征服大海的第一件利器:我国海洋工业的钢铁够硬么?
材料+ 2017-05-19 12:08:46
导语:海洋工业钢铁牛在何处?

来源 | 材料+,ID:cailiaojia   编辑 | 扑克投资家,转载请注明出处

从古至今,人类征服大海的决心从没有动摇,而体现在实际行动中,就是对海洋资源的不断探索拓展。2017年2月13日,全球最先进超深水双钻塔半潜式钻井平台“蓝鲸1号”在烟台命名交付,其整体用钢约40000多吨,其中10%为超强超厚钢。“蓝鲸1号”是我国船厂在海洋工程超深水领域的首个“交钥匙”工程,具有里程碑意义。

钢铁作为海洋工程装备的关键结构材料,广泛应用于钻井平台、生产平台以及海底管道等。由于服役时间长,要长期抵抗恶劣的风浪条件,水下修理维护的成本极高,其采用的钢板逐渐向高强度、高韧性、易焊接性、良好的耐腐蚀性以及大厚度、大规格化方向发展。今天带大家了解船舶及海洋工程用钢。

船舶及海洋工程用钢发展史

二战以后,由于推行海洋发展战略以及苏美两大阵营对抗的军事需求,以美国、俄罗斯、日本、德国等为代表海洋强国开展了大规模的舰船、海洋运输、海洋油气开发、海洋建筑等领域用钢研究,形成了相应的合金标准与技术体系。典型的美国舰船用钢经历了由普通碳钢(40年代)-高强钢(50年代)-易焊高强钢(80年代)-易焊耐蚀钢(90年代)等几代的发展,支撑起了包括深水潜艇、核动力航母在内的美国庞大的现代化海军舰队。

在海洋油气开采领域,日本、德国、法国等已经掌握适用各种深度海洋钻井平台、作业平台、油气运输船等海工装备适用的大厚规格、高性能钢材。目前国外已能够生产3000米深水区域使用的塑性、强韧性、耐蚀性、抗疲劳性要求苛刻的油气管线钢。

美国潜艇、航母用钢的发展历程及其典型应用

我国在舰船用钢、海工用钢等方面,经过几十年的发展取得了巨大进步,初步建立了我国自己的舰船及海工钢铁材料体系以及具有较强生产能力的钢铁企业。我国海工用钢的国产化率已达到90%以上,有力的支撑了海洋经济及国防建设需求。

海洋工程用钢国内外研究现状

1.国外研究现状

目前海洋平台用钢遵循的四大国际标准,即En10225和BS7191(欧洲标准),API(美国标准),Norsok(北海标准),对海洋平台用钢的力学性能及设计制造等都有明确的规定,但对耐腐蚀性能的规范较为欠缺。

国际海洋平台用钢主要由德国的迪林根和日本的新日铁、JFE和住友金属生产。迪林根生产的355MPa级正火钢可以在保证焊接性能的条件下厚度达到120mm;420MPa级的调质钢的厚度可以达到100mm;采用TMCP工艺生产的厚度规格一般不超过90mm。

JFE开发出了厚度为140mm、屈服强度为700MPa、抗拉强度800MPa的含Ni海洋平台用钢。

新日铁采用TMCP生产了厚度为16~70mm,屈服强度为500MPa,抗拉强度为650MPa,-40℃冲击功大于200J的平台用钢,用于帝汶岛海Bayu Undan、北海Grane和Kvitebjorn、里海的ACG、墨西哥湾Thunder Horse、地中海Western Libya等工程。

世界海洋平台用高强度钢的主要级别为屈服强度355、420、460、500、550、620、690MPa,并对低温性能要求至少-40℃,甚至-60℃,抗层状撕裂性能达Z向35%,耐腐蚀性能良好,主要交货方式为TMCP、正火以及调质。

日本对海洋平台用钢的研究较早,已开发出耐海水腐蚀、大线能量焊接及低温用等系列的高强钢板,强度级别已达980MPa。JFE公司形成了自己的企业标准系列,海洋平台的钢板抗拉强度为360~980MPa,品种主要有JFE-HITEN系列高强钢板等。

利用微合金化元素的析出,新日铁开发了HTUFF技术,其用于海洋平台的钢板主要有WEL-TEN系列高强钢板、NAW-K及COR-TEN系列无涂层焊接结构用耐蚀钢板、MARILOY系列焊接结构用耐海水腐蚀钢板及NAW-TEN系列含Ni耐候钢板等品种。此外,新日铁公司还按API2W,EN10225,NORSOK及BS7191标准生产屈服强度在315~550MPa之间的A,D,E,F级别的钢板,最高强度达到950MPa。

欧洲作为海洋资源开发较早的区域,其海洋平台用钢的研发、应用、品种系列化及标准化处于领先地位,已可生产A,B,D,E级的屈服强度在235~690MPa之间的各种钢板。目前欧洲用于海洋平台建设的钢种应用最广泛的为S355,S420,S460及S690,耐腐蚀性能良好。挪威埃科菲斯克Ⅱ号海洋钻井平台是欧洲第1座使用改进韧性S690Q钢板的海洋平台。

俄罗斯Arkticheskaya自升式钻井平台用于北极地区的油气钻探,最大钻探深度6500m。当前S690级高强钢在海洋平台中的应用越来越多,但仍需解决高强钢板焊接处易开裂及耐蚀性差等问题。现今在海洋平台建设中也应用了更高强度级别的钢板,其高强钢板主要通过调质工艺生产,钢板屈服强度可达1100MPa,但由于焊接困难和耐腐蚀开裂问题,超高强钢在海洋建设中应用较少。

当前国外海洋工程用钢生产主要具有以下特点:

(1) 品种的多功能化: 海洋平台用钢板都可成系列供货,如高强钢板、大线能量焊接钢板、低温及耐海水腐蚀钢板等系列品种,实现了全系列供货;

(2) 焊接热影响区韧化技术: 国外钢铁企业都开发了自己独有的焊接热影响区韧化技术,如JFE 公司的 JFE-EWEL技术和新日铁公司的HTUFF 技术等;

(3) 形成企业独有的标准: 国外钢铁企业除能按通用的标准生产海洋平台用钢板外, 还形成了性能要求更加严格、应用环境更加特殊的企业标准;

(4) 实施专利保护战略: 国外钢铁企业积极进行海洋平台用钢的国际专利布局, 特别重视在中国申请专利, 意图对我国钢铁企业形成技术壁垒,达到降低我国海洋平台用钢竞争力的目的。

2.国内研究现状

船舶用钢主要是船体结构用钢板,经过多年的发展,我国已经建立了比较完备的船舶与海工用钢体系,并以相关规范及国家标准的形式颁布,主要包括CCS船级社规范和GB712《船舶及海洋工程用钢》,钢级涵盖了早期大型船体采用的一般强度钢和现在海工设备常采用的焊接结构用超高强度钢,如表1所示[1,2]。1.png

由于船舶与海工用钢需要取得船级社的认证才能生产使用,虽然船级社标准中涵盖了这40个钢级,但不同的钢铁企业通过认证级别不同,如表2所示。

2.png

我国开发海洋石油起步比较晚,到20世纪80年代才建成自己的海洋石油平台。目前我国海洋平台主要使用屈服强度为355~460MPa的D,E及F级钢板,基本实现国产化。我国首次自主设计建造的3000m深水半潜式钻井平台“海洋石油981”所用钢的强度已达到690MPa;北海油区海洋自升式平台固定结构已使用500MPa以上,甚至750MPa高强度钢,但我国海洋平台用钢强度不高、规格不全、耐腐蚀性能较差、配套工艺不完善等问题,仍限制了我国自主开发海洋资源的能力。

海工用钢由于其特殊性,用户在建造海洋平台时,除采用船标外,还采用ASTM标准、API以及EN规范。例如,A517Q、A514Q经常用于制造自升式海洋平台桩腿,EN10025钢及API 2W、2Y、2Z钢在海洋结构及海洋风电中应用广泛。

按照ASTM(美国)、EN(欧洲)、各船级社以及API(美国石油协会)的规范或标准来划分,宝钢拥有四大系列海洋平台用厚板产品。宝钢集团浦钢公司采用正火工艺开发了DH36-Z35、EH36-Z35等海洋石油平台钢板,各项性能指标均达到相关标准规范要求。采用调质工艺试制了屈服强度690MPa高强度海洋平台用齿条钢,同时自主研发的自升式海洋平台桩腿用最大厚度为178mm的厚板。

舞钢成功开发了A、B、D、E、AH32-EH32、AH36-EH36级海洋平台用钢和EH40、FH40、E500、E550、E520、E690、A514GrQ和A517GrQ等高强度钢板。其生产的D36-Z35海工钢,被用于我国第一个世界级深水项目——位于南海东部1500m深海区域的“荔湾3-1”气田中。生产的A514GrQ齿条钢最大厚度达215mm,比国外最大厚度还超出5mm,解决了自升式平台升降机构齿条钢、半圆板国产化的急需。

鞍钢的钢板级别涵盖了普通强度A、B、D、E级和高强度AH32~EH32、AH36~EH36、AH40~EH40级的大线能量焊接用船体及海洋采油平台用钢系列,产品最大厚度为100mm,焊接线能量为100kJ/cm。其强度、低温韧性、规格等指标均达到国际先进水平,大大超过一般钢厂能达到的厚度40mm、焊接线能量50kJ/cm的水平。

依托热轧板带钢新一代控轧控冷技术,东北大学自主研制出系列首台套热轧钢材先进快速冷却装备与控制系统,这套装备已成为我国热轧钢材生产线主力机型,覆盖了鞍钢、首钢等50%以上大型钢企,实现了高品质节约型热轧钢材4000万吨/年的生产规模,所研发的产品在西气东输、海洋平台、跨海大桥、第三代核电站、大型水面舰艇等国家战略性工程中广泛应用,为我国钢材由“中低端”向“中高端”升级换代作出了巨大贡献。

海洋工程用钢的成分及性能要求

影响钢材性能的因素有:化学成分、溶炼与浇铸、轧制以及热处理工艺等,以化学成分为主;其中硫、磷含量直接影响着钢板厚度方向的性能。硫是连铸坯中偏析最为严重的元素。硫会造成钢的热脆,使钢在高温锻压时产生裂纹。在焊接时产生很多疏松和气孔[3]。

磷是仅次于硫在钢的连铸坯中偏析度高的元素,而且磷在铁固溶体中扩散速率很小,因而磷的偏析很难消除,从而严重影响钢的性能。磷是以固溶体的形式溶解于铁素体中,这种固溶体很脆,形成的富磷区促使钢变脆,降低钢的塑性、韧性及可焊性。在热加工时易导致钢的开裂,在焊接中容易产生裂纹。磷是降低钢的表面张力的元素,随着磷含量的增加,钢液的表面张力降低显著,从而降低了钢的抗裂性能。

因此,海洋平台用钢板对硫、磷的含量有严格的要求,其中对硫的含量控制较严。

海洋工程用钢的性能要求

海洋平台由于常年浸泡在海水中,要承受各种恶劣海况,因此,海洋平台用钢的各项技术指标要求极高,不仅要有很高的耐大气腐蚀和耐海水腐蚀性能,还要求良好的力学和加工性能等。海洋平台用钢的性能要求包括:

(1)具有较高的强度,抵抗水面以上的风流冲击。具有良好的抗层状撕裂能力,避免钢材在受到厚度方向外力时,发生撕裂;

(2)具有良好的低温冲击性能,有的海洋平台用钢需要在-60℃环境下具有良好的冲击性能,可以在极寒环境下服役;

(3)具有良好的焊接性能,焊接接头性能具有和母材相同或相近的力学性能,保证海洋平台整体结构的安全性;

(4)钢质纯净度要求。钢材需具有很低的P、S等杂质元素含量,并对夹杂物的形貌、类型和分布均有很高的要求,避免海洋平台在受到台风和水流运动影响时发生疲劳失效,保障人生和财物安全。

(5)耐腐蚀性能的要求。由于海洋用钢结构长期处于盐雾、潮气和海水等环境中, 受到海水及海生物的侵蚀作用而产生剧烈的电化学腐蚀, 漆膜易发生剧烈皂化、老化, 产生非常严重的结构腐蚀, 不仅降低了结构材料的力学性能, 缩短其使用寿命, 而且又因远离海岸, 不能像船舶那样定期进行维修、保养。所以对其耐腐蚀性能的要求更高。

(6)针对海洋结构设施所发生的一系列的结构件断裂灾难事故,国际工程领域提出了生产和应用止裂性性能钢板的要求,且正在形成并推广相关的国际标准。

海洋工程用钢的发展趋势

随着我国不断加大海洋开发力度, 对高性能海洋平台用钢的需求量将不断增加, 海洋平台用钢也将成为未来几年国内钢铁企业重点研发和生产的产品。综合分析我国海洋工业的市场需求及现有海洋平台用钢与国外产品的差距,可以看到,目前海洋平台用桩腿、悬臂梁及半圆板等结构件急需升级换代,特厚规格齿条用钢、极地低温用钢等均需开展细致的研究工作,具体发展趋势体现在以下几方面[5]。

1、加快开发高强度、高韧性的海洋平台用钢

从海洋平台结构设计角度出发, 采用高强度和超高强度钢可以有效减轻平台结构自重, 增加平台可变载荷和自持能力, 提高总排水量与平台钢结构自重比。 国内的海洋平台用钢多集中在E550 级别以下,而国外的同类产品多集中在 E690级别以上,且使用量远远超过国内水平。 另外,随着深海及极地海洋平台建设的快速发展, 海洋工程用钢的低温韧性更显重要, 同系列的E级和F级钢板的需求量逐渐增加,高强度、高韧性海洋平台用钢将是今后重点研发的品种。

2、研发低成本高附加值产品

海洋平台是由钢结构焊接而成, 其中高强钢所占比例高达 60%~90%,如果在高强钢合金设计上实现减量化, 将会大大降低海洋平台的建设成本。 国内现有的 690 级高强钢均采用添加大量的Ni、Mo 等贵重合金元素,如能通过合金设计,实现“以 Mn/C 代 Ni”的成分设计思路,可以大幅度降低成本。

首先,Mn 是一种强奥氏体稳定元素,其价格只是 Ni 的 1/5~1/20,其次,高 Mn 钢具有优异的强度和塑性的综合性能以及优异的低温韧性。 高Mn 钢本身的优异综合性能可以解决目前海洋平台用 690 MPa 级超高强钢的低温韧性差、屈强比高等问题, 能够满足未来深海和极地海洋平台对超高强钢安全性能和建造成本需求, 这也是今后高强、高韧海洋平台用钢的重要发展方向。

3、良好成形性能的低屈强比海洋平台用钢开发

从海洋平台底部结构设计出发, 如果采用先进的桩腿(包括桩靴)结构和升降机构,将会增加平台的承重能力、抗冲击能力及耐久性。目前,升降齿条用钢采用了 690 MPa 级超高强钢, 但其他桩腿结构用钢一般仅为 550 MPa 级别高强钢。 主要原因在于, 其他结构用钢不仅要求具有较高的强度,同时需要良好的成形性能,因而对屈强比进行了严格限制, 海洋平台安全设计中结构件用钢的屈强比不允许超过 0.85, 以确保塑性失效前有足够的延展性来防止发生灾难性的脆性断裂。

4、止裂性能高强钢开发

针对船舶、建筑、储油罐、海洋结构、管线等结构设施所发生的一系列的结构件断裂灾难事故,国际工程领域提出了生产和应用止裂性性能钢板的要求,且正在形成并推广相关的国际标准。 钢中存在一定量的残余奥氏体时, 在裂纹扩展时可以使其沿残余奥氏体发生偏转, 或者因裂纹尖端的应力集中引发 “残余奥氏体→马氏体” 相变的TRIP 效应而产生相变韧化,从而提高钢材的止裂性能。

由于“Mn/C”合金化可以有效调控钢中残余奥氏体含量, 因此通过合理的成分设计以及组织性能控制,实现钢中残余奥氏体含量、大小、分布的精确控制,从而有效提高钢材的止裂性能,这是高强韧海洋平台用钢的又一重要发展趋势。

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