01 海洋耐蚀钢的国内外进展

 

    1 前言

 

    2013年，中国国家海洋局发布了《国家海洋事业发展“十二五”规划》。在规划中明确提出：作为发展中的海洋大国，我国在海洋有着广泛的战略利益。随着经济全球化的发展和开放型经济的形成与深化，海洋作为国际贸易与合作交流的纽带作用日益显现，在提供资源保障和拓展发展空间方面的战略地位更为突出。“十二五”期间是我国海洋事业发展的关键时期，未来将向深海和远海发展。着力提升海洋开发、控制和综合管理能力，统筹海洋事业全面发展，是保障国家“走出去”战略实施的重大举措，对于促进沿海地区经济社会发展、国民经济发展方式转变，具有重大的战略意义。以国际海事组织制定的性能标准为主导，世界各国围绕海洋耐蚀钢开展了腐蚀机理、腐蚀过程的研究，其中油船货油舱用耐蚀钢是近 10 年来国际上研究和开发的重要钢铁新品种。在该领域，日本走在世界前列，乌克兰与俄罗斯有其技术特色海洋，中国对海洋耐蚀钢的研究应用相对滞后。随着海洋耐腐蚀钢替代标准不断得到认可，将逐渐取代涂层钢成为海洋腐蚀保护方式的主流。本文重点分析了油船货油舱用耐蚀钢和耐海水腐蚀钢这 2 大类低合金高强度钢的发展现状及需求，不涉及不锈钢、特种合金等钢铁材料。

    2 油船货油舱用耐蚀钢

 

    2.1 重大需求分析

 

    进入 21 世纪，中国船舶及海洋石油工业迎来了高速增长期，成为中国国民经济发展的重要支柱。据英国克拉克松研究数据表明，中国已成为世界造船中心。2013 年，中国造船 3 大指标市场份额继续保持世界领先，其中造船完工量、新接订单量、手持订单量分别占世界总量的 40.3%、47.6% 和 45.8%，如表 1 所示。

    “十一五”期间，在海洋石油工业领域，中国海上油气开发投入 1200 亿元人民币，建设了 15 个海洋油气田、76 座钻井平台、6 座浮式生产储油船，铺设了 1400km 海底管线，2010 年海洋油气产量实现了 5000 万 t 油当量。根据中海油规划，“十二五”期间将新建5000 万 t 油当量产能。预计“十二五”、“十三五”期间海洋石油工业投入将分别达到 6700 亿元和 9500 亿元人民币，其中海洋工程装备市场投资将达到 2500亿～ 3000 亿元人民币。

 

    根据我国《钢铁工业“十二五”发展规划》对 2015 年关键钢材品种消费预测，未来 5 年，仅船板用钢消费量将从 2010 年的 1300 万 t 提高到 2015 年的1600 万 t，其中油船货油舱用钢量占油船用钢总量的 30% ～ 45%。以建造一艘30万t级的超大型油轮（VLCC） 为例，船体结构总用钢量近 4 万 t，其中油船货油舱部分用钢约 1.7 万 t。据中国船舶工业行业协会对我国目前手持油船订单统计，油船货油舱用钢量每年达 200万 t 左右。如果能推广使用到海洋工程领域，其市场需求将更大。

    2.2 油船货油舱用耐蚀钢概况

 

    油船是原油海洋运输的主要工具之一。近年来因货油舱腐蚀造成油船失效事故时有发生，不仅造成巨大的经济损失和安全事故，而且对海洋环境造成严重危害。因此油船货油舱的防腐问题越来越受关注。2006 年以前油船都是单甲板、单底结构，因为货油舱内破损后，油浮在水面上，舱内不至于大量进水，故油船除了在机舱区域内设置双层底以外，货油舱区域一般不设置双层底。

    2006 年以后，为了提高海运安全性，防止和减少油轮发生海损事故造成的污染，国际海事组织（IMO）要求大型油轮必须设置双层底或双层船壳。内层为货油舱，用来承载原油。原油尤其是高硫高酸原油对于钢结构货油舱腐蚀影响严重，威胁着油船运营安全。

    目前针对油船货油舱腐蚀所采取的防护措施主要有：加注缓蚀剂、采用防腐涂层和耐蚀钢板。其中，加注缓蚀剂过程复杂，长期投资高；防腐涂层使用过程中存在严重的局部腐蚀隐患，每2.5a 就须对油船进行涂层维护和重新涂布，需要耗费高额成本，延长工期，并且货油舱空间封闭，施工环境恶劣，也会一定程度上影响施工质量。表 2 比较了使用涂层和耐蚀钢造船的成本，安全且低成本的防护措施是使用耐蚀钢。

    1995 年，国际海事组织对油船货油舱用耐蚀钢提出推荐性要求，并推荐各国进行研究。2010 年 5 月 14 日，国际海事组织海上安全委员会（MSC）第 87 次会议正式通过了《原油油船货油舱防腐保护替代方法性能标准》，并于 2012 年 1 月 1 日生效。2013 年 1 月1 日及以后签订建造合同或 2016 年 1 月1 日及以后交付的所 427 中国材料进展第 33 卷有 5000t 级以上油船必须从货油舱保护涂层和耐蚀钢方案中选择采用一种。该性能标准附件中对耐蚀钢的适用范围、目标寿命、试验程序及性能标准做了规范和要求。标准规定耐蚀钢的目标使用寿命是 25a, 对耐蚀钢的要求是在货油舱顶腐蚀环境中 , 钢材 25a 后估计腐蚀损耗值（ECL）不超过 2mm; 在舱底腐蚀环境中，年均腐蚀速率（C.Ｒ ave）不超过 1.0mm/a。两种环境均要求焊缝处放大 1000 倍后，母材和焊缝金属之间不出现阶梯状不连贯表面。

 

    2.3 国内外研究开发现状

 

    2.3.1 日本和韩国

 

    目前走在前列、技术较成熟的国家是日本。早在 1999 年，日本造船协会的 SR242 项目组利用实船测试、实验室模拟等手段对超大型油船（VLCC）进行了为期 3a 的研究，成功揭示了货油舱内的腐蚀状况、腐蚀机理及过程。他们通过实验获得了货油舱内部的腐蚀环境，如图 1 所示。在货油舱顶部，由于原油中的挥发成分、混入的海水、油田盐水的盐分、为防止爆炸而输入的惰性气体（5% O 2 ，13% CO 2 ，0.01% SO 2 ，余量为 N 2 ，体积分数）以及从原油中挥发的 H 2 S 等腐蚀性气体会在油轮货油舱的顶部内表面富集。同时，由于甲板温度在白天和夜晚的交替变化，上甲板内表面湿度大小会发生周期性变化。湿的H 2 S 和 O 2 以及 SO 2 等发生反应，会在上甲板内表面析出单质 S:

    4H 2 S+SO 2 +O 2 = 4H 2 O+5S（1）

 

 

    腐蚀了的钢板表面的铁锈也是催化剂，能加速 SO 2 和 H 2 S 向单质 S 的反应。钢板腐蚀导致新铁锈的生成以及固体 S的析出交替发生，由于固体单质 S 层较脆，容易产生剥离、脱落，如图 1b 所示。货油舱内底板有一层油膜，通过分析发现油膜由原油和混合沉淀物组成，同时包含大量的H 2 S和氯离子（ 酸性介质），具有很强的阻抗作用，比焦油环氧树脂涂层的阻抗作用要显著。因此，油膜的存在可以显着增强油船货油舱下底板的耐腐蚀性。但洗舱会造成油膜破损，成为点蚀起源。在破损处会发生化学反应：

    阳极（孔内）：Fe → Fe 2+ +2e; （2）阴极（孔外）：O 2 +2H 2 O+4e → 4OH － （3）随后亚铁离子发生水解，使得孔内的 pH 值大大降低，促进了阳极的进一步溶解。

    Fe 2+ +2H 2 O→Fe（OH） 2  +2H + （4）

 

    此外，从上甲板脱落的腐蚀产物S，对底板的点蚀同样有加速作用，如方程式（5）。图 1c 为观察到的货油舱下底板典型局部点蚀照片。

    S+2H 2 O→H 2 S+2OH － （5）

 

    通过研究发现，油船货油舱上甲板的腐蚀具有如下特征：① 通过检测分析 4 艘真实油船货油舱顶部空间气体的化学组成发现，在上甲板和原油之间的空间中含有高浓度的 H 2 S，如表 3 所示。②上甲板腐蚀层主要由铁锈和单质 S 组成，其中 60% 是单质 S。③上甲板平均腐蚀速率大于 0.1mm/a，速率较低，腐蚀均匀。而油船货油舱下底板的腐蚀具有如下特征：①在原油和下底板之间贮存有大量的滞留水，通过检测分析 3 艘真实油船货油舱滞留水的化学组成，发现含有高浓度的 Na + 和 Cl－ ，约占总质量分数的 10%，如表 4 所示。但是其中不含 Mg、K 等离子，可以确定滞留水并不是海水。但其存在的位置和含有高浓度的 Cl－ 会降低货油舱下底板的耐蚀性。②通过水洗、刮擦或酒精擦拭，致密的油膜层由于机械作用或化学溶解而被破坏，导致阻抗明显下降，增加点蚀速率，急剧地减弱了油膜对货油舱下底板的保护。③通过对 6 艘真实油船货油舱中 pH值实地检测，发现货油舱底部点蚀坑内的 pH 值在 0.85 ～ 1.16 之间，显着低于坑外的 pH 值，且点蚀速率随 pH 值的降低显着增加，最大可达 2 ～ 4mm/a。说明点蚀是强酸环境下的腐蚀。④通过观察和测量，发现点蚀坑具有很强的形状性和规律性，整个点蚀坑成等轴状，从点蚀坑的边缘到底部的腐蚀速率相同，以整体同步向外扩展的，点蚀坑越大则点蚀坑越深。表 5 综合比较了油船货油舱上下底板的腐蚀状况。

    基于上述研究，日本新日铁、JFE、住友金属 3 大钢铁公司分别开发了新型油船货油舱用耐蚀钢。①新日铁NSGP TM-1 和 NSGP TM-2 。2003 年新日铁公司与 NYK 公司合作首次成功开发了新型耐蚀钢 NSGP TM-1 。表 6 给出了 NSGP TM-1钢的化学成分。从表 6 可知，其所含合金元素较少，成分与传统船用钢 AH32差别不大，完全符合 IACS 标准。模拟油船货油舱下底板点蚀环境的室内全浸腐蚀挂片实验表明，这种钢板及其焊接接头的耐蚀性比传统船板钢 AH32 高，NSGP TM-1 钢的力学性能和现场使用性能与传统船用钢相当甚至更优，且焊接、加工工艺完全相同，建造时无需进行特殊的施工治理。为验证新型耐蚀钢的性能，这 2 家公司于 2004 年将其应用在三菱重工建造的“TAKAMINE”号巨型油船货油舱下底板，该船运营 2.5a 后的考察结果表明，使用 NSGP TM-1 钢的货油舱下底板最大腐蚀孔只有 2.8mm，而采用传统钢板的则为 6.3mm。依据国际惯例，腐蚀孔超过4mm需要重新涂装船体，超过 7mm 则需要焊接维修。因此使用NSGP TM-1 钢的货油舱无需重新涂装，不仅可以省却建造时为防腐而进行的涂装工序，且在检修过程中也无需重新涂装，大大减少维护成本。2007 年，NSGP TM-1钢正式接受订货，截止 2010 年初，其累计发货量已经超过 1 万 t。2008 年，新日铁公司与 NYK 公司又开发了应用于油船货油舱上甲板的耐蚀钢 NSGP TM-2 ，经过 5a 年的实船试验，检测结果表明，NSGP TM-2 钢 5a 平均腐蚀速率小于 0.07mm/a，比传统钢降低了 38%。②住友金属 SMICO Ｒ E。2004 年，住友金属开发了 SMICO Ｒ E 耐蚀钢，2005 年将其应用于“SANKO BLOSSOM”号油船货油舱上甲板与下底板。经过 2.75a 的实船试验，船坞检查结果表明，与传统钢相比，SMICO Ｒ E 钢用于货油舱上甲板时腐蚀速率降低了 40%; 用于货油舱下底板时腐蚀速率降低 40% ～ 80% ，在世界上首次确认了耐蚀钢用于上甲板和下底板都具有优异的耐蚀性。③ JFE 公司 NAC5。JFE 公司于 2004 年开发出一种 NAC5 耐蚀钢。与传统钢相比，将不涂装的 NAC5 用于上甲板，可减少 10%的腐蚀量；将涂装的NAC5用于上甲板，涂层剥离速率降低了 40%，涂层剥离寿命提高 2 倍，上甲板寿命提高 5a 以上。

 

 

    NAC5 耐蚀钢的化学成分和力学性能见表7。④JFE公司JFE-SIP TM -OT。2008年，日本 JFE 钢铁公司与三井 O.S.K 航运公司共同成功研发了 JFE-SIP TM -OT 高耐蚀厚钢板，并于 2008 年应用于油船货油舱舱顶与舱底。据三井商船称，该耐蚀钢板有以下特点：①抗点蚀性比传统钢板提高 5 倍，甚至可以帮助油船的上甲板耐均匀腐蚀；②与传统船体用钢板具有相同的可焊性和机械性能；③减少传统钢板每 2.5a 的干船坞维护工作。2010 年韩国也开始了油船货油舱用耐蚀钢的研究工作，并且在技术方面已经达到了相关标准的要求。

    2.3.2 乌克兰与俄罗斯

 

    钢铁冶金是乌克兰经济中的支柱性产业之一，工业部门齐全，产品产量居世界前列，苏联解体以前曾达到全国人均 1t 钢的水平。乌克兰继承了前苏联惟一的航母制造基地，造船业特别是军舰制造业，具有很高的水平，有能力建造包括航空母舰在内的一切舰艇。黑海造船厂作为前苏联时代惟一的航母建造总装厂，集中了很强的舰船科研和生产力量，曾被誉为“前苏联大型水面舰艇的摇篮”。前苏联几艘航母———“莫斯科”号、“列宁格勒”号、“基辅”号、“明斯克”号、“戈尔什科夫”号、“库兹涅佐夫”号、“乌里扬诺夫斯克”号全部在此建造。乌克兰和俄罗斯的海洋耐蚀钢制造体系不同于日本和欧美，采用低C、低Mn 和微合金化的成分设计，较高的 Cr 含量，Cu，Ni，P 等耐蚀元素较少加入。其核心技术是钢包精炼、中间包精炼、结晶器电磁制动等，达到有效去除钢中低熔点有色金属、非金属等腐蚀性元素和夹杂物。采用结晶器喂钢带等技术有效抑制连铸坯中心偏析和中心疏松，实现铸坯均质化。

 

    2.3.3 中国

 

    由于日本在该领域具有明显的技术优势，正在中国设置专利障碍，并作出各种承诺以维持其技术垄断地位。为了防止国外可能形成的垄断性供应或技术壁垒，2008年中国提出研发船用耐蚀钢。2010 年，国家科技部将“大型油轮货油舱用高品质耐腐蚀钢”列入国家科技支撑计划的重点开发项目，研究高硫、高酸油气环境中，低合金钢在 H 2 S、SO 2 、Cl－ 和酸性盐水介质，以及上述各种复杂混合介质条件下的腐蚀规律，开发耐腐蚀合金钢成分体系、生产工艺及相关配套焊接材料，形成油船用耐蚀钢的腐蚀评价体系与标准，解决油气开采、输送和储运过程中的钢铁材料腐蚀问题，形成具有我国自主知识产权的油气开采与储运用耐腐蚀钢生产技术体系和评价标准规范。2012 年，工信部启动了“基于 IMO 标准的船用耐蚀钢应用技术研究”重大科技创新项目。到目前为止，我国油船货油舱用耐蚀钢研究项目已经取得了阶段性研究成果，突破了材料研发的核心技术难关，数家钢铁企业已经进入了工业试制与实船试验阶段。2010年～ 2011 年，鞍钢集团公司陆续开展了两轮 1000t 以上耐蚀钢工业试制，目前已提交船级社认证；2010 年，首钢开始对耐蚀钢进行前期研究，并联合开展腐蚀机理研究，研发油船货油舱腐蚀环境耐蚀钢，到 2012 年上半年已经成功完成 E36 级原油船货油舱用耐蚀钢及相关焊材的开发，并形成了配套的焊接工艺技术，各项性能满足国际海事组织耐蚀钢标准要求及目前的船板规范，具备了进一步开展造船应用研究的条件。2012 年，武钢、宝钢、南钢及湘钢等钢厂相继开发成功油船货油舱用耐蚀钢。武钢经过对高硫高酸油气环境下耐腐蚀钢的腐蚀机理、腐蚀条件、合金元素耐蚀性规律以及钢的洁净度、夹杂物、显微组织对耐蚀性的影响机理等方面的研究，确立了新钢种合金设计方案以及生产工艺，并将实验室研究成果运用到工业试制中，成功实现了油船货油舱用耐蚀钢及其腐蚀试验对比钢的批量试制，钢板性能均满足相关标准要求。南钢与东北大学、北京科技大学、武汉科技大学等高校进行合作，成功研发出高效焊接海洋工程用钢、原油船货油舱用耐蚀钢板 EH36-NS 以及专用焊接材料，并申请了相关专利。中国钢研科技集团有限责任公司钢铁研究总院和国家连铸技术工程研究中心在耐蚀钢成分设计方面亦取得可喜成果，研制的钢板的耐均匀腐蚀和耐局部腐蚀性达到或超过了日本 NAC5 钢板水平。总之，我国船用耐蚀钢国产化项目已建设了符合 IMO 标准的实验装置，突破了材料研发与检测的核心技术难关，国产船用耐蚀钢板各项指标满足 IMO 标准和船级社规范要求，造船工艺性能与传统船板相当，成本增量低于涂层成本，配套的焊接材料、型材、管材等研制工作也已取得初步成果。2014 年 4 月 28 日，中外运长航吴淞船舶工程有限公司启动了大庆 435 号油船改装工程，其改装技术方案由中船集团第七八研究所制订，经中国船级社审定，将采用由鞍钢公司提供的 1100t 船用耐蚀钢对货油舱内底板、上甲板进行改装。同时，将进行耐蚀钢与常规船板的对比使用试验，为后续相关科研工作提供实船数据和工程管理经验。这表明，我国钢企已经掌握了油船货油舱用耐蚀钢的关键制造技术，即将进入批量生产供货阶段。

    2.4 问题与差距

 

    长期以来，由于缺乏对大型油船货油舱用耐蚀钢等高品质海洋结构钢材的前瞻性探索，我国对海洋工程高端钢铁材料方面的耐腐蚀机理等研究明显落后于日本等发达国家，造成海洋工程用钢品种规格少、钢材性能差、质量不稳定、使用寿命短等一系列问题；我国耐蚀钢产业集中度低，达不到规模效益，研发、生产难度较大，钢企积极性不高；我国缺乏船用耐蚀钢国家标准和具有检测及认证资质的第三方机构；针对焊缝焊材的耐蚀性问题重视不足。以上问题严重制约了国家重大工程项目的建设和相关产业的发展。

    目前，中国船企能建造国际航运界95% 所需船型，包括17.5万t散货轮、30 万 t 超 大 型 油 轮（VLCC）、30 万 t浮式生产储油船（FPSO）、8530 标箱第 6 代集装箱船、14.7 万 m 3 LNG 船、122m 自升式钻井平台 JU2000 等。目前在建 9 座 30 万 t 级造船船坞，并在规划50 万 t 级和 100 万 t 级船坞。但是，在中国船企建造的船舶中，60% ～ 70%以低技术含量的散货船为主，大型油船、高技术含量的钻井船及液化天然气船等承接量少，在先进船舶制造及海洋工程装备设计制造技术、大型油船货油舱用耐蚀钢的研究与开发等方面，才刚刚进入实船验证阶段，与日本等国家相比，还有较大差距。

    3 耐海水腐蚀钢

 

    3. 1 重大需求分析

 

    占地球表面积约 71% 的海洋中蕴藏着丰富的资源，随着世界人口的日益增长和陆地资源不断的消耗，未来人类的生存会越来越依赖于海洋，海洋将成为矿产、能源和食品资源的主要供应基地。为此，海洋开发被列为 2l 世纪的重点目标之一。我国享有主权和管辖权的海域面积接近 300 万 km 2 ，但海洋石油和天然气等资源的平均探明率分别只有 12.3% 和 10.9%，远远低于世界73.0% 和 60.5% 的平均水平。随着经济的迅速发展和科学技术水平的提高，我国海洋开发事业有了突飞猛进的发展。由于技术越来越复杂，制造成本越来越高，人们希望海洋装备的使用寿命成倍提高，而耐海水腐蚀材料的开发和应用研究是海洋开发的基础和前提，导致耐海水腐蚀钢材越来越受到人们的重视，用量逐年增加。另外火电厂、核电厂、化工厂和海水淡化工程等项目中也是耐海水腐蚀钢另一个主要应用领域。有报道称，到 2015 年全世界海水淡化能力将增长到 6200 万 m 3 ，所增加的投资预计为 950 亿美元。而中国也是一个水资源贫乏的国家，这个新兴领域对耐海水腐蚀钢的需求必定持续增长。

    由于海洋的特定环境对海洋工程材料有很多特殊要求：最主要的是耐海水腐蚀问题；其次是深海下密封壳体结构的强度问题。因此研究高强、轻质、耐海水腐蚀、低成本的材料以及合理的结构设计和选材，已成为海洋工程的关键技术之一。

    3. 2 耐海水腐蚀钢的发展概况

 

    海水中含有大量的以 NaCl 为主的盐类，占总含盐量的 88.7%。由于它们易于电离，使海水中的 Cl－ 含量增高，达1. 898%（质量分数）；同时提高海水电导率，其平均电导率可为 4×10－ 2 s/cm，远远超过河水（2×10－ 2 s/cm）和雨水（1×10－ 2 s/cm）。为此，海水中金属表面难以保持稳定的钝态，易于发生电化学腐蚀，极易发生劣化破坏。目前海洋污染趋于严重，海洋环境更加复杂，从而使得海洋工程用钢材的腐蚀问题更加突出。大型海洋工程结构在海洋环境中的腐蚀一般分为5个区： 大气区、飞溅区、潮差区、全浸区及海泥区。在这些不同的区域，钢材的腐蚀速率是不同的，图 2 是钢桩在海水不同腐蚀区域腐蚀速率示意图。

    除了海水区域不同对钢材腐蚀有不同的影响外，就是在一同区域的海洋环境中也含有其他诸多影响因素，如海水的盐度、pH 值、温度、溶解气体（O 2 、CO 2 等）流速、微生物以及污染等，这些因素有时交差作用，造成了海洋环境对钢材腐蚀的一个极其复杂的过程。

 

    目前钢铁材料的防腐蚀方法大致可分为 4 类：①涂层法；②长效法；③阴极保护；④采用本身具有抗腐蚀能力的不锈钢。但大规模使用预防措施所产生的环境污染大、能耗大、投资大，其成本高得难以承受，并且不锈钢的力学性能和焊接性能也很难满足各种工程的需要，因而钢铁材料的腐蚀情况一直没有得到根本的控制。研究表明，通过添加微量合金元素可以在钢材表面形成含有特定结构、具有离子选择特性的致密保护层，使钢材本身具有耐腐蚀性能，并保持优良的综合力学性能及使用性能。

    3.3 耐海水腐蚀钢国内外发展现状

 

    国外对耐海水腐蚀钢的研究始于 20世纪 30 年代，其中最为活跃的国家是美国和日本。美国最先开始耐海水腐蚀钢的研究，于 1951 年开发了 Ni-Cu-P系 Mariner 钢， 含 0.5% Ni、0.5%Cu、0.1%P。此类钢在飞溅区的耐海水腐蚀性能较好，为普通碳素钢的 2 ～ 3 倍，但 P 含量偏高（0.08% ～ 0.15%），厚度大于 20 mm 的钢板不适宜焊接。在此基础上，世界各国相继开发了各种系列的耐海水腐蚀钢。如日本针对 Mariner钢 P 含量高、焊接性能差研制了 P 含量≤ 0.03% 的 Mariloy（Cu-Cr-P、Cu-Cr-A1-P、Cu-Cr-Mo）系列低合金耐海水腐蚀钢。Mariloy 系列钢之所以具有好的耐蚀性，主要原因有：①铬、硅共存，促使在腐蚀过程中形成稳定的硫酸盐膜，能阻止在污染海水中细菌的生长，从而减缓了钢的腐蚀；②由于硅、铬、铜在锈层中富集，并直接作用于金属表面，使紧贴基体锈蚀产物变得细小致密，阻碍了海水中溶解氧向钢表面扩散，减缓了钢的腐蚀速率。

    中国耐海水腐蚀钢的研究始于 1965年，从300多个钢种中筛选出16个钢种，并于 1978 年进行了耐蚀性能的统一评定。4 年的试验周期表明，Cr-Mo-Al系的 10Cr2MoAl Ｒ E 钢耐蚀性能最好。近期宝钢借鉴日本耐海水腐蚀钢成分特点，综合考虑中国近海海水腐蚀介质的环境作用因子，通过优化调整化学成分及采用合理轧制工艺技术，成功开发出Cr-Cu-Mo 系耐海水腐蚀钢种 Q345C-NHY3。该钢种具有优良的力学性能、焊接性能和耐海水腐蚀性能等，能够满足海洋钢结构的制造要求。已经向东海洋山深水港码头二期及三期工程供货约 30t，主要用于加工海底钢管桩。这是国内首次在工程中大批量应用耐海水腐蚀钢，整个工程结束预期应用量达 50 余万 t。

    目前国外生产的低合金耐海水腐蚀用钢按成分系列可分为 Ni-Cu-P 系、Cr-Nb 系、Cr-Cu 系、Cr-Al 系、Cr-Cu-Si 系、Cr-Cu-Al 系、Cr-Cu-Mo 系、Cr-Cu-P 系及 Cr-Al-Mo 系等。我国研制的耐海水腐蚀钢试验钢号近 200 种，其中10Cr2MoAl Ｒ E、08PV Ｒ E、09MnCuPTi、10MnPNb Ｒ E、10NiCuAs、10CrMoAl 等已通过鉴定，但尚未推广，在大型固定式和移动式海洋结构件上应用较少。

    3.4 问题与差距

 

    我国在耐海水腐蚀钢方面与国外先进国家之间存在较大差距，如表8 所示。我国在海工钢和船用耐蚀钢方面存在以下突出问题：①海工用钢需求有限，科研和生产难度较大。我国主要海工总装制造企业手持各类海工钻井平台不到100 座 / 艘，计划在 3a 内交付。每年交付量在 30 ～ 40 座 / 艘左右，年均用钢量仅为 60 ～ 80 万 t。加之海工用钢的特点为多品种、小批量，达不到规模效益。②对耐海水腐蚀机理的研究不足。

 

    由于各合金元素在不同海洋环境条件下的耐蚀效果不同、各牌号钢种在不同海洋环境条件下的耐蚀性能也有很大的差异，加上因试验方法不同而造成的误差等影响，腐蚀试验结果必然有所不同，而我国缺乏该领域检测与第三方认证机构。特别对我国南海高湿热、强辐射、高 Cl－ 海洋环境下的钢铁材料腐蚀问题还未得到研究与验证，腐蚀数据积累不足。③焊缝焊材的耐蚀性问题未得到重视。由于接头各部分在成分和组织上的不均匀性、残余应力以及应力集中等因素的影响，使得接头的耐蚀性往往低于母材，而在整个焊接接头中焊缝是耐腐蚀性最差的部位。

    4 对策与建议

 

    随着世界安全和环保意识的提高以及经济全球化引起的物流量增加，强化对船舶与海工装备结构安全性、可靠性、及海上运输高速化、高效化的要求，需进一步提供高性能钢材。如果国内不能生产而大量进口，不但会推高造船行业的建造成本；而且，如果船东青睐这种钢材，而国外不予供货的话，船企接单也将受到影响。因此，需要国家政策引导支持，造船、海工、钢铁、航运等企业以及高校科研院所紧密协同与合作。建议：①加强政策引导和财政支持，加大研发投入。在国家层面制定海洋耐蚀钢的科技发展规划，加大研发投入。同时，改变资金投入机制，让有限的资金集中投放到由企业、高校、研究机构等组成的优势协同创新体。建设我国海洋耐蚀钢 4 大区域中心： 即以环渤海湾（鞍钢、首钢、大连造船、北船重工（青岛）、中国科学院金属研究所、中国科学院海洋研究所、东北大学、北京科技大学、大连理工大学、清华大学等）、长江口（宝钢、南钢、沙钢、沪东中华造船、振华港机、上海交通大学、上海大学、南京工业大学、南京理工大学、浙江大学等）、长江中上游流域（武钢、重钢、攀钢、华菱集团、武船重工、中船重工 719 研究所、武汉科技大学、华中科技大学、武汉大学、武汉理工大学、重庆大学等）和珠江口（宝钢集团湛江基地、武钢集团防城港基地、广州广船国际股份有限公司、广州黄埔造船厂等、华南理工大学、香港科技大学等）为重点的区域中心。②以海洋耐蚀钢的协同研发为切入点，搭建三会一社（中国船舶工业行业协会、中国钢铁协会、中国船东协会、中国船级社）、造船企业、钢铁企业、航运企业、高校科研院所联合参与的“产、学、研、用、检”的工作及信息交流平台，使海洋耐蚀钢的研发从临时协调机制转变为长期合作机制，并尽快落实船用和海工装备耐蚀钢的应用研究和实船考核工作，定期探讨船用耐蚀钢的研发推进工作，规范行业准入和认证管理，建立和完善船用和海工装备耐蚀钢标准体系以及船用和海工装备耐蚀钢加工配送体系。③加强对海洋耐蚀钢，特别是我国南海高湿热、强辐射、高 Cl－ 环境下的腐蚀机理研究。建设海洋耐蚀钢的检测机构和第三方认证机构等共同平台。④加强海洋耐蚀钢的焊接性研究与评定，研究开发相配套的焊接材料、焊接工艺。

    5 关键技术与核心科学问题

 

    5.1 关键技术

 

    海洋耐蚀钢研究与开发的关键技术包括：中厚板与特厚板的纯净度控制技术（尤其是超低 S 的控制）、腐蚀性夹杂物（MnS 和nCaOmAl 2 O 3 等）控制技术、铸坯中心偏析控制技术、特厚板的轧制技术与工艺、中厚板与特厚板的焊接性评定与焊接工艺、以及配套焊接材料的研究与开发等。

    5.2 核心科学问题

 

    海洋耐蚀钢研究与开发的核心科学问题主要包括：

 

    新型易焊接海洋耐蚀钢厚板与特厚板的设计理论与原理，海洋耐蚀钢厚板与特厚板均质化、细晶化、高韧化机理，海洋耐蚀钢厚板与特厚板高效高可靠性焊接冶金原理，海洋工程厚板与特厚板以及焊接接头的耐蚀机理，包括在我国南海高湿热和海洋微生物等特殊环境下的腐蚀机理等。

 

02 海洋用钢品种的技术调研及发展趋势分析 

 

    21 世纪人类进入了开发利用海洋的新时代，国际间以开发和占有海洋资源为核心的海洋维权斗争愈演愈烈，与之相伴的海洋科技实力的较量也日益凸显。大量事实表明，海洋科技已进入全球科技竞争的前沿，并成为国家间综合实力较量的焦点之一。海洋科技的发展离不开钢铁材料，而海洋环境对钢铁材料有强烈的腐蚀作用，这一方面对钢铁材料的耐腐蚀性能提出了新的要求；另一方面耐腐蚀性能也成为钢铁产品市场竞争最重要的指标。

    1 耐海水钢的开发与应用

 

    在海洋资源的开发和利用过程中，钢材扮演着不可或缺的角色，如潮流发电、海水发电、海水温差发电设备及海滨大型跨海桥梁，与海洋开发相关的海底容器，用于资源开发的各种大型海洋构件以及造船用钢等领域中均离不开钢。耐海水腐蚀钢是为应用于上述环境条件而开发的一类低合金钢。

    1.1 美国Ni-Cu-P系Mariner钢

 

    国外对耐海洋环境腐蚀用钢的研究始于 20 世纪 30 年代，其中以美国和日本等国家为代表。美国自 1946 年重点对具有耐海洋飞溅区腐蚀性能的钢板桩用钢进行了开发，在耐蚀性、经济性等方面详细研究了 Ni-Cu-P 系的低合金钢的特性，具体组织成份见表 1.1。

    1.2 日本Cu-Cr-Al系Mariloy钢

 

    日本从经济性、焊接性及耐蚀性等方面对耐海水腐蚀钢的性能进行了研究，如为了抑制生产成本的提高，将高成本添加元素 Ni 替换为 Cr；为了进一步提高耐蚀性，考虑了 Ni-Cu-P 或Cr 以外的其它合金元素，如添加 A1、Co、Mo、Nb、Ti 等元素对耐蚀性能的影响；为了扩大钢板桩或者钢桩以外的使用领域，着重提高焊接性及可加工性能，形成了具有自身特色的 Cu-Cr-P，Cu-Cr-Al，Cu-Cr-Mo 系列耐海水腐蚀钢。Mariloy 系钢与碳钢不同，碳钢耐蚀性随环境条件变化而有很大的波动（例如在污染海水中），而Mariloy系钢相当稳定，这是该系钢的一个基本优点。根据这一优点，可以很正确地估计这些钢的腐蚀损耗。Mariloy系钢具有这样好的耐蚀性，主要原因有：①铬、硅共存，促使在腐蚀过程中形成稳定的硫酸盐膜，还能阻止在污染海水中细菌的生长，从而减缓了钢的腐蚀；②由于硅、铬、铜在锈层中富集，并直接作用于金属表面，使紧贴基体锈蚀产物变得细小致密，阻碍了海水中溶解氧向钢的表面扩散，减缓了钢的腐蚀速度。

 

    法国 Cr-Al 系钢主打元素为 Al，Cr-Al 系的钢主要应用于钢板桩，也用于高压容器钢、高温耐腐蚀机械构件。

    现在日本出售的耐海水钢已有 10 多种，可大致分为飞溅区用钢、全浸区用钢及飞溅区与全浸区并用的耐海水钢，具体使用哪种由使用环境决定。这些耐海水低合金钢按化学成分可分 为 :Ni-Cu-P、Cr-Nb、Cr-Cu、Cr-Cu-Si、Cr-Cu-Si-Mo、Cr-Cu-Al、Cr-Cu-Mo 及 Cr-Cu-P 等几种系列。美国 （Mariner）Cu-P-Ni，日本 （Mariloy）Cr-Cu-Mo，法国（APS）Cr-Al 系钢，Ni-Si 系钢，中国铜系、P-V 系、P-Nb 系钢。其按化学成分可分为 Cu-P，Cr-Cu 和 Cr-Al 3 大系列。列于表 1.4 中。

 

    2 日本耐海水钢产品发展趋势调研

 

    日本耐海水腐蚀低合金钢的发展是继美国Mariner钢之后，为解决 Mariner 钢中高磷所带来的焊接性低，韧性低，以及全浸区耐蚀性不佳等问题，研制了具有代表性的Mariloy（新日铁）与 NK50（日本钢管）等系列的耐海水腐蚀低合金钢。

    2.1 日本耐海水钢产品类型

 

    日本现今出售的耐海水用钢有十多种，大致可分为飞溅区用钢、海水全浸区用钢、飞溅区与全浸区用的耐海水钢。适用于飞溅区的有新日铁生产的 MariloyP50、MariloyG41 和日本钢管公司生产的 NK 马丽尼 G、三菱制铁的 NER-TEN50 及 60、神户制钢的 NKA、B、C 和住友金属公司的 CR4 等。常用于钢板桩和管桩的有 NK 马丽尼 50 和 MariloyG。它们在海洋环境中均有良好的耐蚀性。例如，NK 马丽尼 50 的耐海水腐蚀性为普碳钢的 2-3 倍，韧性好，强度高 （ 与 SM50 相同 ），可焊性和加工成形性能优良，故很有实用价值。现将日本正在生产的耐海水腐蚀低合金钢列于表 1.5。

 

    2.2 日本耐海水钢应用与发展

 

    日本在海洋钢方面的研究，最初是用于护岸，现在开发的钢几乎作为海洋中的钢板桩或钢管桩使用，而在管道、海水应用机器上的使用，除了特殊的钢种以外都不适用。日本几家公司开发了主要提高飞溅带耐蚀性的钢管桩、钢板桩。这些日本技术生产的耐海水钢是Cu-Cr-P 系、Cu-Cr-Al-P 系、Cu-Cr-Mo 系等，其特征是主要元素不含 Ni，为了提高耐蚀性而含有 Cr。20 世纪 60年代后半期，为寻求海洋资源和空间，以石油挖掘装置、海中作业基地、海洋发电厂、人工岛为代表，来自重工业对耐蚀钢的要求，钢材的力学性能，焊接性、耐蚀性也有了更高的要求。

    目前耐海水用钢因造价高以及某些性能上的原因，应用不及普通海洋结构钢广泛。耐海水用钢今后的发展方向是开发同时具备优良耐蚀性和可焊性的新钢种，必须降低价格，以提高材料强度为方向，使钢结构物和设施向轻型化发展。深海用钢应努力开发不降低缺口韧性、疲劳特性和加工性能的高强度耐蚀钢种。

    3 中国耐海水钢产品发展趋势调研

 

    由于海水介质的腐蚀特性和向深海进行科学勘探与开发的需要，耐海水腐蚀用钢的研究、试制、生产与应用受到世界各国的普遍重视。我国系统研究耐海水腐蚀低合金钢已有 20 年左右的历史，经各单位的长期试验已逐步筛选出16 个钢种，于 1978 年在全国三个海域（南海湛江、东海厦门、北海青岛）进行了耐海水腐蚀的统一评定试验。

    3.1 中国耐海水钢的品种分类

 

    我国海洋耐海水腐蚀低合金钢 16个钢种中，属于 P-V 系的 5 个；P-Nb系的 2 个；P-Cu 系的 3 个；CrMoAl 系的 2 个；CuWSn 系 的 2 个；NiCuAs 与CrMoCu 各一个。已通过各级技术鉴定的钢种有 8 个，它们是：10MnPNbRE;09CuWSn；09MnCuPTi；10CrMoAl；10NiCuAs；10Cr2MoAl RE；08CuPVRE 和10CrMoCuSi。现将我国研制的 16 个钢种成分列于下表 1.6

 

 

    3.2 中国耐海水钢腐蚀现状

 

    我国低合金钢在海洋环境中的主要腐蚀类型有不均匀全面腐蚀，点蚀，而在实际应用过程中，从形貌可分为斑状、麻点状、蜂窝状、坑状、溃肠状腐蚀等类型。不论是锰系的 16Mn（Q）、09MnNb（J），还是铬钢的 10CrCuSiV、10CrMoAl 在海洋环境中，表面都会发生不能建立钝态的腐蚀。

    （1） 全浸区的腐蚀

 

    低合金钢连续沉浸于海水中的腐蚀速度大约在 0.06-0.15 毫米 / 年范围，从耐蚀性能方面看并不比碳钢优越。因此，在全浸于海水中使用的结构上，低合金钢的腐蚀裕量必须等于或大于普通碳钢，不应仅从强度角度考虑而盲目减薄壁厚。碳钢和低合金钢在海水中的一般腐蚀行为如表 1.7 所列。

 

    低合金钢和碳钢一样，在海水中具有明显的溃疡腐蚀倾向。国产各种碳钢和低合金钢在海水中的溃肠腐蚀行为如表 1.8 所列。从短期暴露的溃疡腐蚀倾向看，国产船体结构钢大体可分三类：碳钢和以锰为主要合金元素的低合金钢，溃疡腐蚀倾向最大，溃疡大而深，密度较小，多呈孤立溃疡状；以镍、铭为主要合金元素的低合金钢比前者具有较好的耐溃疡腐蚀性能，溃疡小而浅，但密度较大，多呈麻点状；以锰为主要合金元素，并加有铬的低合金钢，其溃肠腐蚀倾向介于前二者之间。

 

    （2） 飞溅区和潮差区的腐蚀

 

    在高潮线上方的飞溅区，低合金钢比碳钢明显地耐蚀。在海平面以上 0.5-1.0 米的区域内，有些低合金钢的耐蚀性可比碳钢好数倍。如果碳钢在该部位使用需要 0.51 毫米 / 年的腐蚀裕量的话，采用 Ni、Cu、P 系低合金钢只需 0.25毫米 / 年的腐蚀裕量。

    低合金钢在潮差区的腐蚀行为与碳钢相似。单板试验时，比全浸区腐蚀强烈。

    漂浮于水上的结构，如船舶、浮桶等，潮差区的腐蚀通常比较严重。各种船舶结构钢在潮差区的腐蚀行为如表1.9 所列。

 

    由表 1.9 可见，以镍、铬为主要合金元素的低合金钢比以锰为主要合金元素的低合金钢在潮差区较为耐蚀，接近或小于全浸区的腐蚀 （ 参见表 1.7）。

 

    3.3 中国耐海水钢应用与发展

 

    我国统一评定的实海挂片试验的腐蚀数据表明，我国研制的耐海水腐蚀用钢比一般A3钢的耐腐蚀性能提高0.5-1倍，实际使用效果比试验数据好（约为A3 钢的 2-5 倍），因此已被用于钢桩码头、浮码头、海水管道、海水热交换器、船舶、制盐设备、采油平台等方面。

 

    耐海水腐蚀低合金钢的发展主要是朝着以铬和铜元素为中心，与铝、钼、磷和镍等主要元素相结合，改善不同海洋环境条件下的耐蚀性的同时，再将钛、铌、钒、锆、砷、锡和钇等元素作为微量辅助元素，添加其中的一种或几种元素，进一步改善耐蚀性或其他某些性能的方向发展。另一倾向是向去磷或降磷和提高铬的方向发展。

 

03 高品质海洋工程用钢品种技术新趋势

 

    在全球化的进程中，物流量不断增长，其对各种各样船舶的需求相应增长，油轮、LNG 船（低温下运输液化天然气专用船）、散货船、集装箱船、LPG 船（运输液化石油气专用船）以及化学品运输船等。近些年，随着物流业对运输效率要求的不断提高，各种大型船舶数量逐渐增加。其一是，液化天然气贸易快速发展，导致 LNG 运输船需求发展迅猛，未来 5 年里，LNG 航运市场将有足够的运输需求消化目前的 LNG 船过剩运力及新船订单量。其二是，石油贸易格局变化，需要采用大型油轮。其三是，集装箱船大型化趋势仍然保持不变，主要是由于集装箱船大型化可以带来成本优势。其四是，“一带一路”对贸易和港口建设产生重要影响，带动各种船舶需求的不断增长，从而带动“海洋工程用钢”走向更高追求。

    当前，在经济全球化的条件下，我国经济的对外依存度已高达 60%，对外贸易运输量的 90% 是通过海上运输完成的，世界航运市场 19% 的大宗货物运往我国，22% 的出口集装箱来自中国———我国经济已是高度依赖海洋的开放型经济。船舶和海洋工程行业已成为我国经济发展的重点之一。

    近年来，我国造船业发展迅猛，截至 2017 年 11 月，中国造船业全年新接订单量超越了韩国，再次成为全球第一。2017 年，造船新接订单量排名首位的是中国（713 万修正总吨），韩国和日本分别以 574 万修正总吨和 182 万修正总吨的数据分列第 2、3 位。中国的市场份额达到 36.3%，比韩国 （29.4%）高出近 7 个百分点。尽管近年来造船业很不景气，但是我国造船业还是携手钢铁行业一道迅猛发展。

    经过多年的发展，我国初步建立了较完备的船舶与海工用钢体系，海洋工程用钢品种出现极大的多元化——厚板、高强板、耐腐蚀板、耐低温板都能生产，但高端海洋工程用钢依然有所欠缺。

    “中国制造 2025” 需要突破发展的十大重点领域中，海洋工程装备及高技术船舶亦占有一席之地。2017 年 10月 30 日，工业和信息化部发布《产业关键共性技术发展指南（2017年）》（以下简称《2017年指南》）。新出台的《2017年指南》是工信部进一步结合《中国制造 2025》、围绕制造业创新发展的重大需求，通过研判国内外产业发展现状和趋势之后提出的最新版本，共提出优先发展的产业关键共性技术 174 项。其中，原材料工业 53 项、装备制造业 33 项、电子信息与通信业 36 项、消费品工业27项、节能环保与资源综合利用25项。

    新出台的《2017 年指南》明确了高品质海洋工程用钢的开发与应用技术的关键内容，同时对绿色化、智能化钢铁流程关键要素协同优化和集成应用技术，高品质特殊钢生产应用关键技术等提出了新要求。

    《2017 年指南》明确了今后高品质海洋工程用钢开发与应用技术的发展方向，重点研发的主要海洋工程用钢品种及相关技术有：发展自升式平台用 690兆帕级特厚板、大口径无缝管、460 兆帕级别导管架平台用钢及配套焊材、可大线能量焊接平台用厚板及配套焊材、大壁厚深海隔水管、管线钢、南海岛礁基础设施用耐候钢、耐海水腐蚀钢筋、海水淡化、化学品船用特种双相不锈钢、高钼超级奥氏体不锈钢、深海集输系统用耐蚀合金、沉淀硬化型不锈钢、深海钻采用高等级高氮奥氏体不锈钢 等材料的研发、生产和应用技术，此外还有发展极寒耐低温船舶及海工用钢生产及应用技术，洁净化冶金、均质化连铸、精准组织调控等集成制造技术，低温钢的高效焊接材料与工程化应用技术的内容。

    《2017 年指南》把对钢铁工业的要求放在了最靠前的位置，说明《2017年指南》对钢铁工业寄予厚望，也说明了钢铁工业对海洋工程等领域的关键作用。包括上文中提到的高品质海洋工程用钢的开发和应用技术相关要求，《2017年指南》对钢铁工业共提出了 13 个方面的要求：一是基于大数据的钢铁全流程产品工艺质量管控技术，二是钢铁定制化智能制造关键技术，三是钢铁制造流程余热减量化与深度化利用技术，四是绿色化、智能化钢铁流程关键要素协同优化和集成应用技术，五是高品质特殊钢生产应用关键技术，六是高品质海洋工程用钢的开发与应用技术，七是钢材高效轧制技术及装备，八是高炉炼铁信息化与可视化技术，九是高品质铁精矿生产技术与装备，十是低品位难选矿综合选别与利用技术，十一是氢气竖炉直接还原清洁冶炼技术，十二是全氧冶金高效清洁生产技术，十三是超超临界电站汽轮机用镍基耐热合金材料设计和生产技术。

    钢材是高品质船舶与海洋工程建造的主要原材料。因此，高品质船舶与海洋工程用钢的发展一直是海洋工程相关领域和钢铁工业十分关心的问题。

    船舶与海洋工程用钢发生诸多新变化，新变化的大趋势是对“高强度、高韧性、易焊接性、耐腐蚀性及大厚度、大规格、多品种规格”提出了更高、更严、更精的要求。例如，对特厚板合金设计与强韧化机理、心部韧性调控原理与技术，高洁净—均质化制锭 / 坯、高渗透性轧制、均匀热处理新工艺与装备，高强度特厚板关键生产技术及配套焊材等内容进行研究；开发高强度、大断面特厚板关键生产技术、装备和产品（785 兆帕级，厚度≥ 180 毫米；690兆帕级，厚度 180~256 毫米）；对氧化物冶金原理及热影响区组织调控机理，大线能量焊接厚钢板合金设计及全生产流程高熔点氧化物控制技术，可大线能量焊接海工厚板生产工艺技术、焊接技术和焊材开发等内容进行研究；开发系列海工用大线能量焊接厚钢板和配套焊材（厚度≥ 60 毫米，焊接线能量≥ 200千焦 / 厘米），性能满足标准规范要求；对厚壁无缝钢管、型钢、锚链钢合金设计、强韧机理与关键生产技术，钛 / 钢复合板、铸造节点关键制造技术，高耐蚀特种部件粉末冶金制品粉体均质化、超细化、致密化制备技术等内容进行研究；开发海工用大壁厚无缝钢管、大规格高强型钢、R6 级锚链钢、钛 / 钢复合板、大型铸造节点、高耐蚀粉末冶金制品产品或原型产品；对合金成分与钢材组织对环境敏感性和耐蚀性的影响规律，力学、电化学、磨损、微生物耦合作用腐蚀规律及综合防护技术，典型海工钢使用、服役性能检测与评价方法和标准等内容进行研究；阐明多场耦合环境下腐蚀机制，建立新型深海腐蚀性能评价方法和海工钢检测与服役性能评价方法，使典型海洋平台用钢最大寿命延长 50%；对海洋工程用钢应用过程中配套焊接工艺，海洋工程用特厚钢板和管材高效无缺陷切割技术、成型技术等内容进行研究；开发新研制材料高效焊接技术、加工技术、成型技术等应用技术，建立制造规范，形成完整的产业链，构建海工钢生产、研发和应用相关标准，并完成新型海洋工程用钢检验认证和典型工程应用示范等等。

    海洋工程用钢铁材料是拓展海洋空间、开发海洋资源的物质前提。中国要建设海洋强国，开发海洋工程用钢非常重要。

    据了解，目前在役的海洋工程装备有相当一部分集中建造于上世纪 80 年代初，服役已达 25 年以上，面临退役。因此，海洋工程装备更新换代的需求已经十分强烈。可以预见，未来，我国在海洋工程方面必然会有所突围，但目前国内本地原料、配套份额都较低。业内专家指出，我国 1000 米以下的深海工程材料被国外长期垄断，而且工程施工技术全部保密。

 

    在海洋工程用钢方面，目前，我国海洋工程用钢关键部位的特殊品种如高级别特厚钢板、大壁厚无缝管、大规格型钢等仍需进口，海洋平台用厚钢板的焊接效率及耐蚀性能与国外先进水平相比差距较大，高端钢铁材料自主保障能力较差……这些都制约了我国大型海工装备的整体设计和建造水平。海洋工程领域投资额体量巨大，可供钢铁工业充分施展拳脚。据了解，截至 2015 年末，全国海洋工程项目建设超过 15000个，投资总额超 2 万亿元。只有贯彻实施《2017 年指南》的要求，钢铁工业才能适应船舶和海洋工程技术发展的新格局，才能壮大海洋经济，不断拓展蓝色发展空间。

 

04 合金元素对海洋用钢全浸区腐蚀的影响规律

 

    关于合金元素对耐海水钢全浸区腐蚀的影响的研究很多，由于试验方法、试验条件、合金元素的组合及暴露时间的长短等的不同，合金元素对耐海水钢全浸区的腐蚀性能的影响有不尽一致或互相矛盾的结果和观点。代表性的观点有两个：

    ①少量合金元素对提高钢在海水全浸区的耐蚀性有良好的效果，提高钢的耐蚀性的合金元素有 Cr、Al、Si、P、Cu、Mn、Mo、Nb、V 等；

 

    ②所有不同类型的碳钢和低合金钢在海水中的腐蚀速率几乎是相等的，添加少量 Mn、Cu、Cr、Ni 等元素对钢在海水中腐蚀速率的影响很小。

    19种钢在青岛、舟山、厦门和榆林4个试验站暴露1、4、8、16 年的腐蚀结果表明，有些锰钢短期暴露的耐海水腐蚀性比碳钢有所提高。但长期暴露，锰钢的耐海水腐蚀性能没有明显的提高。这与 16 种海洋用低合金钢在我国三个海域暴露 7年的腐蚀试验得到相同的结果是一致的。因此，少量的 Mn、Si、P、Cu、Al、Mo、Nb、V 等或它们复合对耐海水钢腐蚀性的影响很小。

    而铬钢在海水中腐蚀行为与碳钢有较大差别，这反映了铬元素对耐海水钢腐蚀性能影响的复杂性。黄桂桥分析了铬钢在青岛海水和文献上发表的其他海域的腐蚀数据，发现铬对钢耐海水腐蚀性的影响不仅与铬的含量有关，还与其他的复合合金元素有关。短期浸泡时，钢的耐海水腐蚀性随铬含量（无其他合金元索复合）增加而提高。长期浸泡，铬对钢的耐海水腐蚀性有害。约 1%Cr 与 Mo、Al 复合对耐海水钢腐蚀性的影响与单独添加 1%Cr 的影响没有明显差别。大于 2%Cr 与Mo、Al 复合大幅度提高钢在海水中短期浸泡的耐蚀性，并使耐蚀性逆转时间明显推迟。小于 1%Cr 与 Mn-Cu、Cu-Si-V、Ni-Cu-P、Ni-Cu-Si、Ni-Mn 等元素复合对钢的耐海水腐蚀性有害。

    国外为了研究合金元素对海水全浸区的腐蚀规律及影响，构建了一种合金影响模型，此模型由四方面理论组成，前两方面是腐蚀控制机制：①动态控制理论；②氧通过腐蚀层扩散理论，这两种理论只要涉及有氧腐蚀活动。过了理论点 AP，主要涉及无氧腐蚀：③硫酸盐还原菌生长；④稳态厌氧菌控制过程。图 1 为海水全浸区腐蚀 - 时间模型以及模型参数的表示，其中 AP 为氧气扩散过程与厌氧环境控制过程的分界点，r 0 为氧扩散过程最初腐蚀速率，c a 为前一阶段过渡为第二阶段时腐蚀产量，r a 为厌氧环境最初腐蚀速率，r s 为腐蚀发生终点c s 对应的腐蚀速率。此模型研究合金元素的影响是通过合金元素含量的变化引起模型参数的变化，来表征合金元素对海水全浸腐蚀的影响规律，以上参数均可用来分析合金元素对耐蚀性的影响。具体分析如下：

图1 海水全浸区腐蚀-时间模型

 

 

图2 Cr含量对腐蚀参数的影响((a) r 0 ,(b) c a ,(c) r a ,(d) c s 、r s , (e)r 0 近似值)

 

图3 Mo含量对腐蚀参数的影响((a) r 0 ,(b) ca ,(c) ra ,(d) r 0 近似值

 

    1 Cr 对海水全浸腐蚀影响

 

    图 2a 中可以看出，Cr（ ≤ 2.5%） 对非合金钢 r0 的影响效果很微弱，但是如果加入适量的Mo 或 Al，则很明显随着 Cr 含量增大，钢的 r 0减小，耐腐蚀性能现出增强。类似的现象在图2b 也发生，但是随着 Cr 的增加 c a 的减小趋势随着 Mo 与 Al 的量起伏不定，并非 2a 图中那么明显，总之，c a 受 Cr 影响较小；如期望相同，r a 被 Cr 的量影响特别大，示于图 2c。而 c s ，r s随 Cr 增加减小趋势的发生，则要求 Cr 含量增加到 2% 左右，但是虽有 r s 随 Cr 含量继续增加只会微弱下降。2e 显示了不同化学组成的合金，腐蚀速率 r 0 随 Cr 含量的增加减小的情况，综上可知，一定量的 Cr 对增加合金的耐腐蚀性是特别必要的，需要与其他合金（如 Mo、Al）共同起作用，其含量值估计在 2%-2.5% 达到最佳。

    2 Mo 对海水全浸腐蚀影响

 

    图 3a 与 3b 表明增加 Mo 含量对耐腐蚀性能的提高不是线性的，Mo 含量小于 0.5% 的时候，适度增加 Mo 耐蚀性得到加强，但是之后增加含量对腐蚀几乎没作用。但当加入 1.5% 的 Al 之后，致使 Mo 的抗腐蚀性得到了进一步加强。

    3 Cu 对海水全浸腐蚀影响

 

    图 4 中 Cu 的加入相对而言几乎不影响 r 0 与ca。最大的影响则是对 ra，这表明 Cu 的加入抑制了缺氧过程的进展。与之相反的是，当缺氧条件过程进行的时候，适度的 Cu 含量会轻微地增加合金的耐蚀性。由于 c s ，r s 均有所增加，表明当厌氧环境很充分的时候，Cu 增加会增加腐蚀量，即减弱钢的耐蚀性。

    4 Al 对海水全浸腐蚀影响

 

    图 5a 与 5b 表明 Al 的增加显著减小了腐蚀参数 r 0 与 c a ，当 Al 的含量为（0-1.5%）这被r 0 的近似值得到证明。正如数据显示影响作用非线性，尽管还没有确切理论来解释。没有专门的数据显示 c s 与 r s 的变化，但是 r a 足以表明厌氧环境下，随着Al含量的增加耐腐蚀性有所下降。

图4 Cu含量对腐蚀参数的影响((a) r 0 ,(b) c a ,(c) r a ,(d) c s 、r s , (e)r 0 近似值)

 

图5 Al含量对腐蚀参数的影响((a) r 0 ,(b) c a ,(c) r a ,(d) r 0 近似值)

 

    5 Ni 对海水全浸腐蚀影响

 

    用来评估 Ni 增加提高耐蚀性的有效数据虽然有限，但是图 6a 中，r 0 近似值的变化趋势表明 Ni的增加减弱了腐蚀的进程，但是继续增加 Ni 含量则会减弱合金耐蚀性，促使腐蚀行为的发生，Ni合金元素含量最佳值为 2% 以内。

 

    6 Mn 对海水全浸腐蚀影响

 

    对比 r 0 与 r b 曲线，可知开始 Mn 对腐蚀的抑制作用不明显，但是随着腐蚀过程的进行，Mn 的存在提高了合金的耐蚀性。

图7 Mn含量对腐蚀参数的近似影响r 0 及r b

 

图8 Si含量对腐蚀参数的近似影响r 0 及r b

 

 

    7 Si 对海水全浸腐蚀影响

 

    从 r 0 曲线来看，Si 的作用比较微弱但是轻微有效，r b 表明 Si 对合金耐蚀性是有益的，尤其当同其他合金元素一起加入时。

    8 Ti 对海水全浸腐蚀影响

 

    图 9 表明 Ti 减少了腐蚀失重，同时改善了腐蚀参数 r 0 ，c a ，r a ，即Ti 的加入明显提高合金的耐蚀性。

    9 耐海水腐蚀钢

 

    耐海水腐蚀钢的发展较耐大气腐蚀钢晚。较为系统地研究合金元素对钢的耐海水腐蚀性能的影响，是从 20 世纪 30 年代后半期由Hudson 进行六十几种钢的海水腐蚀试验开始的。耐海水腐蚀钢应用范围并不很广，产量也不很多。究其原因，主要是由于耐海水腐蚀钢的耐腐蚀性能受到某种程度的限制。

 

    因此，就开发和发展低合金耐海水腐蚀钢来说，我国还有很大的潜力，还有大量的研究、生产和推广使用的工作要做。

 

05 一文看懂海洋工程用超级不锈钢和耐蚀合金

 

    与陆地油气开采相比，海洋环境洋流剧烈、海温和压力随深度变化大、海底岩层结构与陆地井迥异。海洋油气中 H 2 S、CO 2 和 Cl - 等的含量普遍较高，海底微生物种类复杂，化学腐蚀和微生物腐蚀能力都很强。因此，海洋油气开采平台用特殊钢材料如不锈钢、耐蚀合金等普遍要求高耐蚀、高强高韧和高耐磨等性能特点。国外先进的海洋油气资源钻采、加工、输运等环节均应用了大量的超级不锈钢和耐蚀合金材料。

    所谓的“超级”不锈钢材料，与传统不锈钢材料相比，一般是指高 Ni/Cr/Mo、高纯净度、采用 N 金化或变形工艺强韧化的一类高性能不锈钢材料，如超级奥氏体、超级铁素体、超级双相不锈钢以及镍基或铁镍基耐蚀合金等。

 

    一、国外用材情况

 

    1、材料分类及主要性能

 

    与海洋平台用微合金化结构钢材料不同，海洋平台用特殊钢材料普遍都是高合金体系的 Ni-Cr 或 Cr-Ni-Mo 基不锈钢、超级不锈钢或耐蚀合金材料，一般都具有高点蚀当量、高纯净度以及N 合金化等特点。使用这些高合金材料制备的海洋平台典型件如储运、工艺管道、脱盐、换热器、油井管、钻探和桩腿等，为满足其特殊的服役工况条件，普遍具备高强度、高耐蚀性或兼而有之。通常而言，耐蚀性和强度是海洋平台用特殊钢材料的两个关键性能指标。目前国外海洋平台用先进特殊钢钢种主要包括超级奥氏体不锈钢、超级铁素体不锈钢、高强度奥氏体无磁不锈钢、镍基和铁镍基耐蚀合金等，这几类特殊钢材料因其合金成分体系设计不同而性能各有所长。

    （1） 高 Mo 含 量 的 Cr-Ni-Mo 超级奥氏体不锈钢。对于超级奥氏体不锈钢而言，普遍具有较高的 Cr、Ni 含量、 一 定 的 Mo 含 量（6% ～ 7%），具有在较高温度优异的耐局部腐蚀和均匀腐蚀的能力，其点蚀当量 PREN 值（Cr+3.3Mo+16N）一般都达到30以上，部分材料甚至高达 50 以上，这确保了此类材料优异的耐蚀性能；同时合理的N 合金化使其兼具了较高的强度和塑韧性。

    （2）镍基或铁镍基耐蚀合金。对于镍基或铁镍基耐蚀合金来说，其 Cr、Ni、Mo 合金含量更高，在热带水域和离子介质复杂的条件下比超级奥氏体不锈钢具有更为突出的耐局部腐蚀、应力腐蚀性能。可广泛应用于油气媒介、油水分离或其他更为苛刻的化工工艺管道、泵阀和离心机等工矿条件。

    （3）高氮奥氏体不锈钢。极高的N 合金含量大幅度提升了材料的强度指标，使其具有室高温条件下显著优异的强度性能，由于采用了 Mn-N 代 Ni 成为奥氏体稳定元素，使其在性能优异的同时具有较低的生产成本。由于近年来其合金体系的不断优化，以及一定的 Mo元素加入，使其也具备了优良的耐局部腐蚀性，Cr 含量的不断提升以及 C 元素的进一步降低，改善了材料的耐晶间腐蚀性能。

    2、应用领域

 

    高性能的海洋平台用特殊钢材料在国外早已商业化生产多年，典型的生产厂商包括瑞典山特维克（Sandvik）、德国蒂森克虏伯（ThyssenKrupp）、芬兰奥托昆普（Outokumpu）、日本冶金（Yakin）、美国阿里根尼（ATIAllegheny）、美国特种金属（SMC）、奥地利伯乐（Bohler）、美国卡朋特（Carpenter）等，其中代表性的海洋油气资源开发工程用高性能Cr-Ni-Mo-N 体系超级奥氏体不锈钢和耐蚀合金材料有：

    （1） 含 N 的 Mo 合金化高性能超级奥氏体不锈钢：

    254SMO（Cr20-Ni18-Mo6-Cu-N）、654SMO（Cr24-Ni22-Mo7-Mn3-Cu-N）、AL6XN（Cr20-Ni24-Mo6-N）、NAS254N （Cr23-Ni25-Mo5.5-N）、NAS354N（Cr23-Ni35-Mo7.5-N） 等。

    （2） 以 Mn、N 代 Ni 的高强无磁奥氏体不锈钢：

    P550（Cr20-Mn20-Mo-N）、P650（Cr19-Mn20-Mo2-Ni4-N）、Datalloy2（Cr15-Mn15-Ni2-Mo2-N）、15-15HS（Cr20-Mn18-Ni3-Mo-N） 等。

    （3） 耐蚀性能优异的 Ni-Cr-Mo 耐蚀 合 金： Incoloy825（Cr20-Ni35-Mo3-Cu3-Nb）、Inconel625（Cr22-Ni58-Mo9-Nb3）、Sanicro28（Cr27-Ni31-Mo3-Cu）、Carpenter20Cb-3（Cr20-Ni35-Mo3-Cu3-Nb）、Nicrofer3127hMo（Cr27-Ni31-Mo7-Cu-N）、Nicrofer33（Cr33-Ni31-Mo-Cu-N） 等。

    上述高性能奥氏体和超级奥氏体不锈钢及耐蚀合金产品已在海洋平台上方、水下输送管道及泵阀、井下钻探三大类应用领域获得广泛应用。目前已在诸如北海油田、波斯湾油田、墨西哥湾油田等数百个海洋油田的平台建设中的大量使用，具体应用领域如下：

    （1） 海洋平台上方

 

    海水管道：254SMO、Incoloy825；凸 轮 装 置：254SMO、654SMO、AL-6XN；板式换热器：654SMO、AL-6XN、NAS354N、Nicrofer3127hMo、Carpenter20Cb-3；海水脱盐系统：254SMO、Nicrofer3127hMo、Nicrofer33；壳体：654SMO、AL-6XN；管式换热器：654SMO、AL-6XN、NAS354N、Nicrofer3127hMo、Carpenter20Cb-3；离心分离机：654SMO、AL-6XN；重力分离机：904L、AL-6XN。

    （2） 水下输送管道及泵阀

 

    油气输送复合管道、阀门总成和管线悬挂器、跳线和跨接线、缆带浮力组件、提升管和流动管：Inconel-625、254SMO、AL-6XN、Sanicro28、Incoloy825；歧 管：254SMO、AL-6XN、NAS800HT。

    （3） 井下钻探

 

    MWD无磁腔室、无磁钻铤、稳定器、旋转导向钻探单元：P550、15-15HS、Datalloy-2、Inconel-718。

    （4） 其他单元：

    平台支撑结构件：NAS254N、AL-6XN；防火防爆墙：316L、P530；墙壁包裹层：316L、P530；电缆盘：316L、P530；楼梯、通道和电梯：316L、P530；天然气系统：316L、P530。

    二、国内海洋工程用材发展现状

 

    1、生产和应用现状

 

    据中海油海洋油气项目采购部门的内部资料显示，由于我国海工用特殊钢材料生产起步较晚、研制生产停滞不前，导致海工用特殊钢及关键装备绝大部分依赖进口，均直接从 Bohler、Alfa-Laval、Butting、Cameron、IntecSEA、CladTek、Flowserve、Goulds、Heatric 等国外厂商采购。据中海油开发工程设计公司的统计数据显示：目前海洋平台工艺设备中进口份额约占总造价的3% ～ 5%；工艺管道和储运管道约占总造价的 15% ～ 30%；因此单一平台项目中进口份额目前要占到平台总造价的 30% ～ 40%。由于进口高性能特殊钢关键部件而产生的费用可高达 4 亿美元，约合人民币 28 亿元。

    2、国内本领域新材料产业发展问题

 

    我国目前海工用特殊钢领域工业化生产及下游平台用海工装备部件的制造均已有一定程度的开展。部分典型部件如钻具、管道、换热器、泵阀等已在陆海油气田以及石化工业中得到初步应用。但就材料制备、装备制造等领域的具体工艺现状来说，国内相关行业、企业、应用等均存在较为典型的问题如发展模式问题、缺乏必要的、系列的材料品质标准和生产工艺规范、行业标准等、科研部门产学研严重脱节、生产厂家技术工艺问题。

    3、本领域新材料研发方向及发展模式：

    高强度无磁不锈钢、超级奥氏体不锈钢和耐蚀合金是未来我国海工用特钢国产化需重点攻关的三大类钢种，应用覆盖海洋油气的钻采储输等环节。在目前研制和生产现状的基础上，各钢种均具有自身独特的发展趋势：

    （1）高强度无磁不锈钢的发展趋势是高强度、高耐蚀、无磁性和低成本。通过足够的 N 含量确保以上性能指标。国内目前已有部分企业生产此类产品，但其合金体系设计落后，强度、晶间腐蚀性能、热变形加工工艺与国外相比差距很大。如何提高该类产品性能、优化合金体系是此类材料的研发重点。

    （2）超级奥氏体不锈钢的发展趋势是高强度和高耐蚀性，通过高 Cr、Ni、Mo 含量确保足够的耐蚀性能，通过适量的N含量确保兼具优异的力学性能，通过合理的热变形工艺确保无开裂、高成材率。合金体系的创新和理论设计是此类材料的研发重点。

    （3）耐蚀合金的发展趋势是极高的耐蚀性和良好的加工工艺性能，通过极高的 Cr、Ni、Mo 含量保证优异的耐局部和全面腐蚀性能，重点解决管材、板材的冶炼、热挤压、热轧等制备技术，解决此类材料从无到有、有价无货的问题。

 

    我国海洋工程用特殊钢产业发展的模式也应当逐步走上良性轨道。海洋油气平台项目应当积极大胆地提出对主要关键部件最新、最前沿的需求、性能指标，通过设计部门和材料研发单位的通力配合，逐步实现材料和装备国产化、规模化和工程化，使我国海工用特殊钢走上良性发展的模式。国家层面也应由项目、企业和科研院所牵头，出台相应的行业和材料标准，使海洋平台用先进特殊钢材料的产学研各个环节更加规范化和法制化。

 

06 各类型船舶关键高端用钢大汇总

 

    引言

 

    近年来，我国的海洋工程与船舶工业取得了长足的发展，实现了历史性的跨越，产业规模迅速扩大，综合实力显著增强，国际地位大幅度提升。但我国和世界上先进的船舶制造及海洋工程装备设计制造技术相比，还存在一定差距。

    目前，我国船舶与海工用钢已能满足国内市场的大部分需求，但部分高级别的特种钢材仍依赖进口。特殊用钢主要指具有高强度、大厚度、抗层状撕裂、大热输入焊接、耐腐蚀、超低温韧性、高止裂性能的钢板，其生产工艺严格，对设备稳定性要求高，开发难度大。下面就简要介绍下这些船舶用钢中的高端钢材：

    液化气体运输船用低温钢

 

    液化气作为一种天然资源，地区间分布不均，国际间运输主要通过液化气体专用运输船进行，包括 LPG 船和 LNG 船。随着 LNG 工业的迅猛发展，9Ni 低温钢的研究和开发热度持续升温，LNG 储存温度为 -163℃，要求 LNG 储罐内壁用 9Ni 钢具有较高的强度、良好的低温韧性和较小的波动。

 

    另一个重要的低温用钢是 LNG 船用 Invar 合金，Invar 合金薄带是薄膜型 LNG 船的必备材料，应用于货舱围护系统。Invar合金是 Ni=36%，热膨胀系数极低，能在很宽的温度范围内保持固定尺寸，适合常温至 -163℃的温度变化。由于我国船厂接受了多艘 LNG 船订单，所以对 Invar 合金的国产化提出了迫切需求。

    大热输入焊接用船板的开发

 

    焊接是船体制造的关键环节，约占船舶制造成本的17%。随着船板厚度规格的增加，开发具有高焊接热输入适应性的钢板以提高焊接效率成为船体建造需重点解决的问题。大热输入焊接用钢是指焊接热输入在 400kJ/cm 以上的钢种。

    提高焊接热输入，必须解决焊接热影响区（HAZ）韧性降低的问题。提高 HAZ 韧性的方法包括采用低碳当量的合金设计、细化 HAZ 晶粒尺寸及改善 HAZ 晶内组织。

    油船货油舱用耐腐蚀钢

 

    随着深海开发和远洋航运的发展，对船板及海洋结构的耐腐蚀性提出了越来越高的要求，包括耐大气腐蚀、耐海水腐蚀以及耐原油腐蚀。其中，油船货油舱耐蚀钢是近十年来国际上研究开发的重点。

    油船是国际间原油运输的重要工具，其货油舱主要采用耐蚀性较差的 AH32、AH36 钢板，采用涂层方式进行腐蚀防护。对于涂层保护形式，需定期进行涂层维护，耗费高、工期长，且施工环境恶劣。2010 年，国际海事组织（IMO）将使用耐蚀钢认定为保护涂层的可替代方案，2013 年，IMO 船用耐蚀钢性能标准正式实施。

    此外，为了提高海洋结构物的寿命，需要开发耐海水腐性能的试验方法主要有日本船级社提出的 ESSO 试验和双重拉伸试验。

 

    蚀性以及耐海洋微生物腐蚀性良好的钢板，特别是在南海海域高湿热、强辐射、高 Cl - 海洋环境中。

    高止裂韧性船用钢板

 

    大型集装箱船普遍采用高强度和大厚度的钢板，大厚度使得钢板的受力状态发生改变，抗开裂性能下降，一旦在极厚板中出现裂纹，该裂纹将会沿着焊缝不断传播，即使进入母材，裂纹也不会停止扩散。为保证船体结构的安全可靠，对材料的止裂性能提出了更高的要求。 目前评价船用钢止裂性能的试验方法主要有日本船级社提出的 ESSO 试验和双重拉伸试验。

 

    海洋平台特厚齿条钢

 

    随着海洋石油工业的深入开展和钻采难度的加大，自升式钻井平台用齿条钢提出了大厚度、高强度、高韧性的发展需求，这类产品一般使用调质热处理状态交货。但是，随着齿条钢厚度的增加，截面厚度方向上组织、性能差异增大，提高特厚齿条钢的淬透性成为这类产品开发的难点。

 

 

    船舶与海工用特种钢是海洋结构物建造中的关键材料，目前国内还大量进口，是国内造船行业急需的钢材。推进我国高技术船舶与海洋工业的发展，大量关键技术需要突破，核心问题之一就是船舶与海工用特种钢的推广与应用，需要冶金企业与造船业共同努力，早日实现多品种、多规格的工业化供货。

 

07 我国船舶与海工用特种钢将如何发展

 

    船舶和海工是海洋钢结构物的两大体系，其建造都需要大量的钢铁产品，钢材占其建造成本的 20%~30%，船体用钢量占其总质量的 60%。目前，我国船舶与海工用钢已能满足国内市场的大部分需求，但部分高级别的特种钢材仍大量依赖进口。特殊用钢主要指具有高强度、大厚度、抗层状撕裂、大热输入焊接、耐腐蚀、超低温韧性、高止裂性能的钢板，其生产工艺严格，对设备稳定性要求高，开发难度大。

    本文将在介绍普通船舶及海工用钢的基础上，对国内特殊钢的发展现状及性能特点进行论述。

 

    1. 我国船舶与海工用钢的发展现状

 

    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。

    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的级别不同，如表 2 所示。

    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。

 

 

    2. 船舶与海工用特种钢板的开发及性能特点

 

    （1）液化气体运输船用低温钢。液化气作为一种天然资源，地区间分布不均，国际间运输主要通过液化气体专用运输船进行，包括 LPG 船和 LNG 船。CCS《材料与焊接规范》规定了建造液化气体运输船的液货舱及其相邻船体结构用的低温韧性钢。包括使用温度在 -55℃以上的 C-Mn 钢和使用温度在 -60 ～ -196℃的 Ni 合金钢，其中 9Ni 钢是建造自撑式 LNG船储罐最主要的钢种，国内的鞍钢、南钢、太钢、宝钢都具备了生产能力，南钢生产的船用 9Ni 钢板通过了多家船级社的认证。

    另一个重要的低温用钢是 LNG 船用 Invar 合金，Invar 合金薄带是薄膜型 LNG 船的必备材料，应用于货舱围护系统。Invar合金 wNi=36%，热膨胀系数极低，能在很宽的温度范围内保持固定尺寸，适合常温至 -163℃的温度变化。由于我国沪东中华、大连船厂都接受了多艘 LNG 船订单，所以对 Invar 合金的国产化提出了迫切需求。

    （2）大热输入焊接用船板的开发 焊接是船体制造的关键环节，约占船舶制造成本的17%。随着船板厚度规格的增加，开发具有高焊接热输入适应性的钢板以提高焊接效率成为船体建造需重点解决的问题。大热输入焊接用钢是指焊接热输入在 400kJ/cm 以上的钢种。

    提高焊接热输入，必须解决焊接热影响区（HAZ）韧性降低的问题。提高 HAZ 韧性的方法包括采用低碳当量的合金设计、细化 HAZ 晶粒尺寸及改善 HAZ 晶内组织。TiN 粒子在焊接过程中能阻碍奥氏体晶粒长大，因此被首先应用于大热输入焊接技术。但随着焊接热输入的提高，TiN 粒子会发生粗化、重熔，失去对奥氏体晶粒长大的抑制作用。若使焊接热输入达到 400kJ/cm，需采用氧化物冶金技术，通过 Ti-O、Mg-O、Ti-B 等处理技术，利用钢液中形成的氧化物质点阻止焊接热循环过程奥氏体晶粒的长大，促进晶内针状铁素体的形核，从而细化 HAZ 组织，改善其韧性。

    CCS《材料与焊接规范》规定了适应高热输入焊接的船体结构钢，在某一等级船舶与海工用钢的基础上，经过化学成分的少量调整，获得高的焊接热输入。除了要满足母级钢的全部性能要求外，还要求距熔合线 5mm 和 10mm 两处热影响区的冲击试验。

    （3）耐蚀钢。随着深海开发和远洋航运的发展，对船板及海洋结构的耐腐蚀性提出了越来越高的要求，包括耐大气腐蚀、耐海水腐蚀以及耐原油腐蚀。其中，油船货油舱耐蚀钢是近十年来国际上研究开发的重点。

    油船是国际间原油运输的重要工具，其货油舱主要采用耐蚀性较差的 AH32、AH36 钢板，采用涂层方式进行腐蚀防护。对于涂层保护形式，需定期进行涂层维护，耗费高、工期长，且施工环境恶劣。2010 年，国际海事组织（IMO）将使用耐蚀钢认定为保护涂层的可替代方案，2013 年，IMO 船用耐蚀钢性能标准正式实施。在工信部的组织下，我国宝钢、鞍钢等企业开展了基于 IMO 标准的船用耐蚀钢应用技术研究。目前，已基本完成了 E36 级别耐蚀钢及相关焊材的开发。鞍钢钢板已经申报船级社认证，并向 3.8 万 t 级大庆 435 油轮示范改装船货油舱内底板和上甲板供货 1000 多 t。

    此外，为了提高海洋结构物的寿命，需要开发耐海水腐蚀性以及耐海洋微生物腐蚀性良好的钢板，特别是在南海海域高湿热、强辐射、高 Cl - 海洋环境中。我国耐海水腐蚀钢已经过了多年发展，开发了 Cr-Mo-Al、Cr-Cu-Mo 等多种成分体系的耐海水腐蚀钢，但一般都应用于近海。如宝钢开发的 Q345C—NHY3 向东海洋山深水港码头供货 30 万 t 以上。其他钢种，如 10Cr2MoAl Ｒ E、08PV Ｒ E、09MnCuPTi、0MnPNbＲ E、10NiCuAs、10CrMoAl 等已通过鉴定，但尚未推广，在大型固定式和移动式海洋结构件上应用较少。

    （4）高止裂性能钢板 大型集装箱船普遍采用高强度和大厚度的钢板，大厚度使得钢板的受力状态发生改变，抗开裂性能下降，一旦在极厚板中出现裂纹，该裂纹将会沿着焊缝不断传播，即使进入母材，裂纹也不会停止扩散。为保证船体结构的安全可靠，对材料的止裂性能提出了更高的要求。

    目前评价船用钢止裂性能的试验方法主要有 ESSO 试验和双重拉伸试验。日本船级社提出采用梯度温度型 ESSO 试验方法测定止裂韧性 Kca 作为止裂性能表征参量，并提出了相应的技术指标值，要求 -10℃的止裂韧性 Kca ≥ 6000N/mm 3/2 。国内，七二五所采用双重拉伸试验方法为宝钢提供了 EH47 钢止裂性能试验报告，已通过了法国船级社的审核，双重拉伸试验也被编入了 CCS《船用高强度超厚板应用指南》。2014年1月国际船级社协会（IACS）“统一要求”正式生效后，宝钢、沙钢先后与七二五研究所签订了 EH47 钢 80mm 厚板止裂性能检测及相关技术服务合同。

    （5）海洋平台用超高强度钢在开发海洋油气资源，建造海洋平台的过程中，为了减轻平台自重，提高平台安全性，超高强钢的应用越来越普遍，且强度也越来越高。在自升式平台及半潜式平台的建造中，超高强钢的使用量越来越大。

    自升式平台具有用钢量少、造价低及效率高等优点，在近海开发中发挥了巨大作用。升降系统是自升式平台的关键技术，多采用齿轮齿条的升降方式。随着平台工作水深的增加，齿条钢的厚度不断增大，性能要求也越来越严格。齿条是桩腿的核心部件，桩腿所承受的各种载荷最终都会直接或间接的作用在齿条上，因此齿条材料必须具有较高的强度和韧性，齿条及半圆板用钢主要采用 ASTM 标准中的 A517Q/A514Q。A517Q 屈服强度为 690MPa，要求 -40℃低温冲击韧性。其厚度一般在 150mm 以上，具有冲击韧性高、抗层状撕裂好、耐海水腐蚀等优异性能。目前舞钢、宝钢都具有供货实绩。

    此外，在我国第六代深水半潜式钻进平台海洋石油 981 平台的建造中，局部采用 36mm 以上 56kg 及 70kg 级超高强度钢EQ56/EQ70，共 200t，全部从国外进口。目前，宝钢等已能够生产EQ70钢种，且向振华重工、招商局重工等300～400ft（英尺）（1ft=304.8mm）自升式海洋平台供货。

    3. 船舶与海工用钢板的加工难点

 

    对于船舶与海工用钢，其加工重点及难点都在焊接成形方面。焊接的难易及焊接质量的好坏，决定了海洋钢结构物的最终使用性能。此外，钢板在切割过程中也容易形成裂纹，需加以注意。

    （1）超高强钢焊接。随着强度级别的提高，碳及合金元素加入量增大，容易引起焊接热影响区的脆化和形成冷热裂纹。此外，焊接接头热影响区软化也是细晶粒钢焊接时普遍存在的问题，因此解决高强度船体结构钢的焊接成形问题，已经成为高强度船板钢是否能得到有效应用的关键。

    A517Q 属于船舶与海工用钢中强度级别最高的钢种，目前国内多家钢厂已通过了船级社认证且有了生产实绩。作为齿条板制造材料，A517Q 必须具有较高的强度和韧性和焊接性。A517Q 的碳当量及冷裂纹敏感性系数较高，焊接性较差，具有较大的淬硬倾向，易产生冷裂纹。在船级社认证过程，需对母材进行焊接性能试验。为了获得强度、塑性及韧性的最佳匹配，焊接过程中应综合采用焊前预热、最佳热输入控制、焊后缓冷、层间温度控制等措施。

    （2）大热输入焊接技术 作为船舶建造中最长的工序，焊接效率的高低决定了船舶建造的成本和交货周期。为了提高焊接效率，需提高焊接热输入。目前船厂多采用多丝埋弧焊、气电立焊、电渣焊等高效焊接方法，与传统焊条电弧焊相比，焊接效率可以提高 10 倍以上。船级社规定，焊接热输入超过 50kJ/cm 即为大热输入焊接。对于船板，厚度规格达到 80mm，很多情况下要求一次焊接成形，焊接热输入可达到500kJ/cm。对于该工艺，关键是采用具有大热输入焊接适应性的钢板，此外，还应开发相应的焊材，采用适当的焊接方法。

    （3）特厚板切割技术 海洋平台桩腿用钢主要采用690MPa 级别的 Z 向钢，最大厚度可达到 210mm。高强度、大厚度板材的切割是一个复杂的热加工过程。目前，厚度＞100mm 的高强钢板主要采用氧乙炔气体切割。切割后的边随着钢板的自然冷却会产生收缩应力，严重时将产生较复杂的变形，甚至产生裂纹。另一方面，作为焊接生产的前工序，切割引起的残余应力和应变将直接影响焊接装配的质量。

    以自升式平台齿条用钢为例，A517Q 厚板经切割后可直接应用于升降齿条，无需再加工，为此对切割技术提出了极高的要求。切割过程要保证切割表面的光洁性，同时还要防止钢板的变形，为此需要采用合适的切割工艺和技术，如采用双头对称的切割技术等。此外，可以在切割前对大厚度钢板进行预热以清除钢板表面水分。

    4. 船舶与海工用特种钢材的应用前景

 

    21 世纪是海洋的世纪，随着世界经济的发展，不论是海洋运输还是海洋资源开发都将进入高速发展期，由此带动船舶与海洋工程制造的快速增长。船舶的大型化、海洋资源开发的深海化，将大量采用具有特殊性能的船舶与海工用钢。

    在船舶方面，随着人类环保意识的提高，清洁能源如石油气和天然气在能源消耗方面的比重将逐渐提升，液化石油气和液化天然气在国际上的运输将变得更加频繁，催生 LPG船与 LNG 船的大量应用，这就需要大量低温钢，如 9Ni 钢和Invar 合金等。原油轮，货油舱耐腐蚀板用钢量占到总用钢量的 40% ～ 45%，以建造一艘 30 万 t 级超大型油轮为例，船体结构总用钢量近 4 万 t，其中货油舱部分用钢量约 1.7 万 t，占整个船体结构总用钢量的 42%，耐原油腐蚀钢板具有巨大的市场需求。对于高止裂船板，在集装箱船方面，主要应用于舱口围栏；对于散货船，可应用于舱口盖和甲板装置，以及有侧肋骨的船侧板；对于油轮，可应用于船舷侧板，船底侧板。目前，多家船级社标准已对船板的止裂性能提出要求。

    未来几年，在海工方面我国将有 30 多个油气田待开发，需建造 70 多座平台，300ft 自升式平台，每座平台需 EQ70钢 950 ～ 1050t，400ft 自 升 式 平 台， 每 座 平 台 需 EQ70 钢2300 ～ 2400t，特殊高强度钢的需求量在 10 万 t 以上。

    5. 结语

 

    本文总结了船舶与海工用特种钢的发展现状，分析了此类钢的性能特点、加工难点以及应用前景。船舶与海工用特种钢是海洋结构物建造中的关键材料，目前国内还大量进口，是国内造船行业急需的钢材。推进我国高技术船舶与海洋工业的发展，大量关键技术需要突破，核心问题之一就是船舶与海工用特种钢的推广与应用，需要冶金企业与造船业共同努力，早日实现多品种、多规格的工业化供货。

 

（来源：作者：芦晓辉、高珊、张才毅，宝山钢铁股份有限公司中央研究院）

 

08 一文了解钢结构用主要钢材

 

    钢结构用主要钢材

 

    钢厂开发了各种各样的钢材，广泛应用于钢结构。所开发和应用的钢材特征用一句话来说，就是钢材的“多样性”。第一特征是“强度的多样性”，钢材的强度范围涵盖了从超高强度到极低强度的各种钢材；第二特征是“功能的多样性”。开发了焊接性、韧性尤其是耐蚀性和变形能力高的各种钢材。低屈强比、窄屈服点范围和高耐火性是日本独自设定的性能要求，一部分已被欧美标准采用；第三特征是与钢材产品形状有关的特征，在这里称为“断面的多样性”。采用热轧法可以生产大断面材、极厚材和非对称断面材等，不仅可以为用户提供形状自由度高的钢材产品，而且可以为用户提供各种尺寸规格的钢材产品。

    1 有助于钢结构大型化的高强度厚钢板

 

    在桥梁用钢方面，将数个横梁并排构成的桁架桥（板梁）的建造，加快了钢材高强度化的发展。在 1950 年代使用了抗拉强度为500N/mm 2 级的厚钢板，在 1960 年代使用了抗拉强度为 600N/mm 2 级的厚钢板。其后，桥梁的大跨度化为桁架桥和吊桥等结构形式的创新起了重要作用。到了 1960 年代后期，厚钢板的抗拉强度达到了 800N/mm 2 。当时的高强度钢都是一些含 Ni、Mn 和 Cr等合金元素较多的钢材。虽然这些钢材的强度高，但焊接性是一个问题。为解决这一问题，日本在 1998 年完工的明石海峡大桥中，开发了低预热型 800N/mm 2 级钢作为加劲梁用钢。该钢种通过将当时作为最新的 TMCP 技术和析出强化技术进行组合后，可提高钢材的焊接性，成功地将以往的预热温度由 100℃以上降到了 50℃左右。

    自 1990 年代以来，高强度钢在建筑物的应用取得了进展。1993 年抗拉强度为 600N/mm 2 级钢在横滨陆上灯塔的应用就是一个代表例。自 2000 年以来，被称作阻尼器的抗震装置（制振结构）得到了普及应用，它可吸收建筑物因地震而产生的振动能量，减轻建筑物的柱和梁的损坏程度。虽然高强度钢在建筑物的应用时间比桥梁的晚，但随着新抗震设计法和建筑物新结构形式的实施，目前，超高强度厚钢板在建筑物的应用已超过在桥梁上的应用。

    2 世界最长吊桥钢缆用超高强度钢丝

 

    一般说来，高强度钢丝的碳含量提高到 0.8% 后，会形成由硬质相和软质相构成的珠光体组织，研究发现，添加Si 和 Cr 可以抑制碳的扩散，防止渗碳体出现破碎。在明石海峡大桥用钢丝的生产中，由于 Cr 会降低热处理的作业效率，因此，最终采取的是添加 Si 提高强度的办法。由于目前还可能生产抗拉强度超过 2000N/mm 2 级的钢丝，因此，它有望应用于世界正在计划的长大桥中（例如，挪威的松恩峡湾大桥等）。

    3 解决氢脆化问题的建筑用超高强度螺栓

 

    日本从 1950 年代开始，将高强度螺栓应用于桥梁和建筑物。初期的高强度螺栓的抗拉强度为 600-800N/mm 2级，1964 年日本首次制定了高强度螺栓的工业标准，促进了高强度螺栓的普及应用。在 1964 年的日本工业标准中，列出了抗拉强度为 700、900、1100 和1300N/mm 2 级的 4 种螺栓的工业标准。1300N/mm 2 级的螺栓在使用后，会马上出现氢脆化问题（延迟断裂），因此，在 1967 年的标准修订中，只列出了800、1000 和 1100N/mm 2 级的 3 种螺栓的工业标准。其后，在 1100N/mm 2 级的螺栓中，也偶尔出现了氢脆化问题，因 此， 在 1979 年 以 后， 只 有 1000N/mm 2 级（F10T）的螺栓标准，螺栓的高强度化因氢脆化问题而停滞了大约 20年。

    1999 年由于解决了建筑用高强度螺栓氢脆化的问题，一举将高强度螺栓由以往的 1000N/mm 2 级提高到 1400N/mm 2 级（F14T）。超高强度螺栓经包括海水试验在内的裸露试验，已确认其具有稳定的抗氢脆化性能，目前已应用于建筑物达 10 多年，为钢结构部件的简单化和省力化做出了巨大贡献。

    4 满足多种性能要求的桥梁用高性能厚钢板

 

    虽然在 1960 年代，高强度钢（抗拉强度 800N/mm 2 级）在桥梁的应用取得了快速发展，但由于为了确保淬火性而添加了很多的 C 和 B，因此，导致高强度钢容易发生低温裂纹等焊接性问题。为解决这一问题，开发了低预热型800N/mm 2 级钢（厚钢板）。由于该钢板可将焊接预热温度降低到原来的一半以下（50℃），因此，为提高桥梁的建设速度做出了贡献。

    日 本 于 1994 年 开 始， 进 行 了 有关 桥 梁 用 高 性 能 钢 的 研 究。2008 年SBHS500 和 SBHS700（数值表示屈服强度）已列入新型钢材标准（JIS G3140-SBHS），2011 年又追加了 SBHS400。美国和韩国也已制定了桥梁用高性能厚钢板的标准，但日本的 SBHS 钢的屈服强度保证值比其他国家的都高。

    5 新抗震设计法对建筑用抗震钢材的要求

 

    自 1980 年代以来，新建筑结构用钢材得到了大力开发和应用。以“新抗震设计法”的实施为契机，1981 年建筑物的设计发生了巨大变化，由弹性设计变为塑性设计。开发了 SN 钢和 SA440 钢等抗震用钢材（厚钢板和型钢）。这些新抗震用钢材的主要特征是，不仅钢材的韧性值和板厚方向的断面收缩率都达到了桥梁用钢材的标准，而且屈强比（屈服强度与抗拉强度之比）的上限值和屈服强度的上下限范围也在规定范围内。

    屈强比是表示影响钢构件塑性变形能力的指标。也就是说，屈强比YP越低，塑性区域就越大，变形能力越高。SN 钢和 SA440 钢（抗拉强度为 400-600N/mm 2 级）为低屈服强度比钢材，它以硬质相和软质相的双相组织为基础，通过组织控制和晶粒度控制可获得必要的强度和屈强比。

    另一方面，屈服强度的上下限范围是影响整个框架变形能力的性能指标。SN 钢和 SA440 钢的屈服强度上下限范围规定在 100-200N/mm 2 。通过严格控制生产工艺中的温度轧制条件，就可控制材料的屈服强度的上下限值。不论是屈强比和韧性值，日本的标准都是最严格的。欧洲的材料标准和设计标准没有对屈强比的上限做出规定，因此有待于进一步研究。

    6 钢材断裂的控制技术和高HAZ 韧性钢

 

    1995 年日本兵库县南部地震的特征之一是钢材是从焊接部发生断裂。当时使用的是 SN 钢，无法保证 HAZ 韧性。为确保 HAZ 韧性，有效的办法是通过控制晶粒因 Ti 和 TiO 2 等氮化物和氧化物而出现生长（钉扎效应），并利用晶粒内的细化作用（晶粒内铁素体的相变），实现晶粒细化。为使晶粒细化，开发了能够有效抑制 HAZ 部附近晶粒生长的技术。该技术采用的是将含有 Mg 和 Ca 且粒度为数 10nm- 数 100nm 的极细氧化物和硫化物在钢中弥散的技术来控制晶粒的生长。另外，还开发了微量添加 B等合金来控制晶内组织的技术，并提出了各种控制 HAZ 部组织的技术。通过这些研究，开发了高 HAZ 韧性钢，即使在焊接线能量为 100kJ/mm 的情况下，也能确保在 0℃时，具有 70J 以上的 HAZ韧性。目前，这种高 HAZ 韧性钢已广泛用作高层建筑的柱子用钢材。

    7 有助于降低寿命周期成本的耐候性钢和耐蚀钢

 

    目前，新建桥梁的 20%-25% 采用了 JIS 耐候钢（SMA），它可在无涂装情况下，确保长久的耐用性，为降低寿命周期成本（LCC）做出了贡献。耐候钢广泛应用于桥梁，但在海岸线附近盐分大的环境下，因不会生成保护性锈，也就无法抑制腐蚀。为解决这一问题，开发了镍系高耐候性钢。该钢的特征是Ni 的添加量为 1%-3%，此外还添加了微量的 Cu、Mo 和 Ti 等合金元素。该钢于 1998 年首次应用于北陆新干线的桥梁和桥墩。经过15年后的裸露试验表明，3% 镍系高耐候性钢受腐蚀量只有 JIS-SMA 的 2/3，为 0.17mm/100 年。最初开发的高耐候性钢是 3%Ni-Cu 系，后来由于 Ni 的添加量和添加的合金元素不同，因此，高耐候性钢有几种类型，可根据腐蚀环境的不同分别使用。

    为更好地防止海岸线附近盐分对钢构产生腐蚀的影响，开发了在钢构涂装情况下，可延长重新涂装周期的钢材，如 Sn 添加钢。根据裸露试验和腐蚀加速试验的结果可知，Sn 添加钢的使用寿命比涂装钢板的延长 2 倍左右。Sn 添加钢和耐候性钢主要是根据盐分量的不同分别使用。

    除了上述钢种外，还开发了在添加少量 Cr 和 Al 的低合金耐蚀钢上涂覆一次性防锈用的无机含锌粉耐蚀耐热涂料，使其耐蚀性接近不锈钢（SUS304）的技术，该钢材被称作“ARU-TEN”。

    8 适用于新型建筑结构的高性能钢（低屈服点钢和超高强度钢）

 

    为进一步提高屈曲支撑和制振结构的性能，开发了阻尼器专用的钢材。开发的钢材为 LY100 和 LY235。在作为新型建筑结构的制振结构的普及过程中，为减小伴随巨大地震而产生的风险，从2004 年开始，研究将制振结构和高强度钢组合的“新型结构装置”。除了研究几种类型的制振结构装置外，还开发了800N/mm 2 级高强度厚钢板（H-SA700），其抗拉强度为 800N/mm 2 级，屈强比的上限值为 98%，分为焊接用和非焊接用两种。另外，还开发了抗拉强度为1000N/mm 2 级的超高强度厚钢板，并在低层建筑进行了试用。该钢的屈服强度在 880N/mm 2 以上，抗拉强度在 950N/mm 2 以上，屈强比在 98% 以下。另外，为防止该钢发生焊接裂纹，需要进行焊接预热，这是一个课题，但可以通过使用软质接头予以解决。

    9 世界最早的建筑用高温强度保证钢（耐火钢）

 

    为解决在火灾高温下，钢材强度会急剧下降的问题，1988 年开发了具有良好高温强度特性的耐火钢，并在世界上首次成功应用于立体停车场。作为建筑用耐火钢的主要特征在于，保证 600℃时的屈服强度是常温 F 值（材料的设计强度）的 2/3 以上。耐火钢 NSFR490B的高温强度比普通焊接结构用钢材要好，其屈服强度（YP）在 600℃时是常温设计标准强度的 2/3 以上。使用耐火钢，不仅可以省略耐火保护层、缩短工期，还可实现钢结构因没有耐火保护层而变得轻巧。

    10 大断面及尺寸自由度高的 H型钢和钢板桩

 

    由于在 1980 年代后期，开发了能够随意调整 H 型钢尺寸的轧制新技术，因此 H 型钢的大型化和尺寸的自由度取得了飞跃发展。例如，根据欧洲（H 型钢规格）和日本（外部尺寸一定的H型钢）的梁用 H 型钢的比较可知，欧洲的各种尺寸的 H 型钢品种数量为 224 个，而日本超过了 600 个，日本各种尺寸的 H 型钢品种数量占据了绝对优势。

    另一方面，地下结构物建设用的钢板桩也在朝着大断面和独特形状方面进行开发。1931 年日本以国外技术为基础开始生产钢板桩，一直使用欧洲的标准生产宽度为 400mm 的 U 形钢板桩。其后，开发了宽度为 500mm 和 600mm 的 U形钢板桩。2005 年开发了施工性、可靠性和经济性高的宽度为 900mm 的帽形钢板桩。帽形钢板桩分为高度为 230mm 的10H 和高度为 300mm 的 25H 两种，其后还开发了高度为 370mm 左右、厚度不同的两种大型帽形钢板桩（45H 和 50H）。

    11 其他高性能钢材（高强度钢筋和超高强度钢纤维）

 

    钢筋混凝土结构不同于钢结构，广义上来说它是混凝土和钢材（钢筋）的合成体。混凝土是脆性材料，虽然具有抗压性能，但抗拉性能非常低。为弥补混凝土的缺点，需用钢筋来解决，这就是钢筋混凝土。1988 年受国外混凝土高强度化发展的影响，日本启动了新钢筋混凝土计划，开发强度是以往的 2-4 倍的建筑用钢材。

    随着大城市超高层住宅建设的不断发展，根据新钢筋混凝土计划开发的高强度混凝土和高强度钢筋自 1995 年以后得到不断的应用。目前，混凝土的最高强度达到了 200N/mm 3 、纵向钢筋强度达到了 685N/mm 3 、横向钢筋强度达到了 1275N/mm 3 。

    混凝土的高强度化，尤其是由于150-200N/mm 3 以上的混凝土非常容易发生脆性破坏，因此，在混凝土中混入超高强度的钢纤维来增强混凝土强度的情况越来越多。这种超高强度钢纤维，不仅能改善高强度混凝土的变形性能，而且能防止火灾时高强度混凝土的爆裂。

    另一方面，作为钢筋混凝土结构形式之一有预应力混凝土结构（PC）结构。使用高强度 PC 钢材，可以使混凝土产生预压缩力，还能提高张力弱的混凝土的性能。这种结构使用的 PC 钢材的抗拉强度一般为 1860N/mm 3 ，但 2230N/mm 3的钢材也已应用于实际建筑物。

 

09 轨道交通用钢情况分析

 

     一、轨道交通用钢种类及特点分析

 

    1.产品分类

 

    轨道交通包括地铁、轻轨、有轨电车等城市轨道交通，也包括高速铁路、普速铁路等铁路交通。轨道交通用钢主要包括线路铺设用钢、车辆用钢，以及桥梁、隧道、车站等基础建设用钢、电气化铁路用钢等，钢材品种种类繁多（表 1）

 

 

    2.特点分析

 

    （1）钢轨

 

    钢轨直接承受车轮传递的列车及其载荷质量，并引导列车的行进方向。与普通线路相比，客运专线、高速列车及重载列车对钢轨的安全性要求极为苛刻。钢轨不仅要承受机车、车辆的压力，还要承受列车高速运行所带来的冲击载荷，因此钢轨需要具有足够的强度、硬度、韧性以及良好的焊接性能。通常，按照抗拉轻度钢轨可以分为普通级钢轨、耐磨级钢轨、特级钢轨 3 个等级。钢轨质量越重，所能承受的载荷越大，我国主要线路一般铺设 60kg/m 和 75kg/m 的重型钢轨。我国高速铁路用钢轨主要包括 U71MnG 和 U75VG 材质，通常时速200km/h 以上高速客货铁路选用 U71MnG，时速 200 ～ 250km/h 高速客货铁路选用 U75VG。

    （2）车轮用钢

 

    车轮是车辆的主要承载零件，是车辆走行系统的重要组成部分。车轮与轮箍用钢是采用电炉或转炉冶炼的镇静钢，根据生产工艺划分为辗钢车轮和铸钢车轮，一般而言，客车、高速列车等较高端的车轮通常使用辗钢工艺生产。对于重载列车，轮轨接触应力大，特别是在在高应力下，轮轨接触区的面积加大，列车行进时车轮磨损大，容易出现接触疲劳失效。所以对重载列车车轮用钢需要更高的耐磨性和抗解除疲劳性能，同时还要考虑抗热疲劳损伤性能。

    （3）车轴用钢

 

    车轴是铁路机车和车辆的重要部件，是车辆走行系统的重要组成部分，如果车轴发生断裂将会导致列车脱轨。车轴用钢应具有良好的疲劳强度和抗冲击性能。我国普通客车和货车车轴一般采用 LZ50 中碳钢，机车少量采用 JZ45，基本都是实心车轴；动车组采用中碳合金调制钢，车轴为空心车轴。

    （4）车体用钢

 

    车体用钢主要是车体主梁、车框、内外车厢板等用钢，钢材品种主要包括不锈钢、耐候钢板、耐候型钢等，基本要求是高强度、高耐腐蚀性、高焊接性及轻量化。对于铁路货车用钢主要是高强度耐候耐蚀钢。

    二、轨道用钢生产企业及发展情况

 

    1.国内重点企业情况

 

    目前我国轨道交通用钢生产企业主要包括攀钢集团有限公司（以下简称“攀钢”）、鞍钢集团公司（以下简称“鞍钢”）、包钢集团 （ 以下简称“包钢”）、宝钢集团有限公司（以下简称“宝钢”）、马鞍山钢铁股份有限公司（以下简称“马钢”）、太原钢铁（集团）有限公司（以下简称“太钢”）等钢铁企业及以江阴兴澄特种钢铁有限公司（以下简称“兴澄特钢”）、西宁特殊钢股份有限公司公司（以下简称“西宁特钢”）、大冶特殊钢股份有限公司（以下简称“大冶特钢”）等为代表的特钢企业，各企业重点轨道用钢产品如表 2。

 

    2.重点品种发展情况

 

    （1）钢轨

 

    目前，我国钢轨生产企业主要有攀钢、鞍钢、包钢和武钢等（表 3），其中攀钢是国内第 1 家能够生产百米定尺钢轨的企业，包钢生产的 U71Mn 和 U75V 铁路用热轧钢轨和武钢生产的 U71MnG 和 U75VG 高速铁路用钢轨均获得了 2016 年“金杯奖”产品。

 

    “十二五”期间，我国钢企向中国铁路供轨约 1389 万 t，其中，普速钢轨 69%，高速钢轨 28.4%，道岔用非对称断面钢轨 2.6%。目前，各钢企均已具备现代化的钢轨生产能力，基本满足国内高速铁路和重载铁路对钢轨的质量需求。与国外相比，我国高速铁路用钢轨与国外差距不大，但在重载铁路用钢方面仍然存在一定差距。如重载铁路用钢轨方面，日本生产的过共析珠光体 SP3 钢轨，通过热处理，轨面硬度可达到 450HB，碳含量仅为 0.80%，但国产的过共析钢轨 U95Cr，通过在线热处理后，轨面硬度可达到 420HB，但其碳含量大于0.90%。

    （2）车轮

 

    马鞍山钢铁股份有限公司是目前国内最大的车轮生产商，除马钢以外，生产车轮的企业还有山西太重车轮厂、中美合资信阳同合车轮有限公司、中美合资大同爱碧玺铸造有限公司。我国在普通客车、货车及机车车轮方面，技术水平与国外相差无几。对于重载列车车轮，我国也已经开发出一系列新材质重载货车车轮，并且已经投入应用，研发水平已处于世界先进水平之列。但在高速列车车轮的研究和开发方面，我国与国外存在一定差距。目前我国动车组车轮和大功率机车车轮基本依赖进口，全部从日本住友、法国 VALDUNES、德国 BVV、意大利 LUCCHINI 等少数几个具备高速车轮生产能力的企业进口。

    （3）车轴

 

    普通客车和货车的车轴主要以实心车轴为主，我国在车轴钢冶炼洁净度完全能满足生产实心车轴的要求，所以在普通客车和货车车轴生产完全实现国产化。但在重载和高速列车车轴的研究与开发方面，仍然比较落后。目前，我国采用微合金化路线生产出适用于 30t 以上的重载车辆的车轴钢坯，制造出的车轴已经装车试运行，效果良好。动车组列车采用空心轴，目前空心轴核心生产技术主要掌握日本等少数发达国家手中。

    （4）车体用钢

 

    不锈钢车辆具有耐腐蚀、免维护、安全、轻量化、全寿命周期成本低等特点，随着绿色、节能、环保、安全等意识的提高，不锈钢车辆渐成趋势。特别是随着轻量化要求越来越高，不锈钢已经成为车体主要用钢。2005 年太原钢铁集团有限公司就开始为轨道交通提高车体用不锈钢，经过不断的钻研与努力，车体用不锈钢的国产化率由最初的 100% 依赖进口，到目前仅有少数高耐蚀不锈钢种需要进口。

    三、轨道交通产业发展及钢材消费情况

 

    1.轨道交通产业发展现状

 

    城市轨道交通方面，截至 2015 年底，我国城市轨道交通运营线路网长度达到 3195.4km（图 1），是 2005 年的 8.2倍，10 年内年均增长 23%。“十二五”期间，我国城市轨道交通运营线路新增 1 724km，同期我国城市轨道运营车辆也从2010年的21 165标台增至48 165标台，年均增长18%（图2）。

    铁路交通方面，2011-2015 年，我国新增铁路营运里程逐年保持增长（图 3）。截至 2015 年底，全国铁路营业里程12.1 万 km，其中高铁运营里程达到 1.9 万 km。2015 年全国铁路机车、铁路客车、铁路动车组和铁路货车拥有量分别为21366 台、67706 辆、17648 辆和 768516 辆（表 4），其中机车、客车和动车组分别较 2010 年增长了 9.96%、29.88% 和300.36%。

    2.轨道交通用钢消费情况

 

    城市轨道交通用钢方面，据统计，城市轨道交通每新增1km，将带动钢材消费 5.6 万 t，钢轨消费 260t。照此估算，“十二五”期间我国城市轨道交通拉动钢材消费近 1 亿 t，轨道用钢 40 多万 t，年均消费钢材 2000 万 t 左右（图 4）。

 

    总体来看，“十二五”期间，我国城市轨道交通和铁路交通共带动钢材消费 2.06 亿 t，年均消费钢材超过 4100 万 t。

 

 

    四、轨道交通用钢的未来发展趋势

 

    1.未来需求预测

 

    “十三五”期间，我国铁路建设和城市轨道交通将继续保持快速发展。铁路建设方面，到 2020 年，我国铁路网规模将达到 15 万 km（其中高速铁路 3 万 km），预计每年拉动钢材消费 2300 万 t，“十三五”期间预计拉动钢材消费 1.15 亿t 左右。城市轨道交通方面，“十三五”期间我国城市轨道交通建成投运线路将超过 3000km，年均新增营运里程 600km 以上，预计“十三五”期间将带动钢材消费 1.68 亿 t，钢轨消费 79 万 t；平均每年拉动钢材消费 3300 万 t 以上，钢轨消费16 万 t 左右。综合来看，“十三五”期间，我国轨道交通用钢 5600 万 t 左右。

    2.重点发展方向

 

    钢轨：随着我国轨道交通向高速、重载方向发展，对钢轨的断面、钢种、钢的纯净度、外观平直度以及钢轨表面质量、尺寸精度等各方面要求更加严格，今后应将高速重载轮轨用钢作为重点发展方向。

    轮轴：已经进入试用的重载轮轴，加快推进国产替代的速度；对尚未拥有生产技术能力的高速轮轴要加大研发力度，突破钢种成分优化、强韧性匹配、抗剥离性能、接触疲劳性能批量生产及检测技术，早日改变我国在高速轮轴进口依赖的被动局面。

    车体用钢：鉴于不锈钢车体的免维护、绿色、节能、环保、全寿命周期成本低及轻量化等优势特点，积极推进不锈钢车体的研发设计，特别是加强高耐蚀钢和耐候钢的技术研发，大力促进不锈钢在车辆制造中的应用。

    来源：工业和信息化部赛迪智库原材料工业研究所

 

深海装备微生物腐蚀研究现状及发展趋势

 

文 | 赵文静 江锦波 孟祥铠 金杰 彭旭东 浙江工业大学机械工程学院

 

随着科技和经济的迅速发展 , 海洋经济已成为 21 世纪全球经济新的增长点 , 海洋领域的研究越来越多 , 尤其是深海领域 , 逐渐成为各国研究和竞争的热点 , 人类开始进入开发和利用深海海洋资源的新时代。开发利用深海海洋资源 , 深海装备的腐蚀问题不容忽视。

深海装备由于腐蚀问题而导致结构破坏或材料失效的问题中 , 深海微生物腐蚀（MIC） 约占问题总量的 70% 到 80%, 且与微生物相关的腐蚀失效和破坏已达到涉海材料总量的 20%, 每年因微生物引起的腐蚀损失至少为 30 亿美元 , 因此 ,深海装备微生物腐蚀的研究对于海洋资源和深海装备的开发利用具有现实意义 , 已成为一个广泛关注的问题 , 是今后腐蚀学科的重点研究问题之一。最早Garret 报道了海洋微生物参与金属腐蚀的有关研究 , 后续研究者开展了大量工作 , 为 MIC 的研究奠定了基础。20 世纪 60 年代后 , 对 MIC 的腐蚀机理进行了广泛研究 , 有关非金属和金属材料在不同环境下的MIC研究也开始不断增多。

然而 , 国内外对深海装备微生物腐蚀行为和腐蚀机制研究的公开报道较少 , 且研究技术和方法也存在很多不足和不确定因素 , 开展相关研究 , 探索其在深海环境中的腐蚀规律和防护方法 , 并建立其腐蚀数据库 , 不仅具有重要的应用价值 , 而且为深海装备的研发设计及其性能改善提供了强有力的支持。本文综述了深海装备微生物腐蚀的研究进展 , 主要从微生物腐蚀机制、腐蚀因素、研究方法和防护措施这几个方面展开分析和讨论 , 并对深海装备微生物腐蚀研究的发展趋势进行了展望。

1 深海装备微生物腐蚀机制

 

深海环境是一种高参数 （ 高压、低温、高温 （ 火山口和热液区 ））、无光合作用的生存环境 , 含有大量耐酸 （pH 值<3）、耐碱 （pH 值 >10）、耐盐 （ 盐度>25mo1/L）、耐高温 （120℃以上 ）、耐低温 （<0℃ ）、耐压 （>50MPa） 等微生物群落。微生物腐蚀不是指其自身能够侵蚀金属或结构 , 而是其生命活动的结果直接或间接地影响腐蚀过程。深海环境恶劣 , 不同微生物各自的新陈代谢和发展机制都不同 , 并且深海装备材料的腐蚀行为与腐蚀机制也有所不同 , 同时深海微生物不易培养 , 试验难度大 , 因此目前有关深海微生物腐蚀机制的研究不多。常见的深海微生物对深海装备腐蚀的影响机制主要有氧浓差电池机制、新陈代谢过程及产物腐蚀机制、去极化机制、阳极区固定机制、金属沉积菌作用腐蚀机制等。

在深海环境中 , 微生物中某些大分子物质首先附着在深海装备材料表面 ,然后才有微生物的吸附、代谢和繁殖 ,生成微生物膜 , 阻碍氧气向外扩散。在深海环境多种因素影响下 , 微生物膜的分布不是均匀完整的 , 而且微生物膜下材料表面会出现不均匀的物理和化学变化 , 使得微生物膜下材料表面空气难以到达的区域形成阳极 , 其周围空白区域或是微生物较少区域则形成阴极 , 致使氧浓差电池机制形成。氧浓差电池腐蚀机制是由多个因素相互作用、相互影响而形成的 , 处于一种动态变化体系之中 , 并非某个因素单独作用而成。

深海微生物个体的新陈代谢活动会影响深海装备金属腐蚀过程。一方面 ,改变微观腐蚀机制。微生物新陈代谢会影响腐蚀的电化学过程 , 若微生物膜内呼吸活动的好氧速率大于氧的扩散速率 , 那么微生物膜与装备金属界面处缺氧 , 阴极腐蚀机制相应发生变化 , 反应过程可能转而消耗水或是厌氧微生物所产生的 H 2 S。附着在深海装备表面的微生物膜通常结构复杂、分布不均 , 虽然在某种意义上降低了均匀腐蚀速率 , 但加剧了局部腐蚀。另一方面 , 微生物代谢产物可能具有腐蚀性 , 加剧深海装备金属腐蚀过程。微生物的新陈代谢过程会产生一些具有腐蚀性的代谢产物 , 多以各种有机酸 （ 多是短链的脂肪酸 , 如醋酸 ） 或无机酸的形式存在 , 对腐蚀产生明显促进作用 , 还会产生非常强的硫化物等产物 , 加剧局部腐蚀。

局部厌氧菌微生物的新陈代谢活动能够产生破坏性极强的硫化物等产物 , 使深海装备结构腐蚀加剧。在深海环境下 , 微生物腐蚀主要是硫酸盐还原菌 SRB 腐蚀 , 它是一类广泛存在于海水中的厌氧菌 , 对碳钢、不锈钢、铜镍合金等多种金属都会造成局部腐蚀。

Castaneda 等研究了人造海水中 SRB 对碳钢的腐蚀行为 , 发现表面覆盖有 SRB 膜后 , 局部腐蚀速率提升 , 但是膜的不均匀性造成腐蚀活性位点放大 ;Duan 的研究表明 , 不锈钢覆盖有 SRB 膜时 , 增大了局部腐蚀 ;Rao 等研究了 SRB 对钛金属的腐蚀 , 发现它可以破坏金属表面的钝化膜 , 使金属表面出现局部蚀坑 ;Shalaby 等报道了铜镍合金在 SRB 存在条件下出现局部腐蚀。但是对 SRB 腐蚀机制的解释却不统一 , 主要有氢化酶阴极去极化机制、代谢产物去极化机制、化合物去极化机制、硫铁化合物和氢化酶去极化机制等。常见的主要去极化剂有硫化氢 H 2 S、硫化铁 FeS、磷化物等。

Kühr 和 VanderVlugt 首先提出了去极化机制 , 是关于氢化酶阴极去极化作用 , 认为 SRB 含有一种氢化酶 , 可以利用阴极产生的氢将硫酸盐还原成 H 2 S, 从而在腐蚀过程中发挥阴极去极化作用 ,加速腐蚀。代谢产物去极化机制一般有硫化氢和硫化亚铁去极化机制两种。厌氧条件下 , 腐蚀速度会由于硫化氢的产生而加快 , 同时生成的硫化亚铁也会加速阳极反应。King 等的研究指出 , 微生物代谢产物中所含有的较高浓度的二价铁离子会对厌氧微生物引起的低碳钢腐蚀行为和腐蚀过程起促进作用。Iverson等也提出了化合物去极化机制 , 认为SRB 在厌氧环境下会产生磷化合物的代谢产物 , 然后与基体铁反应生成磷化铁, 引起腐蚀。Little 等通过采用双区生物电池技术也发现了氢化酶的类似作用。

另外 ,Miller 等提出了硫铁化合物和氢化酶同时去极化机制 , 认为 SRB 造成的腐蚀行为不仅是硫化氢作用所致 , 还与氢化酶的活性及其代谢产物有关。后来 ,又有研究者提出阳极区固定机制 , 认为微生物作用形成腐蚀电池 , 而大多数细菌 （ 通常以菌落形式生长 ） 都聚集在由细菌引起的腐蚀坑周围 , 使阳极区固定 , 造就了微生物腐蚀多以点蚀为主要存在方式。在深海无氧或低含氧的环境下可大量繁殖生长的 SRB, 其明显加速深海装备结构和材料的腐蚀 , 使深海航行装备、管线等发生局部腐蚀穿孔的现象 , 造成极大的损失。防止 SRB 带来的微生物腐蚀是一项开发深海资源迫切需要解决的问题 , 已成为生物科学和腐蚀科学共同关注的热点问题。

近年来，金属沉积菌（Metal DepositionBacteria） 致使的微生物腐蚀问题引起了研究者的广泛关注。Dickisen 等提出了关于细菌沉积金属氧化物的观点 , 认为球衣菌属、铁细菌属、纤毛菌属加速了金属的氧化 , 都是一些常见导致微生物腐蚀的铁氧化类属。天然海水金属沉积菌生物膜可以改变金属 / 生物膜界面环境 , 加速易钝化金属 （ 铝、镍基合金及不锈钢等 ） 腐蚀。

2 影响深海装备微生物腐蚀的环境因素深海环境的特殊性和复杂性对微生物腐蚀过程具有重要影响作用。环境因素作用不同 , 微生物腐蚀过程也有所不同。影响深海微生物腐蚀过程的环境因素主要有盐度、pH 值、流速、压力、温度等。

首先 , 深海环境中海水盐度约为3.5%, 变化范围小 , 在整个深海环境下对装备结构的腐蚀可以视为一个常量。

盐度对装备结构材料的腐蚀行为主要来源于氯离子的作用。如果海水盐度小于 3%, 则腐蚀速率会随盐度的增加而加快 ; 若盐度大于 3.5%, 腐蚀速率则明显下降。其次 ,pH 值是电化学腐蚀过程的重要影响因素。深海环境的 pH 值相对稳定 , 一般位于 7.4~8.2 之间 , 对多数金属和合金的腐蚀过程没有显着影响 , 但镁铝合金会随着 pH 值的降低 ,其点蚀及缝隙腐蚀逐渐加强。再次 , 流速在微生物腐蚀行为和腐蚀过程中也扮演着重要角色 , 其影响主要表现为对腐蚀过程的促进作用。虽然较大的流速会削弱腐蚀产物对材料表面的保护作用 ,加剧去极化剂溶解氧的过程 , 增加材料表面的冲蚀和磨蚀 , 但针对不同的材料 , 流速对其腐蚀行为也不相同 , 存在一定的差异。Wang 等研究了不同水流速度对海洋常用铝合金以及船体结构材料腐蚀的影响 , 发现 Al-Mg 系和 AI-Mg-Mn 系合金耐水流冲蚀的能力较强 ,可以与 Cu-Ni 合金媲美。在无电偶腐蚀作用时 ,LF5 和 2103 铝合金的耐冲蚀能力最好。对于船体结构钢来说 ,Ni、Cr的加入可以减弱水流对钢的腐蚀 , 在高流速 （>4.5m/s） 时更为明显。

深海环境的显著特点是压力大（>50 MPa）。为了研究水压对腐蚀行为的作用 , 学者们普遍利用实验模拟装置 , 通过改变静水压力来测试不同材料体系的腐蚀行为和腐蚀过程。Liu 等和Yang 等研究了低合金钢在不同静水压力下的腐蚀行为 , 指出静水压力降低了低合金钢的耐蚀性能 , 但是不同钢种在表面形成的腐蚀产物也不尽相同。同时 ,静水压力加速了腐蚀速率 , 降低了点蚀形成概率。另外 , 对于不锈钢等钝性金属 , 静水压力则表现出完全不同的腐蚀行为。据相关实验研究分析指出 , 静水压力增强了氯离子的活性 , 降低了钝化膜的稳定性 , 加剧了点蚀速度。然而 ,一些不锈钢在较高静水压力、较低温度和溶解氧浓度的条件下 , 腐蚀的速率还是相对很低。静水压力等环境因素对不同种类不锈钢的腐蚀行为有不同的影响作用 , 具体的影响作用及腐蚀过程的演变还需进一步的研究和分析。另外 , 对于钛合金这种钝性金属来说 , 有关研究表明 : 钛合金 Ti6Al4V 在 500~5100m 深度范围内进行实海挂片的过程中没有发生任何腐蚀 , 且对挂片的拉伸性能也没有任何影响。同时 , 随着海洋深度的增大 , 钛合金 Ti6Al4V 在深海下的磨损率会迅速降低 , 其在深海化学 / 力学等多种作用下可以保持良好的耐磨 / 耐蚀性能 , 即使在环境更为恶劣的深海热液区 , 钛合金的腐蚀失重量也很小。

另外 , 海水温度对深海装备的腐蚀行为和腐蚀过程的影响较为复杂。随着海水温度的升高 , 一方面 , 物理 / 化学过程的反应速度加快 , 腐蚀加速 , 例如Mclntire 等发现海水温度每升高 10℃ ,Fe的腐蚀速度约增加一倍 ; 另一方面 , 氧溶解浓度降低 , 腐蚀减弱。对于深海环境 , 除深海热液区外 , 海水温度相对稳定。从文献可知 , 我国南海海域海水温度与海水深度的关系如图 1 所示 , 在海平面以下 300m 左右的区域 , 海水温度变化较快 , 且易受不同季节洋流的影响 ; 在水下 500~2000m 区域 , 海水温度变化平缓 , 且趋于稳定 ; 在深度大于2000 m 的区域 , 海水温度基本保持在0~4℃之间。因此 , 在深海环境中 , 海水温度对深海装备的腐蚀影响较小。

与此同时 , 氧作为海水中重要的去极化剂 , 对海洋装备的微生物腐蚀过程具有重要影响。一般腐蚀速率会随着海水溶解氧浓度的升高而逐渐加大 , 但是由于同时受到其它海洋环境因素的影响（ 深海环境主要表现为压力因素 ）， 不同金属表现出的腐蚀行为也不相同。低碳钢、马氏体时效钢和等温淬火球墨铸铁几种合金均在浅海（氧充足）区域腐蚀速率较高，在深海区域腐蚀速率较慢，深海中的溶解氧浓度能够满足维持金属表面钝态的要求。当溶解氧和温度共同作用时，溶解氧浓度对腐蚀行为和腐蚀过程的影响作用更为明显。

深海中不同环境因素之间相互影响，且易受到季节、气候、洋流、地形等诸多因素的交互作用，对深海装备结构和材料的应用环境进行深入了解和分析，开展微生物实海试验研究，实施实时监测，是掌握深海装备结构和材料在深海环境中的腐蚀行为及性能的一项必不可少的重要工作。

3 深海微生物腐蚀研究方法由于深海环境的复杂性和特殊性，研究深海装备的微生物腐蚀行为和腐蚀过程不是一件简单的事情。深海装备微生物腐蚀的研究方法主要包括深海微生物的采集和培养技术、微生物腐蚀试验方法和微生物腐蚀检测技术等。

首先，深海微生物的采集和培养技术方面。由于深海微生物种类的多样性和特殊性，它们的采集和培养技术也具有广泛性和特殊性。以前从深海采集的微生物样品，需在常压和高压下分离、培养得到纯种微生物，但这种方法只能提取到深海微生物的一小部分物种。目前对这些微生物物种已采用微生物微量板技术、分子生物学技术、扫描电镜法、透射电镜法、光电子能谱法、电子衍射法、激光共聚焦法等技术来鉴定深海微生物种类，了解腐蚀产物、代谢产物等的类型及组成。其中，分子生物学技术可开展细菌的分子生物学研究，探究其附着机理，可得到更多的生物多样性；扫描电镜技术可用不经脱水处理的生物样品直接进行观察，保持了样品的原有形貌，为深海微生物腐蚀的研究提供了强有力的技术手段，并且激光共聚焦技术可以在纳米水平上对微观形貌进行扫描和三维观察，可用于微生物腐蚀过程的原位分析，大大提高了对微生物腐蚀机理的认识。在深海微生物的培养方面，高压培养技术已经成熟，但是从前期的微生物采样到样品的保存、转移等过程中不能很好保持原位压强，这一困难尚未有很好的解决方案。目前日本、法国已成功研制深海微生物培养与检测设备。虽然设备体型庞大、操作复杂，不适合小型机构开展深海极端环境模拟，但是它可以从 6500m 水深的海底取样，使其存活，还可保障其顺利繁殖。国内哈尔滨工业大学也设计了一套地面模拟深海环境的微生物培养设备方案，其压力在 0~60MPa 连续可控。

其次，深海微生物腐蚀实验方法方面。深海微生物腐蚀实验方法主要有实海测试方法和实验模拟方法。实海测试方法可以最大限度的提供装备在深海海域可靠的腐蚀信息，但其不稳定因素（例如洋流、地震海啸等）较多，难以对特定环境因素进行控制和实时监测，不能准确得到特定环境因素对腐蚀行为的影响关系，只能定期观测装备的腐蚀形貌，得到的腐蚀信息有限，多为多强场耦合作用的结果信息。美、英等欧美发达国家在上世纪 60 年代到 90 年代已对不同材料的深海耐蚀性进行了一系列的实海试验，取得了宝贵的试验数据。在深海实海试验方面，美国最早进行了较为系统的研究工作。在距加州怀尼美港西南150km、海平面以下 1829m 以及距怀尼美港以西 139km、海平面以下 762m 的太平洋海底进行了多种材料的深海腐蚀试验，其中除了生物腐蚀试验研究外，还包括应力腐蚀、电偶腐蚀、焊接接头腐蚀、涂层腐蚀、腐蚀产物分析等，获得了很多实测数据。1975 年，前苏联在太平洋海域利用水文浮标研究了碳钢、不锈钢、铝合金等金属材料的平均腐蚀速率和局部腐蚀程度，涉及水深范围为10~5500m，腐蚀时间为20d和40d。同时，针对铝镁合金，英国研究了其在表层和深海中的腐蚀行为，为深海腐蚀材料的研究提供了支持。到上世纪八、九十年代，挪威在北部大陆架也开展了深海腐蚀实海试验研究，并在北挪威海进行了材料深海阴极保护参数的试验研究，深度为 100~1335m。到本世纪初，印度也在不同海域开展了大量的实海试验，研究了 22 种结构材料在深海海域的腐蚀行为，取得了大量试验数据。我国于2008 年首次开展了南海海域深海实海试验研究工作，涉及暴露试验、应力腐蚀试验、深海电位测量试验、深海微生物腐蚀试验等，取得了一定成果，为后续深海微生物腐蚀研究工作奠定了基础。

实验模拟是一种有效的试验方法，不仅可以避免深海环境实海测试的高压、低温等困难，还可以对不同环境因素进行模拟和控制，同时进行实时监测，以此来模拟装备在真实深海环境中的腐蚀情况和深海微生物腐蚀过程。国内外学者在实验模拟方面开展了许多研究，主要通过搭建实验平台来模拟深海试验环境，以自行设计模拟深海实验设备为主，例如国外 Cormet 公司利用流动循环系统来搭建实验模拟平台，控制海水的温度、压力、溶解氧浓度等物理化学参数，所有实验参数均由计算机系统集成控制；Seyfried 等设计并制造了一套高温高压控制系统；Haljasmaa 等设计了一种可用来模拟深海环境中不同压力和温度下海水溶解的CO 2 数据的试验平台；美国 Minnesota 大学地质地球物理系研制了一套相对先进的深海极端环境模拟装置 , 可采用商业化控制阀技术实现微流量控制（精度小于 0.1mL），压力可达 45MPa。国内哈尔滨工程大学采用高压釜作为反应场所搭建了 2 套深海模拟实验平台，可控制压力和温度这两个深海腐蚀参数，但目前国内外尚无能够在高压水条件下精确测量深海溶解氧浓度的溶氧探头；中船重工 725 所研发了拥有自主知识产权的深海试验装备，可实现对高压釜内介质温度和压力的精确控制，但无法实时监测温度的变化，也无法控制和测量溶解氧浓度的变化；浙江大学研制了一套用来模拟深海生物生长环境的高温高压实验模拟平台，温度、压力和流速可调，并能添加微生物营养成分，最高压力可达 60MPa；哈尔滨工业大学提出了一个完整的地面模拟深海环境微生物培养设备的设计方案，探讨了高压密封、腐蚀防护、取样观察等关键技术；北京康科联新技术有限公司设计了一套用于模拟深海环境材料耐腐蚀性能的实验装置，可模拟深海低温高压环境；尹衍升等研发了一套用于研究材料在深海热液区腐蚀行为的热腐蚀模拟装置，可准确模拟海底热液区温度和腐蚀环境，为海洋材料的开发提供依据。

除此之外，中国科学院金属研究所、中国海洋大学、北京科技大学等也搭建了各自需求的深海实验模拟平台，都可以对温度和压力参数进行测量和控制，但都未涉及溶解氧浓度的精确测试问题。

深海环境实验模拟装置的设计和研究都还有很多不足，需要开展进一步的研究以提高实验模拟的稳定性和准确性。

最后，微生物腐蚀检测技术方面。

深海微生物腐蚀涉及物理、化学、材料等多个研究领域，研究对象包含基体材料、电化学，需要采用电化学、微生物学、化学分析方法、表面分析方法等多种技术手段进行腐蚀行为及腐蚀过程的测试与分析。同时，也在设计不同的微电极和腐蚀原电池模型用于腐蚀过程研究。

电化学方法研究深海装备微生物腐蚀主要是利用极化法、阻抗法、噪声法等间接或直接检测微生物膜引起的电化学参数的变化，了解微生物腐蚀的行为和过程。电化学极化是指电极反应过程速度由电化学步骤来控制的极化。在电化学极化技术中，依据极化曲线的变化趋势可以了解电极极化的程度，获得相应的电化学参数，从而分析微生物腐蚀程度和腐蚀行为。电化学阻抗谱（EIS）方法是电化学腐蚀检测的一种重要研究方法。它利用小幅度正弦波对测试系统进行扰动，获得系统反馈信息和响应结果，从而得到相关的电化学参数，是一种从频域获得被测信号的监测技术，可以在 10-4~10-5Hz 频率范围内获得电极界面发生变化的动力学信息。同时，依据电化学阻抗谱图（Nyquist 图和 Bode图），可推测出各个状态参量对电极状态的影响，得到腐蚀体系的电化学参数信息。等效电路法是电化学阻抗谱分析的常用方法，通过建立等效电路获得各个界面的主要参数，并通过用相位角元件替代电极的双电层电容来避免“弥散效应”的发生。电化学阻抗谱技术应用的重要领域是金属腐蚀领域，通过测量阻抗谱可获得极化电阻（与腐蚀电流大小成反比）和界面电容（反映腐蚀金属表面粗糙度变化、钝化膜的形成及破坏、腐蚀产物的形成等），还可揭示腐蚀行为和腐蚀过程的变化规律。Arzola-Peralta 等采用电化学阻抗谱技术研究了碳钢在不同浓度 Na 2 SO 4 溶液中的腐蚀电流密度和腐蚀机理。Zhang 等利用局部电化学阻抗谱研究 Fe-Cr 合金在几种不同 pH 值溶液中的腐蚀行为，其耐蚀性能随着溶液 pH 值的不同而不同。闫林娜等用极化曲线和阻抗谱研究了 304不锈钢在海水中的腐蚀行为，指出海水中的细菌对其的腐蚀起到促进作用，可诱导不锈钢点蚀的发生。随着科技的不断发展，电化学阻抗谱技术已经广泛应用到金属电沉积、合金电镀、半导体材料、生物传感器等领域，且已开发出模拟软件来辅助电化学阻抗谱解析，例如ZView、Equivcrt、EIS300 等。电化学噪声（EN）是电极反应导致变量信号发生随机波动的现象，是在恒定电流下测量电极表面电流随时间的变化情况，是一种原位无损的检测方法。电化学噪声法是一种新颖的电化学研究方法，很多研究者都采用此方法对金属的局部腐蚀进行了研究和分析，例如 Rios 等利用电化学噪声法研究浸泡在海水中钢材的腐蚀过程和腐蚀行为；Cai 等利用电化学噪声法获得了纯铝在氯化钠溶液中点蚀过程的噪声特征，与腐蚀形貌有很好的对应关系；Sakairi 等利用此技术研究了金属离子对浸在低浓度氯离子溶液中的铝合金的电偶腐蚀行为的作用关系。电化学噪声法在金属腐蚀领域有着广泛的应用，除此之外，还在微生物腐蚀机理、表面膜的动态特性、材料腐蚀速率等方面发挥着举足轻重的作用。

研究深海装备微生物腐蚀的微生物学技术方法包括利用微生物试验方法分离、培养、鉴定微生物的种类，运用生物学染色方法等观察分析微生物附着的形态特征，并开展微生物尤其是细菌的分子生物学研究，探究其附着机理；运用生物工程技术制备生物探针，评测微生物膜特征及性能；检测膜内腐蚀微生物，开展微生物间相互作用及其代谢产物的研究；运用生物化学方法分析菌株的生理特征及对防腐剂的抗性机理等。

微生物学技术在微生物膜的探测和构成、表面附着机理及菌株抗性机理等方面发挥着重要作用，是探测技术进一步发展的重要技术手段。

化学分析方法一般包括有机化学分析和无机化学分析，分析对象分别为材料基体和微生物腐蚀产物（如硫酸盐还原菌腐蚀产物硫化氢和铁硫化物等）。

无机化学分析虽然可以描述微生物的腐蚀水平，但还无法真正揭示微生物腐蚀的原因。另外，化学分析方法还涉及环境因素分析，例如酸碱度、盐度、溶氧量等。

表面分析方法是指利用电子、光子、离子、原子、电场、热能等与固体表面的相互作用，测量从表面散射的粒子的能谱、光谱、质谱、空间分布，得到表面结构、表面成分、表面物理化学过程等信息的各种技术的统称。它不仅可以观察到深海微生物腐蚀的表面形貌和腐蚀特征，还可以用于分析腐蚀产物的成分和表面膜特征，是研究深海微生物腐蚀的重要手段。

另外，扫描电镜、透射电镜、高效液相色谱仪、红外光谱仪、激光共聚焦显微镜、光电子能谱等，为分析微生物腐蚀表面形貌、腐蚀类型等提供了强大的技术支撑，成为研究微生物腐蚀行为和腐蚀机理强有力的手段 ，大大提高了对微生物腐蚀机理的认知。

随着信息技术的快速发展和腐蚀监测仪器的广泛普及，微生物腐蚀监测技术逐步向实时在线监测技术方向发展，微生物腐蚀监测设备向更加的自动化、智能化、快速化发展，可针对不同腐蚀类型，快速实现腐蚀的动态实时监测、数据的存储和处理，提高监测效率，降低监测误差率，完善腐蚀监测系统性能及安全指数，为搭建完整的多功能腐蚀监测系统奠定了坚实的基础，为腐蚀监测信息的获得和评估提供强有力的技术支持。

4 深海装备微生物腐蚀的防护措施在深海环境下，水下装备一般采用涂层保护、阴极保护或是对装备表面进行特殊工艺处理的方式来进行微生物腐蚀的防护。

涂层保护是指在装备的内外表面进行涂层保护，通过涂层的隔离作用来防止周围环境中的水、微生物及腐蚀介质进入，抑制电化学、化学反应，以达到防腐的目的。为了提高涂层保护的防腐效果，水下装备的表面性能和涂层属性在其中扮演着重要的角色。良好的表面和优质的涂层大大提高了深海装备的涂层保护效果，有效抑制了深海装备的微生物腐蚀。在深海环境下，由于压力很高，一般使用环氧沥青、喷塑、聚烯等涂层用于深海装备、管线防腐控制。也可根据深海装备的操作工况，选择合适的涂层进行防腐保护，例如在高温（大于 110℃）时，一般选用 FBE/PP 涂层进行腐蚀控制，而在 70℃时一般选用 PE或人造橡胶涂层。

阴极保护是一种控制金属电化学腐蚀的防护方法，可以有效地抑制深海装备碳钢及不锈钢的微生物腐蚀。采用阴极保护方法后，保护一旦停止，微生物附着引起的腐蚀将会对深海装备造成非常严重的后果。常用的阴极保护方法主要有牺牲阳极法和采用外部施加电流的阴极保护技术。在海洋环境中，通常采用的阳极材料是铝 - 锌 - 铟的合金材料，会大大减弱海洋装备（如船舶、潜艇等）、海洋设施等构筑物表面的腐蚀问题。

对装备表面进行一定的特殊工艺处理也可以起到防腐的效果，例如加注缓蚀剂、合金表面氧化工艺等。通过采用加入缓蚀剂工艺，在深海装备表面形成稳定的保护膜，从而达到防腐的目的。

这种加入缓蚀剂工艺需要确保缓蚀剂准确到达被保护位置并有足够的缓蚀剂量才能达到预期的减腐和防腐目的，常用的缓蚀剂主要是含氮有机物。除了深海装备外，深海油气管道的一种重要防腐措施也是这种加注缓蚀剂法。

对铝制或是铝合金制深海装备及其部件表面进行氧化工艺处理，也可以达到防腐的目的。这种工艺是通过增加装备表面的氧化膜来实现铝合金制的防腐效果 ，主要有化学氧化法和阳极氧化法两种。化学氧化方法主要有磷酸盐 -铬酸盐法、碱性铬酸盐法和磷酸锌成膜法等，而阳极氧化法主要是采用硫酸法、铬酸法和草酸法等工艺。另外，对于铝制或是铝合金制深海装备及其部件采用一定的热处理工艺也可以达到防腐的目的。

5 结语与展望近些年，深海领域的研究逐渐成为各国研究竞争的热点，尤其是深海微生物的研究。在深海恶劣环境下对深海微生物腐蚀的研究，不仅为深海装备结构和材料的微生物腐蚀提供依据，也为极端环境下维持深海装备的稳定性和可靠性提供资料。由于深海环境的苛刻条件，深海环境中的微生物腐蚀面临着多种因素的影响，研究比较复杂，具有很大的挑战性。

 

目前，虽然国内外学者已在深海实海试验和实验模拟试验研究中获得了大量的试验数据，但是有关深海微生物腐蚀的研究不多，深海环境模拟的方法和技术也尚有很多不确定因素和不足之处，还需大力开展深海微生物腐蚀方面的研究，以提高工程装备在深海极端环境下运行的稳定性。同时，应加强以应用为目的的深海装备微生物腐蚀性能研究，探索其在深海极端环境中的腐蚀规律和防护方法，为深海装备科学合理的应用提供重要保障；应注重实海试验和实验模拟试验的结合，有效地研究深海微生物腐蚀行为和腐蚀过程，建立深海微生物腐蚀数据库，为深海装备结构和材料的选用提供可靠依据，这也是今后深海环境腐蚀研究的重要方向；应有效共享相关学科的深海环境研究平台和资源，发挥学科专业优势，建立互惠互利、共赢的深海环境研究方法，加快深海环境微生物腐蚀研究步伐，为深海装备的设计应用、深海资源的开发利用、深海生态环境的探索提供强有力的技术支持和保障。