我国海洋工程用钢铁材料研发现状

    海洋工程用钢主要种类可分为：海洋油气开发装备、舰船用钢、桥梁基础设施用钢、海洋特殊装备（包括深潜器、海水淡化、深海资源勘探）用钢等。

    1、海洋平台用钢

    海洋油气开发主要装备是海洋平台，海洋平台服役期一般为20-40年，比普通船舶高约50%，由于海洋平台处于深水、浪涌、低温等多重复杂而苛刻的服役环境，平台建造所采用的钢板需要具有高强度 、高韧性、抗疲劳、抗层状撕裂、良好可焊性和可加工性等综合性能。海洋平台按作业方式可分为钻井平台和生产平台两大类。材料级别从355-690MPa，最大厚度可达259mm。EH36及以下级别平台用钢基本实现国产化，占平台用钢量的90%，但关键部位所用超高强度（600MPa以上）、大厚度（100mm以上）、高韧性（－40℃以下）、适应50kJ/cm以上大焊接热量输入的钢材还需进口。平台主要遵循的通用标准包括BS/EN系列欧标、美标API、北海NOSOK及国际船级社规范等。我国的海洋平台用钢标准体系还需要进一步完善。随着我国海洋开发的不断发展，对海洋平台用钢的需求量不断扩大，预计年用钢需求量在300万吨以上。

    2、海底油气管线用钢

    随着陆地及近海油气资源的日渐枯竭，深海和超深海的油气资源的勘探开发已经成为世界油气开采的重点领域。随着海上油气田、极地油气田、深水气田的开发，面对恶劣的海洋服役环境，对海底管线提出了比陆地管线更高的质量要求，如钢管高钢级、大厚度、各向同性、低屈强比、低温下的高韧性、高止裂性、良好焊接性、抗大应变性能及抗酸性介质腐蚀等性能。在目前国际上普遍执行的美国协会API标准中，管线用钢级别涵盖了X42-X80的焊接高强度钢。国内每年需建设原油管线6000km，至少需要17万吨的海底管线钢。如果国内南海油气资源大规模开发，则需要的管线钢数量将大幅度上升。

    3、船舶用钢

    我国作为世界造船大国，正向着轻量化、大型化、安全化、长寿化的趋势发展，在高技术船舶方面的设计建造及材料应用已跻身世界先进行列，船体结构用钢的强度级别从235MPa-1000MPa，年需求量达到1200万吨以上。具有高强度、高韧性、易焊接、高止裂性、耐低温、耐腐蚀及大厚度、宽规格等关键特性的钢板成为船用钢的发展方向。除冰级船舶、化学品船、LNG船、大型邮轮等船舶所需特种钢材正处于研发阶段以外，我国已经实现绝大部分船型所需材料的国产化。

    随着我国海洋战略的实施，以及人类开发利用深海时代的到来，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、高耐蚀性特种钢等均需开展细致的研究工作，同时应与设计单位和下游用户密切合作，积极推进高端装备材料的工程化应用，尽快健全材料体系，建立完备的国际认可的标准规范和材料应用评价准则。

    海洋装备用钢未来具体发展趋势体现在以下几方面：

    1、实现高性能海洋平台用钢的国产化

    海洋平台用钢的高性能包括高强度、高韧性、耐腐蚀等特点，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。而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，因此，690MPa以上级别的超高强度、耐-60℃及以下低温的高韧性、大厚度海洋平台用钢将是今后研发的重点。

    全面提升材料的综合性能，如良好的力学性能，满足钢结构的强度、韧性、耐疲劳性、耐海水腐蚀等设计要求；良好的加工工艺性，如冷热加工工艺性、可焊性等，以保证设计目标的实现。

    2、开发海洋工程用钢生产新工艺

    为实现海洋平台用高强度特厚规格钢板的国产化应用，开展钢板冶金质量、组织性能稳定化控制等关键生产工艺技术研究，包括大断面铸坯（锭）凝固与冶金质量控制、基于大厚度钢板组织性能均匀化的控制轧制及热处理技术，系统掌握大厚度钢板的强韧性变化机制、微观组织与力学性能控制的冶金学规律与控制技术。

    3、系统化的海洋工程用钢应用技术研究

    可焊性、抗疲劳和耐腐蚀是实现海洋平台工程化应用的关键应用特性。以导管架平台为例，所采用的易焊接高强钢要求实现“焊前不预热，焊接高输入、焊后免热处理”。我国急需在大线能量焊接的基础原理及关键技术上实现突破，以满足海洋装备领域的高效化生产需求，推进高端装备材料的升级换代。面对复杂的海洋腐蚀环境，开展系统的腐蚀实验及研究，开发具有高强、高韧、耐浪涌、耐海洋环境腐蚀和长寿命用高性能低合金耐蚀钢、不锈钢等高性能特殊钢，形成系列化，满足海洋环境对钢材的耐腐蚀、长寿命要求。

    4、研发低成本高附加值产品

    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。

    5、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。

    6、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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责任编辑：殷鹏飞

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