張國宏，成林，李鈺，伊薩耶夫·歐列格，吳開明

    （武漢科技大學(xué)國際鋼鐵研究院耐火材料與冶金省部共建國家重點實驗室，湖北武漢430081）

    1 前言

    2013年，中國國家海洋局發(fā)布了《國家海洋事業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃》［1］。在規(guī)劃中明確提出： 作為發(fā)展中的海洋大國，我國在海洋有著廣泛的戰(zhàn)略利益。隨著經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展和開放型經(jīng)濟(jì)的形成與深化，海洋作為國際貿(mào)易與合作交流的紐帶作用日益顯現(xiàn)，在提供資源保障和拓展發(fā)展空間方面的戰(zhàn)略地位更為突出。“十二五”期間是我國海洋事業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵時期，未來將向深海和遠(yuǎn)海發(fā)展。著力提升海洋開發(fā)、控制和綜合管理能力，統(tǒng)籌海洋事業(yè)全面發(fā)展，是保障國家“走出去”戰(zhàn)略實施的重大舉措，對于促進(jìn)沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變，具有重大的戰(zhàn)略意義。以國際海事組織制定的性能標(biāo)準(zhǔn)為主導(dǎo)，世界各國圍繞海洋耐蝕鋼開展了腐蝕機(jī)理、腐蝕過程的研究，其中油船貨油艙用耐蝕鋼是近10年來國際上研究和開發(fā)的重要鋼鐵新品種。在該領(lǐng)域，日本走在世界前列，烏克蘭與俄羅斯有其技術(shù)特色海洋，中國對海洋耐蝕鋼的研究應(yīng)用相對滯后。隨著海洋耐腐蝕鋼替代標(biāo)準(zhǔn)不斷得到認(rèn)可，將逐漸取代涂層鋼成為海洋腐蝕保護(hù)方式的主流。本文重點分析了油船貨油艙用耐蝕鋼和耐海水腐蝕鋼這2大類低合金高強(qiáng)度鋼的發(fā)展現(xiàn)狀及需求，不涉及不銹鋼、特種合金等鋼鐵材料。

    2 油船貨油艙用耐蝕鋼

    2.1 重大需求分析

    進(jìn)入21世紀(jì)，中國船舶及海洋石油工業(yè)迎來了高速增長期，成為中國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱。據(jù)英國克拉克松研究數(shù)據(jù)表明，中國已成為世界造船中心［2］。2013年，中國造船3大指標(biāo)市場份額繼續(xù)保持世界領(lǐng)先，其中造船完工量、新接訂單量、手持訂單量分別占世界總量的40.3%、47.6% 和45.8% ，如表1所示。

表1 2013年1 ～ 12月世界造船3大指標(biāo)市場份額

Table 1 Market share on the three main indexes of global shipbuildingin 2013

    “十一五”期間，在海洋石油工業(yè)領(lǐng)域，中國海上油氣開發(fā)投入1 200億元人民幣，建設(shè)了15個海洋油氣田、76座鉆井平臺、6座浮式生產(chǎn)儲油船，鋪設(shè)了1 400km海底管線，2010年海洋油氣產(chǎn)量實現(xiàn)了5 000萬t油當(dāng)量。根據(jù)中海油規(guī)劃，“十二五”期間將新建5 000萬t油當(dāng)量產(chǎn)能。預(yù)計“十二五”、“十三五”期間海洋石油工業(yè)投入將分別達(dá)到6 700億元和9 500億元人民幣，其中海洋工程裝備市場投資將達(dá)到2 500 億～3 000億元人民幣［3］。

    根據(jù)我國《鋼鐵工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》［4］對2015年關(guān)鍵鋼材品種消費預(yù)測，未來5年，僅船板用鋼消費量將從2010年的1 300萬t 提高到2015年的1 600萬t，其中油船貨油艙用鋼量占油船用鋼總量的30% ～ 45%。以建造一艘30萬t級的超大型油輪（VLCC） 為例，船體結(jié)構(gòu)總用鋼量近4萬t，其中油船貨油艙部分用鋼約1.7萬t。據(jù)中國船舶工業(yè)行業(yè)協(xié)會對我國目前手持油船訂單統(tǒng)計，油船貨油艙用鋼量每年達(dá)200萬t左右。如果能推廣使用到海洋工程領(lǐng)域，其市場需求將更大。

    2.2 油船貨油艙用耐蝕鋼概況

    油船是原油海洋運(yùn)輸?shù)闹饕ぞ咧弧＝陙硪蜇浻团摳g造成油船失效事故時有發(fā)生，不僅造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和安全事故，而且對海洋環(huán)境造成嚴(yán)重危害。因此油船貨油艙的防腐問題越來越受關(guān)注［5］。2006年以前油船都是單甲板、單底結(jié)構(gòu)，因為貨油艙內(nèi)破損后，油浮在水面上，艙內(nèi)不至于大量進(jìn)水，故油船除了在機(jī)艙區(qū)域內(nèi)設(shè)置雙層底以外，貨油艙區(qū)域一般不設(shè)置雙層底。2006年以后，為了提高海運(yùn)安全性，防止和減少油輪發(fā)生海損事故造成的污染，國際海事組織（IMO）要求大型油輪必須設(shè)置雙層底或雙層船殼。內(nèi)層為貨油艙，用來承載原油。原油尤其是高硫高酸原油對于鋼結(jié)構(gòu)貨油艙腐蝕影響嚴(yán)重，威脅著油船運(yùn)營安全。

    目前針對油船貨油艙腐蝕所采取的防護(hù)措施主要有： 加注緩蝕劑、采用防腐涂層和耐蝕鋼板。其中，加注緩蝕劑過程復(fù)雜，長期投資高； 防腐涂層使用過程中存在嚴(yán)重的局部腐蝕隱患，每2.5a 就須對油船進(jìn)行涂層維護(hù)和重新涂布，需要耗費高額成本，延長工期，并且貨油艙空間封閉，施工環(huán)境惡劣，也會一定程度上影響施工質(zhì)量［6］。表2比較了使用涂層和耐蝕鋼造船的成本，安全且低成本的防護(hù)措施是使用耐蝕鋼。

表2 使用防腐涂層和耐蝕鋼造船成本比較

Table 2 Shipbuilding cost comparison between use of coatingand corrosion resistant steel 

 

    1995年，國際海事組織對油船貨油艙用耐蝕鋼提出推薦性要求，并推薦各國進(jìn)行研究。2010年5月14日，國際海事組織海上安全委員會（MSC）第87次會議正式通過了《原油油船貨油艙防腐保護(hù)替代方法性能標(biāo)準(zhǔn)》，并于2012年1月1日生效［7］。2013 年1月1日及以后簽訂建造合同或2016年1月1日及以后交付的所427中國材料進(jìn)展第33卷有5 000t級以上油船必須從貨油艙保護(hù)涂層和耐蝕鋼方案中選擇采用一種。該性能標(biāo)準(zhǔn)附件中對耐蝕鋼的適用范圍、目標(biāo)壽命、試驗程序及性能標(biāo)準(zhǔn)做了規(guī)范和要求。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定耐蝕鋼的目標(biāo)使用壽命是25a,對耐蝕鋼的要求是在貨油艙頂腐蝕環(huán)境中,鋼材25a后估計腐蝕損耗值（ECL）不超過2 mm; 在艙底腐蝕環(huán)境中，年均腐蝕速率（C. Ｒave）不超過1.0mm/a。兩種環(huán)境均要求焊縫處放大1 000倍后，母材和焊縫金屬之間不出現(xiàn)階梯狀不連貫表面［7］。

    2.3 國內(nèi)外研究開發(fā)現(xiàn)狀

    2.3.1 日本和韓國

 

 

圖1油船貨油艙內(nèi)部腐蝕環(huán)境及實船上下底板的腐蝕形貌［8］

Fig. 1 Corrosion environment（a）and corrosion morphologyof the upper deck（b） and bottom plate（c） of crude oiltank （COT）

 

 

    目前走在前列、技術(shù)較成熟的國家是日本。早在1999年，日本造船協(xié)會的SＲ242項目組利用實船測試、實驗室模擬等手段對超大型油船（VLCC）進(jìn)行了為期3a的研究，成功揭示了貨油艙內(nèi)的腐蝕狀況、腐蝕機(jī)理及過程［8－10］。他們通過實驗獲得了貨油艙內(nèi)部的腐蝕環(huán)境，如圖1所示。在貨油艙頂部，由于原油中的揮發(fā)成分、混入的海水、油田鹽水的鹽分、為防止爆炸而輸入的惰性氣體（5% O2，13% CO2，0.01% SO2，余量為N2，體積分?jǐn)?shù)）以及從原油中揮發(fā)的H2S等腐蝕性氣體會在油輪貨油艙的頂部內(nèi)表面富集。同時，由于甲板溫度在白天和夜晚的交替變化，上甲板內(nèi)表面濕度大小會發(fā)生周期性變化。濕的H2S和O2以及SO2等發(fā)生反應(yīng)，會在上甲板內(nèi)表面析出單質(zhì)S:

    4H2 S + SO2 + O2 = 4H2O + 5S （1）

 

    腐蝕了的鋼板表面的鐵銹也是催化劑，能加速SO2和H2S向單質(zhì)S的反應(yīng)。鋼板腐蝕導(dǎo)致新鐵銹的生成以及固體S的析出交替發(fā)生，由于固體單質(zhì)S層較脆，容易產(chǎn)生剝離、脫落，如圖1b所示。貨油艙內(nèi)底板有一層油膜，通過分析發(fā)現(xiàn)油膜由原油和混合沉淀物組成，同時包含大量的H2S和氯離子（ 酸性介質(zhì)），具有很強(qiáng)的阻抗作用，比焦油環(huán)氧樹脂涂層的阻抗作用要顯著。因此，油膜的存在可以顯著增強(qiáng)油船貨油艙下底板的耐腐蝕性。但洗艙會造成油膜破損，成為點蝕起源。在破損處會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)：

    陽極（孔內(nèi)）： Fe→Fe2 + + 2e; （2）陰極（孔外）： O2 + 2H2O + 4e→4OH － （3）

 

    隨后亞鐵離子發(fā)生水解，使得孔內(nèi)的pH 值大大降低，促進(jìn)了陽極的進(jìn)一步溶解。

    Fe2 + + 2H2O→Fe（OH）2 + 2H + （4）

 

    此外，從上甲板脫落的腐蝕產(chǎn)物S，對底板的點蝕同樣有加速作用，如方程式（5）。圖1c為觀察到的貨油艙下底板典型局部點蝕照片。

    S + 2H2O→H2 S + 2OH － （5）

 

    通過研究發(fā)現(xiàn)，油船貨油艙上甲板的腐蝕具有如下特征： ① 通過檢測分析4 艘真實油船貨油艙頂部空間氣體的化學(xué)組成發(fā)現(xiàn)，在上甲板和原油之間的空間中含有高濃度的H2S，如表3 所示。② 上甲板腐蝕層主要由鐵銹和單質(zhì)S組成，其中60%是單質(zhì)S。③上甲板平均腐蝕速率大于0.1mm/a，速率較低，腐蝕均勻。而油船貨油艙下底板的腐蝕具有如下特征： ①在原油和下底板之間貯存有大量的滯留水，通過檢測分析3艘真實油船貨油艙滯留水的化學(xué)組成，發(fā)現(xiàn)含有高濃度的Na+ 和Cl－ ，約占總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的10% ，如表4所示。但是其中不含Mg、K 等離子，可以確定滯留水并不是海水［8］。但其存在的位置和含有高濃度的Cl－ 會降低貨油艙下底板的耐蝕性。②通過水洗、刮擦或酒精擦拭，致密的油膜層由于機(jī)械作用或化學(xué)溶解而被破壞，導(dǎo)致阻抗明顯下降，增加點蝕速率，急劇地減弱了油膜對貨油艙下底板的保護(hù)。③通過對6艘真實油船貨油艙中pH 值實地檢測，發(fā)現(xiàn)貨油艙底部點蝕坑內(nèi)的pH值在0.85 ～ 1.16之間，顯著低于坑外的pH值，且點蝕速率隨pH值的降低顯著增加，最大可達(dá)2 ～ 4 mm/a。說明點蝕是強(qiáng)酸環(huán)境下的腐蝕［11 － 12］。④通過觀察和測量，發(fā)現(xiàn)點蝕坑具有很強(qiáng)的形狀性和規(guī)律性，整個點蝕坑成等軸狀［8］，從點蝕坑的邊緣到底部的腐蝕速率相同，以整體同步向外擴(kuò)展的，點蝕坑越大則點蝕坑越深。表5 綜合比較了油船貨油艙上下底板的腐蝕狀況。

表3 油船貨油艙頂部氣體空間的氣體組成［8］

Table 3 Gas composition in vapor space of cargo oil tanks

 

表4 油船貨油艙底部滯留水的化學(xué)組成（% ）［8］

Table 4 Chemical composition of water sampled from the bottomof cargo oil tanks

 

表5 油船貨油艙上下底板腐蝕狀況對比

Table 5 Comparison of corrosion status between the upper deckand bottom plate of oil tank

 

 

 

    基于上述研究，日本新日鐵、JFE、住友金屬3 大鋼鐵公司分別開發(fā)了新型油船貨油艙用耐蝕鋼。① 新日鐵NSGPTM-1 和NSGPTM-2。2003 年新日鐵公司與NYK公司合作首次成功開發(fā)了新型耐蝕鋼NSGPTM-1［12 － 16］。表6 給出了NSGPTM-1 鋼的化學(xué)成分。從表6可知，其所含合金元素較少，成分與傳統(tǒng)船用鋼AH32 差別不大，完全符合IACS標(biāo)準(zhǔn)。模擬油船貨油艙下底板點蝕環(huán)境的室內(nèi)全浸腐蝕掛片實驗表明，這種鋼板及其焊接接頭的耐蝕性比傳統(tǒng)船板鋼AH32高，NSGPTM-1鋼的力學(xué)性能和現(xiàn)場使用性能與傳統(tǒng)船用鋼相當(dāng)甚至更優(yōu)，且焊接、加工工藝完全相同，建造時無需進(jìn)行特殊的施工治理。為驗證新型耐蝕鋼的性能，這2家公司于2004年將其應(yīng)用在三菱重工建造的“TAKAMINE”號巨型油船貨油艙下底板，該船運(yùn)營2.5a后的考察結(jié)果表明，使用NSGPTM-1 鋼的貨油艙下底板最大腐蝕孔只有2.8mm，而采用傳統(tǒng)鋼板的則為6.3 mm。依據(jù)國際慣例，腐蝕孔超過4 mm 需要重新涂裝船體，超過7 mm則需要焊接維修。因此使用NSGPTM-1鋼的貨油艙無需重新涂裝，不僅可以省卻建造時為防腐而進(jìn)行的涂裝工序，且在檢修過程中也無需重新涂裝，大大減少維護(hù)成本。2007 年，NSGPTM-1鋼正式接受訂貨，截止2010年初，其累計發(fā)貨量已經(jīng)超過1萬t［14］。2008 年，新日鐵公司與NYK 公司又開發(fā)了應(yīng)用于油船貨油艙上甲板的耐蝕鋼NSGPTM-2，經(jīng)過5a年的實船試驗，檢測結(jié)果表明，NSGPTM-2鋼5a平均腐蝕速率小于0.07 mm/a，比傳統(tǒng)鋼降低了38%［17］。②住友金屬SMICOＲE。2004年，住友金屬開發(fā)了SMICOＲE 耐蝕鋼［18 － 19］，2005 年將其應(yīng)用于“SANKO BLOSSOM”號油船貨油艙上甲板與下底板。經(jīng)過2.75a的實船試驗，船塢檢查結(jié)果表明，與傳統(tǒng)鋼相比，SMICOＲE 鋼用于貨油艙上甲板時腐蝕速率降低了40% ; 用于貨油艙下底板時腐蝕速率降低40% ～ 80% ，在世界上首次確認(rèn)了耐蝕鋼用于上甲板和下底板都具有優(yōu)異的耐蝕性。③JFE公司NAC5。JFE公司于2004年開發(fā)出一種NAC5耐蝕鋼［20］。與傳統(tǒng)鋼相比，將不涂裝的NAC5用于上甲板，可減少10%的腐蝕量； 將涂裝的NAC5用于上甲板，涂層剝離速率降低了40% ，涂層剝離壽命提高2倍，上甲板壽命提高5a以上。NAC5耐蝕鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能見表7。④JFE公司JFE-SIPTM-OT。2008年，日本JFE 鋼鐵公司與三井O.S.K 航運(yùn)公司共同成功研發(fā)了JFE-SIPTM-OT 高耐蝕厚鋼板，并于2008年應(yīng)用于油船貨油艙艙頂與艙底。據(jù)三井商船稱，該耐蝕鋼板有以下特點： ①抗點蝕性比傳統(tǒng)鋼板提高5倍，甚至可以幫助油船的上甲板耐均勻腐蝕； ②與傳統(tǒng)船體用鋼板具有相同的可焊性和機(jī)械性能； ③減少傳統(tǒng)鋼板每2.5a 的干船塢維護(hù)工作［21 － 22］。

    2010 年韓國也開始了油船貨油艙用耐蝕鋼的研究工作，并且在技術(shù)方面已經(jīng)達(dá)到了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求［6］。

 

表6 新日鐵NSGPTM-1 耐蝕鋼化學(xué)成分（ 質(zhì)量分?jǐn)?shù)/% ）［14］

Table 6 Chemical composition of NSGP-1 corrosion resistant steel developed by Nippon Steel（mass fraction /%）

 

 

表7 JFE 公司NAC5 耐蝕鋼化學(xué)成分和力學(xué)性能［20］

Table 7 Chemical composition and mechanical properties of NAC5 steel developed by JFE

 

 

    2.3.2 烏克蘭與俄羅斯

 

    鋼鐵冶金是烏克蘭經(jīng)濟(jì)中的支柱性產(chǎn)業(yè)之一，工業(yè)部門齊全，產(chǎn)品產(chǎn)量居世界前列，蘇聯(lián)解體以前曾達(dá)到全國人均1 t 鋼的水平。烏克蘭繼承了前蘇聯(lián)惟一的航母制造基地，造船業(yè)特別是軍艦制造業(yè)，具有很高的水平，有能力建造包括航空母艦在內(nèi)的一切艦艇。黑海造船廠作為前蘇聯(lián)時代惟一的航母建造總裝廠，集中了很強(qiáng)的艦船科研和生產(chǎn)力量，曾被譽(yù)為“前蘇聯(lián)大型水面艦艇的搖籃”。前蘇聯(lián)幾艘航母———“莫斯科”號、“列寧格勒”號、“基輔”號、“明斯克”號、“戈爾什科夫”號、“庫茲涅佐夫”號、“烏里揚(yáng)諾夫斯克”號全部在此建造。烏克蘭和俄羅斯的海洋耐蝕鋼制造體系不同于日本和歐美，采用低C、低Mn 和微合金化的成分設(shè)計，較高的Cr 含量，Cu，Ni，P 等耐蝕元素較少加入。其核心技術(shù)是鋼包精煉、中間包精煉、結(jié)晶器電磁制動等，達(dá)到有效去除鋼中低熔點有色金屬、非金屬等腐蝕性元素和夾雜物。采用結(jié)晶器喂鋼帶等技術(shù)有效抑制連鑄坯中心偏析和中心疏松，實現(xiàn)鑄坯均質(zhì)化。

    2.3.3 中國

 

    由于日本在該領(lǐng)域具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，正在中國設(shè)置專利障礙，并作出各種承諾以維持其技術(shù)壟斷地位［23］。為了防止國外可能形成的壟斷性供應(yīng)或技術(shù)壁壘，2008 年中國提出研發(fā)船用耐蝕鋼。2010 年，國家科技部將“大型油輪貨油艙用高品質(zhì)耐腐蝕鋼”列入國家科技支撐計劃的重點開發(fā)項目，研究高硫、高酸油氣環(huán)境中，低合金鋼在H2 S、SO2、Cl － 和酸性鹽水介質(zhì)，以及上述各種復(fù)雜混合介質(zhì)條件下的腐蝕規(guī)律，開發(fā)耐腐蝕合金鋼成分體系、生產(chǎn)工藝及相關(guān)配套焊接材料，形成油船用耐蝕鋼的腐蝕評價體系與標(biāo)準(zhǔn)，解決油氣開采、輸送和儲運(yùn)過程中的鋼鐵材料腐蝕問題，形成具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的油氣開采與儲運(yùn)用耐腐蝕鋼生產(chǎn)技術(shù)體系和評價標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。2012 年，工信部啟動了“基于IMO 標(biāo)準(zhǔn)的船用耐蝕鋼應(yīng)用技術(shù)研究”重大科技創(chuàng)新項目。到目前為止，我國油船貨油艙用耐蝕鋼研究項目已經(jīng)取得了階段性研究成果，突破了材料研發(fā)的核心技術(shù)難關(guān)，數(shù)家鋼鐵企業(yè)已經(jīng)進(jìn)入了工業(yè)試制與實船試驗階段［6］。2010 年～ 2011 年，鞍鋼集團(tuán)公司陸續(xù)開展了兩輪1 000 t 以上耐蝕鋼工業(yè)試制，目前已提交船級社認(rèn)證； 2010 年，首鋼開始對耐蝕鋼進(jìn)行前期研究，并聯(lián)合開展腐蝕機(jī)理研究，研發(fā)油船貨油艙腐蝕環(huán)境耐蝕鋼，到2012 年上半年已經(jīng)成功完成E36 級原油船貨油艙用耐蝕鋼及相關(guān)焊材的開發(fā)，并形成了配套的焊接工藝技術(shù)，各項性能滿足國際海事組織耐蝕鋼標(biāo)準(zhǔn)要求及目前的船板規(guī)范，具備了進(jìn)一步開展造船應(yīng)用研究的條件。2012 年，武鋼、寶鋼、南鋼及湘鋼等鋼廠相繼開發(fā)成功油船貨油艙用耐蝕鋼。武鋼經(jīng)過對高硫高酸油氣環(huán)境下耐腐蝕鋼的腐蝕機(jī)理、腐蝕條件、合金元素耐蝕性規(guī)律以及鋼的潔凈度、夾雜物、顯微組織對耐蝕性的影響機(jī)理等方面的研究，確立了新鋼種合金設(shè)計方案以及生產(chǎn)工藝，并將實驗室研究成果運(yùn)用到工業(yè)試制中，成功實現(xiàn)了油船貨油艙用耐蝕鋼及其腐蝕試驗對比鋼的批量試制，鋼板性能均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。南鋼與東北大學(xué)、北京科技大學(xué)、武漢科技大學(xué)等高校進(jìn)行合作，成功研發(fā)出高效焊接海洋工程用鋼、原油船貨油艙用耐蝕鋼板EH36-NS 以及專用焊接材料，并申請了相關(guān)專利［24 － 26］。中國鋼研科技集團(tuán)有限責(zé)任公司鋼鐵研究總院和國家連鑄技術(shù)工程研究中心在耐蝕鋼成分設(shè)計方面亦取得可喜成果，研制的鋼板的耐均勻腐蝕和耐局部腐蝕性達(dá)到或超過了日本NAC5 鋼板水平［27］。總之，我國船用耐蝕鋼國產(chǎn)化項目已建設(shè)了符合IMO 標(biāo)準(zhǔn)的實驗裝置，突破了材料研發(fā)與檢測的核心技術(shù)難關(guān)，國產(chǎn)船用耐蝕鋼板各項指標(biāo)滿足IMO 標(biāo)準(zhǔn)和船級社規(guī)范要求，造船工藝性能與傳統(tǒng)船板相當(dāng)，成本增量低于涂層成本，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［28］，中外運(yùn)長航吳淞船舶工程有限公司啟動了大慶435 號油船改裝工程，其改裝技術(shù)方案由中船集團(tuán)第七〇八研究所制訂，經(jīng)中國船級社審定，將采用由鞍鋼公司提供的1 100 t 船用耐蝕鋼對貨油艙內(nèi)底板、上甲板進(jìn)行改裝。同時，將進(jìn)行耐蝕鋼與常規(guī)船板的對比使用試驗，為后續(xù)相關(guān)科研工作提供實船數(shù)據(jù)和工程管理經(jīng)驗。這表明，我國鋼企已經(jīng)掌握了油船貨油艙用耐蝕鋼的關(guān)鍵制造技術(shù)，即將進(jìn)入批量生產(chǎn)供貨階段。

    2.4 問題與差距

 

    長期以來，由于缺乏對大型油船貨油艙用耐蝕鋼等高品質(zhì)海洋結(jié)構(gòu)鋼材的前瞻性探索，我國對海洋工程高端鋼鐵材料方面的耐腐蝕機(jī)理等研究明顯落后于日本等發(fā)達(dá)國家，造成海洋工程用鋼品種規(guī)格少、鋼材性能差、質(zhì)量不穩(wěn)定、使用壽命短等一系列問題； 我國耐蝕鋼產(chǎn)業(yè)集中度低，達(dá)不到規(guī)模效益，研發(fā)、生產(chǎn)難度較大，鋼企積極性不高； 我國缺乏船用耐蝕鋼國家標(biāo)準(zhǔn)和具有檢測及認(rèn)證資質(zhì)的第三方機(jī)構(gòu)； 針對焊縫焊材的耐蝕性問題重視不足。以上問題嚴(yán)重制約了國家重大工程項目的建設(shè)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

    目前，中國船企能建造國際航運(yùn)界95% 所需船型，包括17. 5 萬t 散貨輪、30 萬t 超大型油輪（VLCC）、30萬t 浮式生產(chǎn)儲油船（ FPSO）、8530 標(biāo)箱第6 代集裝箱船、14. 7 萬m3LNG 船、122 m 自升式鉆井平臺JU2 000等。目前在建9 座30 萬t 級造船船塢，并在規(guī)劃50 萬t級和100 萬t 級船塢。但是，在中國船企建造的船舶中，60% ～ 70% 以低技術(shù)含量的散貨船為主，大型油船、高技術(shù)含量的鉆井船及液化天然氣船等承接量少，在先進(jìn)船舶制造及海洋工程裝備設(shè)計制造技術(shù)、大型油船貨油艙用耐蝕鋼的研究與開發(fā)等方面，才剛剛進(jìn)入實船驗證階段，與日本等國家相比，還有較大差距。

    3 耐海水腐蝕鋼

    3. 1 重大需求分析

 

    占地球表面積約71% 的海洋中蘊(yùn)藏著豐富的資源，隨著世界人口的日益增長和陸地資源不斷的消耗，未來人類的生存會越來越依賴于海洋，海洋將成為礦產(chǎn)、能源和食品資源的主要供應(yīng)基地。為此，海洋開發(fā)被列為2l 世紀(jì)的重點目標(biāo)之一。我國享有主權(quán)和管轄權(quán)的海域面積接近300 萬km2 ，但海洋石油和天然氣等資源的平均探明率分別只有12. 3% 和10. 9% ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界73. 0% 和60. 5% 的平均水平［29］。隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的提高，我國海洋開發(fā)事業(yè)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。由于技術(shù)越來越復(fù)雜，制造成本越來越高，人們希望海洋裝備的使用壽命成倍提高，而耐海水腐蝕材料的開發(fā)和應(yīng)用研究是海洋開發(fā)的基礎(chǔ)和前提，導(dǎo)致耐海水腐蝕鋼材越來越受到人們的重視，用量逐年增加。另外火電廠、核電廠、化工廠和海水淡化工程等項目中也是耐海水腐蝕鋼另一個主要應(yīng)用領(lǐng)域。有報道稱， 到2015 年全世界海水淡化能力將增長到6 200 萬m3 ，所增加的投資預(yù)計為950 億美元。而中國也是一個水資源貧乏的國家，這個新興領(lǐng)域?qū)δ秃Ｋg鋼的需求必定持續(xù)增長［29］。

    由于海洋的特定環(huán)境對海洋工程材料有很多特殊要求： 最主要的是耐海水腐蝕問題； 其次是深海下密封殼體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度問題。因此研究高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐海水腐蝕、低成本的材料以及合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和選材，已成為海洋工程的關(guān)鍵技術(shù)之一。

    3. 2 耐海水腐蝕鋼的發(fā)展概況

 

    海水中含有大量的以NaCl 為主的鹽類，占總含鹽量的88. 7%。由于它們易于電離，使海水中的Cl － 含量增高，達(dá)1. 898% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）； 同時提高海水電導(dǎo)率，其平均電導(dǎo)率可為4 × 10 － 2 s /cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過河水（2 ×10 － 2 s /cm）和雨水（1 × 10 － 2 s /cm）。為此，海水中金屬表面難以保持穩(wěn)定的鈍態(tài)，易于發(fā)生電化學(xué)腐蝕，極易發(fā)生劣化破壞。目前海洋污染趨于嚴(yán)重，海洋環(huán)境更加復(fù)雜，從而使得海洋工程用鋼材的腐蝕問題更加突出。大型海洋工程結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境中的腐蝕一般分為5 個區(qū)： 大氣區(qū)、飛濺區(qū)、潮差區(qū)、全浸區(qū)及海泥區(qū)。在這些不同的區(qū)域，鋼材的腐蝕速率是不同的，圖2 是鋼樁在海水不同腐蝕區(qū)域腐蝕速率示意圖［30］。

圖2 鋼樁在海水不同區(qū)域腐蝕速率的示意圖［31］

Fig. 2 Schematic diagram of the corrosion rate of steel pile indifferent zones of the seawater

 

 

 

    除了海水區(qū)域不同對鋼材腐蝕有不同的影響外，就是在一同區(qū)域的海洋環(huán)境中也含有其他諸多影響因素，如海水的鹽度、pH 值、溫度、溶解氣體（O2、CO2等）流速、微生物以及污染等，這些因素有時交差作用，造成了海洋環(huán)境對鋼材腐蝕的一個極其復(fù)雜的過程。

    目前鋼鐵材料的防腐蝕方法大致可分為4 類： ①涂層法； ②長效法； ③陰極保護(hù)； ④采用本身具有抗腐蝕能力的不銹鋼。但大規(guī)模使用預(yù)防措施所產(chǎn)生的環(huán)境污染大、能耗大、投資大，其成本高得難以承受，并且不銹鋼的力學(xué)性能和焊接性能也很難滿足各種工程的需要，因而鋼鐵材料的腐蝕情況一直沒有得到根本的控制。研究表明，通過添加微量合金元素可以在鋼材表面形成含有特定結(jié)構(gòu)、具有離子選擇特性的致密保護(hù)層，使鋼材本身具有耐腐蝕性能，并保持優(yōu)良的綜合力學(xué)性能及使用性能。

    3.3 耐海水腐蝕鋼國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

 

    國外對耐海水腐蝕鋼的研究始于20 世紀(jì)30 年代，其中最為活躍的國家是美國和日本。美國最先開始耐海水腐蝕鋼的研究，于1951 年開發(fā)了Ni-Cu-P 系Mariner鋼，含0. 5% Ni、0. 5% Cu、0. 1% P。此類鋼在飛濺區(qū)的耐海水腐蝕性能較好，為普通碳素鋼的2 ～ 3 倍，但P 含量偏高（0. 08% ～ 0. 15% ），厚度大于20 mm 的鋼板不適宜焊接。在此基礎(chǔ)上，世界各國相繼開發(fā)了各種系列的耐海水腐蝕鋼。如日本針對Mariner 鋼P(yáng) 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蝕鋼［31］。Mariloy 系列鋼之所以具有好的耐蝕性，主要原因有： ①鉻、硅共存，促使在腐蝕過程中形成穩(wěn)定的硫酸鹽膜，能阻止在污染海水中細(xì)菌的生長，從而減緩了鋼的腐蝕； ②由于硅、鉻、銅在銹層中富集，并直接作用于金屬表面，使緊貼基體銹蝕產(chǎn)物變得細(xì)小致密，阻礙了海水中溶解氧向鋼表面擴(kuò)散，減緩了鋼的腐蝕速率。

    中國耐海水腐蝕鋼的研究始于1965 年，從300 多個鋼種中篩選出16 個鋼種，并于1978 年進(jìn)行了耐蝕性能的統(tǒng)一評定。4 年的試驗周期表明，Cr-Mo-Al 系的10Cr2MoAlＲE 鋼耐蝕性能最好。近期寶鋼借鑒日本耐海水腐蝕鋼成分特點，綜合考慮中國近海海水腐蝕介質(zhì)的環(huán)境作用因子，通過優(yōu)化調(diào)整化學(xué)成分及采用合理軋制工藝技術(shù)，成功開發(fā)出Cr-Cu-Mo 系耐海水腐蝕鋼種Q345C-NHY3［32］。該鋼種具有優(yōu)良的力學(xué)性能、焊接性能和耐海水腐蝕性能等，能夠滿足海洋鋼結(jié)構(gòu)的制造要求。已經(jīng)向東海洋山深水港碼頭二期及三期工程供貨約30 萬t，主要用于加工海底鋼管樁。這是國內(nèi)首次在工程中大批量應(yīng)用耐海水腐蝕鋼，整個工程結(jié)束預(yù)期應(yīng)用量達(dá)50 余萬t。

    目前國外生產(chǎn)的低合金耐海水腐蝕用鋼按成分系列可分為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。我國研制的耐海水腐蝕鋼試驗鋼號近200 種，其中10Cr2MoAlＲE、08PVＲE、09MnCuPTi、10MnPNbＲE、10NiCuAs、10CrMoAl 等已通過鑒定，但尚未推廣，在大型固定式和移動式海洋結(jié)構(gòu)件上應(yīng)用較少［33］。

    3.4 問題與差距

 

    我國在耐海水腐蝕鋼方面與國外先進(jìn)國家之間存在較大差距，如表8 所示。

表8 我國耐海水腐蝕鋼與國外的差距［31］

Table 8 Gap between China and overseas countries in marinecorrosion resistant steels

 

 

 

    我國在海工鋼和船用耐蝕鋼方面存在以下突出問題［30，34 － 36］：①海工用鋼需求有限，科研和生產(chǎn)難度較大。我國主要海工總裝制造企業(yè)手持各類海工鉆井平臺不到100 座/艘，計劃在3 a 內(nèi)交付。每年交付量在30 ～ 40座/艘左右，年均用鋼量僅為60 ～ 80 萬t。加之海工用鋼的特點為多品種、小批量，達(dá)不到規(guī)模效益。②對耐海水腐蝕機(jī)理的研究不足。由于各合金元素在不同海洋環(huán)境條件下的耐蝕效果不同、各牌號鋼種在不同海洋環(huán)境條件下的耐蝕性能也有很大的差異，加上因試驗方法不同而造成的誤差等影響，腐蝕試驗結(jié)果必然有所不同，而我國缺乏該領(lǐng)域檢測與第三方認(rèn)證機(jī)構(gòu)。特別對我國南海高濕熱、強(qiáng)輻射、高Cl － 海洋環(huán)境下的鋼鐵材料腐蝕問題還未得到研究與驗證，腐蝕數(shù)據(jù)積累不足。③焊縫焊材的耐蝕性問題未得到重視。由于接頭各部分在成分和組織上的不均勻性、殘余應(yīng)力以及應(yīng)力集中等因素的影響，使得接頭的耐蝕性往往低于母材，而在整個焊接接頭中焊縫是耐腐蝕性最差的部位。

    4 對策與建議

 

    隨著世界安全和環(huán)保意識的提高以及經(jīng)濟(jì)全球化引起的物流量增加，強(qiáng)化對船舶與海工裝備結(jié)構(gòu)安全性、可靠性、及海上運(yùn)輸高速化、高效化的要求，需進(jìn)一步提供高性能鋼材。如果國內(nèi)不能生產(chǎn)而大量進(jìn)口，不但會推高造船行業(yè)的建造成本； 而且，如果船東青睞這種鋼材，而國外不予供貨的話，船企接單也將受到影響。因此，需要國家政策引導(dǎo)支持，造船、海工、鋼鐵、航運(yùn)等企業(yè)以及高校科研院所緊密協(xié)同與合作。建議： ①加強(qiáng)政策引導(dǎo)和財政支持，加大研發(fā)投入。在國家層面制定海洋耐蝕鋼的科技發(fā)展規(guī)劃，加大研發(fā)投入。同時，改變資金投入機(jī)制，讓有限的資金集中投放到由企業(yè)、高校、研究機(jī)構(gòu)等組成的優(yōu)勢協(xié)同創(chuàng)新體。建設(shè)我國海洋耐蝕鋼4 大區(qū)域中心： 即以環(huán)渤海灣（ 鞍鋼、首鋼、大連造船、北船重工（ 青島）、中國科學(xué)院金屬研究所、中國科學(xué)院海洋研究所、東北大學(xué)、北京科技大學(xué)、大連理工大學(xué)、清華大學(xué)等）、長江口（ 寶鋼、南鋼、沙鋼、滬東中華造船、振華港機(jī)、上海交通大學(xué)、上海大學(xué)、南京工業(yè)大學(xué)、南京理工大學(xué)、浙江大學(xué)等）、長江中上游流域（ 武鋼、重鋼、攀鋼、華菱集團(tuán)、武船重工、中船重工719 研究所、武漢科技大學(xué)、華中科技大學(xué)、武漢大學(xué)、武漢理工大學(xué)、重慶大學(xué)等） 和珠江口（寶鋼集團(tuán)湛江基地、武鋼集團(tuán)防城港基地、廣州廣船國際股份有限公司、廣州黃埔造船廠等、華南理工大學(xué)、香港科技大學(xué)等） 為重點的區(qū)域中心。②以海洋耐蝕鋼的協(xié)同研發(fā)為切入點，搭建三會一社（ 中國船舶工業(yè)行業(yè)協(xié)會、中國鋼鐵協(xié)會、中國船東協(xié)會、中國船級社）、造船企業(yè)、鋼鐵企業(yè)、航運(yùn)企業(yè)、高校科研院所聯(lián)合參與的“產(chǎn)、學(xué)、研、用、檢”的工作及信息交流平臺，使海洋耐蝕鋼的研發(fā)從臨時協(xié)調(diào)機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)殚L期合作機(jī)制，并盡快落實船用和海工裝備耐蝕鋼的應(yīng)用研究和實船考核工作，定期探討船用耐蝕鋼的研發(fā)推進(jìn)工作，規(guī)范行業(yè)準(zhǔn)入和認(rèn)證管理，建立和完善船用和海工裝備耐蝕鋼標(biāo)準(zhǔn)體系以及船用和海工裝備耐蝕鋼加工配送體系。③加強(qiáng)對海洋耐蝕鋼，特別是我國南海高濕熱、強(qiáng)輻射、高Cl － 環(huán)境下的腐蝕機(jī)理研究。建設(shè)海洋耐蝕鋼的檢測機(jī)構(gòu)和第三方認(rèn)證機(jī)構(gòu)等共同平臺。④加強(qiáng)海洋耐蝕鋼的焊接性研究與評定，研究開發(fā)相配套的焊接材料、焊接工藝。

    5 關(guān)鍵技術(shù)與核心科學(xué)問題

    5.1 關(guān)鍵技術(shù)

 

    海洋耐蝕鋼研究與開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)包括： 中厚板與特厚板的純凈度控制技術(shù)（ 尤其是超低S 的控制）、腐蝕性夾雜物（MnS 和nCaOmAl2O3等） 控制技術(shù)、鑄坯中心偏析控制技術(shù)、特厚板的軋制技術(shù)與工藝、中厚板與特厚板的焊接性評定與焊接工藝、以及配套焊接材料的研究與開發(fā)等。

    5.2 核心科學(xué)問題

 

    海洋耐蝕鋼研究與開發(fā)的核心科學(xué)問題主要包括：

    新型易焊接海洋耐蝕鋼厚板與特厚板的設(shè)計理論與原理，海洋耐蝕鋼厚板與特厚板均質(zhì)化、細(xì)晶化、高韌化機(jī)理，海洋耐蝕鋼厚板與特厚板高效高可靠性焊接冶金原理，海洋工程厚板與特厚板以及焊接接頭的耐蝕機(jī)理，包括在我國南海高濕熱和海洋微生物等特殊環(huán)境下的腐蝕機(jī)理等。

    致謝  感謝中國工程院和國家自然科學(xué)基金委員會的支持，感謝周廉院士、翁宇慶院士和薛群基院士的鼓勵與支持，感謝“中國海洋工程材料研發(fā)現(xiàn)狀及發(fā)展戰(zhàn)略初步研究”項目組各位專家提供的相關(guān)資料與信息。

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