超出5mm，解決了自升式平臺升降機構(gòu)齒條鋼、半圓板國產(chǎn)化的急需。

鞍鋼的鋼板級別涵蓋了普通強度A、B、D、E級和高強度AH32～EH32、AH36～EH36、AH40～EH40級的大線能量焊接用船體及海洋采油平臺用鋼系列，產(chǎn)品最大厚度為100mm，焊接線能量為100kJ/cm。其強度、低溫韌性、規(guī)格等指標(biāo)均達到國際先進水平，大大超過一般鋼廠能達到的厚度40mm、焊接線能量50kJ/cm的水平。

依托熱軋板帶鋼新一代控軋控冷技術(shù)，東北大學(xué)自主研制出系列首臺套熱軋鋼材先進快速冷卻裝備與控制系統(tǒng)，這套裝備已成為我國熱軋鋼材生產(chǎn)線主力機型，覆蓋了鞍鋼、首鋼等50%以上大型鋼企，實現(xiàn)了高品質(zhì)節(jié)約型熱軋鋼材4000萬噸/年的生產(chǎn)規(guī)模，所研發(fā)的產(chǎn)品在西氣東輸、海洋平臺、跨海大橋、第三代核電站、大型水面艦艇等國家戰(zhàn)略性工程中廣泛應(yīng)用，為我國鋼材由“中低端”向“中高端”升級換代作出了巨大貢獻。

海洋工程用鋼的成分及性能要求

海洋工程用鋼對化學(xué)成分的要求

影響鋼材性能的因素有：化學(xué)成分、溶煉與澆鑄、軋制以及熱處理工藝等，以化學(xué)成分為主；其中硫、磷含量直接影響著鋼板厚度方向的性能。硫是連鑄坯中偏析最為嚴(yán)重的元素。硫會造成鋼的熱脆，使鋼在高溫鍛壓時產(chǎn)生裂紋。在焊接時產(chǎn)生很多疏松和氣孔[3]。

磷是僅次于硫在鋼的連鑄坯中偏析度高的元素，而且磷在鐵固溶體中擴散速率很小，因而磷的偏析很難消除，從而嚴(yán)重影響鋼的性能。磷是以固溶體的形式溶解于鐵素體中，這種固溶體很脆，形成的富磷區(qū)促使鋼變脆，降低鋼的塑性、韌性及可焊性。在熱加工時易導(dǎo)致鋼的開裂，在焊接中容易產(chǎn)生裂紋。磷是降低鋼的表面張力的元素，隨著磷含量的增加，鋼液的表面張力降低顯著，從而降低了鋼的抗裂性能。

因此，海洋平臺用鋼板對硫、磷的含量有嚴(yán)格的要求，其中對硫的含量控制較嚴(yán)。

海洋工程用鋼的性能要求

海洋平臺由于常年浸泡在海水中，要承受各種惡劣海況，因此，海洋平臺用鋼的各項技術(shù)指標(biāo)要求極高，不僅要有很高的耐大氣腐蝕和耐海水腐蝕性能，還要求良好的力學(xué)和加工性能等。海洋平臺用鋼的性能要求包括[4]：

（1）具有較高的強度，抵抗水面以上的風(fēng)流沖擊。具有良好的抗層狀撕裂能力，避免鋼材在受到厚度方向外力時，發(fā)生撕裂；

（2）具有良好的低溫沖擊性能，有的海洋平臺用鋼需要在-60℃環(huán)境下具有良好的沖擊性能，可以在極寒環(huán)境下服役；

（3）具有良好的焊接性能，焊接接頭性能具有和母材相同或相近的力學(xué)性能，保證海洋平臺整體結(jié)構(gòu)的安全性；

（4）鋼質(zhì)純凈度要求。鋼材需具有很低的P、S等雜質(zhì)元素含量，并對夾雜物的形貌、類型和分布均有很高的要求，避免海洋平臺在受到臺風(fēng)和水流運動影響時發(fā)生疲勞失效，保障人生和財物安全。

（5）耐腐蝕性能的要求。由于海洋用鋼結(jié)構(gòu)長期處于鹽霧、潮氣和海水等環(huán)境中, 受到海水及海生物的侵蝕作用而產(chǎn)生劇烈的電化學(xué)腐蝕, 漆膜易發(fā)生劇烈皂化、老化, 產(chǎn)生非常嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)腐蝕, 不僅降低了結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能, 縮短其使用壽命, 而且又因遠離海岸, 不能像船舶那樣定期進行維修、保養(yǎng)。所以對其耐腐蝕性能的要求更高。

（6）針對海洋結(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)的國際標(biāo)準(zhǔn)。

海洋工程用鋼的發(fā)展趨勢

隨著我國不斷加大海洋開發(fā)力度， 對高性能海洋平臺用鋼的需求量將不斷增加， 海洋平臺用鋼也將成為未來幾年國內(nèi)鋼鐵企業(yè)重點研發(fā)和生產(chǎn)的產(chǎn)品。綜合分析我國海洋工業(yè)的市場需求及現(xiàn)有海洋平臺用鋼與國外產(chǎn)品的差距，可以看到，目前海洋平臺用樁腿、懸臂梁及半圓板等結(jié)構(gòu)件急需升級換代，特厚規(guī)格齒條用鋼、極地低溫用鋼等均需開展細(xì)致的研究工作，具體發(fā)展趨勢體現(xiàn)在以下幾方面[5]。

1、加快開發(fā)高強度、高韌性的海洋平臺用鋼

從海洋平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計角度出發(fā)， 采用高強度和超高強度鋼可以有效減輕平臺結(jié)構(gòu)自重， 增加平臺可變載荷和自持能力， 提高總排水量與平臺鋼結(jié)構(gòu)自重比。國內(nèi)的海洋平臺用鋼多集中在E550 級別以下，而國外的同類產(chǎn)品多集中在 E690級別以上，且使用量遠遠超過國內(nèi)水平。另外，隨著深海及極地海洋平臺建設(shè)的快速發(fā)展， 海洋工程用鋼的低溫韌性更顯重要， 同系列的E級和F級鋼板的需求量逐漸增加，高強度、高韌性海洋平臺用鋼將是今后重點研發(fā)的品種。

2、研發(fā)低成本高附加值產(chǎn)品

海洋平臺是由鋼結(jié)構(gòu)焊接而成， 其中高強鋼所占比例高達 60%～90%，如果在高強鋼合金設(shè)計上實現(xiàn)減量化， 將會大大降低海洋平臺的建設(shè)成本。國內(nèi)現(xiàn)有的 690 級高強鋼均采用添加大量的Ni、Mo 等貴重合金元素，如能通過合金設(shè)計，實現(xiàn)“以 Mn/C 代 Ni”的成分設(shè)計思路，可以大幅度降低成本。首先，Mn 是一種強奧氏體穩(wěn)定元素，其價格只是 Ni 的 1/5~1/20，其次，高 Mn 鋼具有優(yōu)異的強度和塑性的綜合性能以及優(yōu)異的低溫韌性。高Mn 鋼本身的優(yōu)異綜合性能可以解決目前海洋平臺用 690 MPa 級超高強鋼的低溫韌性差、屈強比高等問題， 能夠滿足未來深海和極地海洋平臺對超高強鋼安全性能和建造成本需求， 這也是今后高強、高韌海洋平臺用鋼的重要發(fā)展方向。

3、良好成形性能的低屈強比海洋平臺用鋼開發(fā)

從海洋平臺底部結(jié)構(gòu)設(shè)計出發(fā)， 如果采用先進的樁腿（包括樁靴）結(jié)構(gòu)和升降機構(gòu)，將會增加平臺的承重能力、抗沖擊能力及耐久性。目前，升降齒條用鋼采用了 690 MPa 級超高強鋼， 但其他樁腿結(jié)構(gòu)用鋼一般僅為 550 MPa 級別高強鋼。主要原因在于， 其他結(jié)構(gòu)用鋼不僅要求具有較高的強度，同時需要良好的成形性能，因而對屈強比進行了嚴(yán)格限制， 海洋平臺安全設(shè)計中結(jié)構(gòu)件用鋼的屈強比不允許超過 0.85， 以確保塑性失效前有足夠的延展性來防止發(fā)生災(zāi)難性的脆性斷裂。

4、止裂性能高強鋼開發(fā)

針對船舶、建筑、儲油罐、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)的國際標(biāo)準(zhǔn)。鋼中存在一定量的殘余奧氏體時， 在裂紋擴展時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， 因此通過合理的成分設(shè)計以及組織性能控制，實現(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，這是高強韌海洋平臺用鋼的又一重要發(fā)展趨勢。

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[4] 陶素芬, 700MPa級海洋平臺用鋼成分、組織與性能的研究. 北京科技大學(xué)博士論文，2015年.

[5] 劉振宇, 唐帥, 陳俊等, 海洋平臺用鋼的研發(fā)生產(chǎn)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 鞍鋼技術(shù), 2015, 1:1-7.

文章來源：有料先生

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