01 海洋耐蝕鋼的國(guó)內(nèi)外進(jìn)展

 

    1 前言

 

    2013年，中國(guó)國(guó)家海洋局發(fā)布了《國(guó)家海洋事業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃》。在規(guī)劃中明確提出：作為發(fā)展中的海洋大國(guó)，我國(guó)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(kāi)放型經(jīng)濟(jì)的形成與深化，海洋作為國(guó)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(guó)海洋事業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，未來(lái)將向深海和遠(yuǎn)海發(fā)展。著力提升海洋開(kāi)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(guó)家“走出去”戰(zhàn)略實(shí)施的重大舉措，對(duì)于促進(jìn)沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、國(guó)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(guó)際海事組織制定的性能標(biāo)準(zhǔn)為主導(dǎo)，世界各國(guó)圍繞海洋耐蝕鋼開(kāi)展了腐蝕機(jī)理、腐蝕過(guò)程的研究，其中油船貨油艙用耐蝕鋼是近 10 年來(lái)國(guó)際上研究和開(kāi)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(guó)對(duì)海洋耐蝕鋼的研究應(yīng)用相對(duì)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(diǎn)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(guó)船舶及海洋石油工業(yè)迎來(lái)了高速增長(zhǎng)期，成為中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱。據(jù)英國(guó)克拉克松研究數(shù)據(jù)表明，中國(guó)已成為世界造船中心。2013 年，中國(guó)造船 3 大指標(biāo)市場(chǎng)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。

    “十一五”期間，在海洋石油工業(yè)領(lǐng)域，中國(guó)海上油氣開(kāi)發(fā)投入 1200 億元人民幣，建設(shè)了 15 個(gè)海洋油氣田、76 座鉆井平臺(tái)、6 座浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船，鋪設(shè)了 1400km 海底管線，2010 年海洋油氣產(chǎn)量實(shí)現(xiàn)了 5000 萬(wàn) t 油當(dāng)量。根據(jù)中海油規(guī)劃，“十二五”期間將新建5000 萬(wàn) t 油當(dāng)量產(chǎn)能。預(yù)計(jì)“十二五”、“十三五”期間海洋石油工業(yè)投入將分別達(dá)到 6700 億元和 9500 億元人民幣，其中海洋工程裝備市場(chǎng)投資將達(dá)到 2500億～ 3000 億元人民幣。

 

    根據(jù)我國(guó)《鋼鐵工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》對(duì) 2015 年關(guān)鍵鋼材品種消費(fèi)預(yù)測(cè)，未來(lái) 5 年，僅船板用鋼消費(fèi)量將從 2010 年的 1300 萬(wàn) t 提高到 2015 年的1600 萬(wàn) 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(wàn)t級(jí)的超大型油輪（VLCC） 為例，船體結(jié)構(gòu)總用鋼量近 4 萬(wàn) t，其中油船貨油艙部分用鋼約 1.7 萬(wàn) t。據(jù)中國(guó)船舶工業(yè)行業(yè)協(xié)會(huì)對(duì)我國(guó)目前手持油船訂單統(tǒng)計(jì)，油船貨油艙用鋼量每年達(dá) 200萬(wàn) t 左右。如果能推廣使用到海洋工程領(lǐng)域，其市場(chǎng)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?lái)因貨油艙腐蝕造成油船失效事故時(shí)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(duì)海洋環(huán)境造成嚴(yán)重危害。因此油船貨油艙的防腐問(wèn)題越來(lái)越受關(guān)注。2006 年以前油船都是單甲板、單底結(jié)構(gòu)，因?yàn)樨浻团搩?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(guó)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(lái)承載原油。原油尤其是高硫高酸原油對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)貨油艙腐蝕影響嚴(yán)重，威脅著油船運(yùn)營(yíng)安全。

    目前針對(duì)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(guò)程復(fù)雜，長(zhǎng)期投資高；防腐涂層使用過(guò)程中存在嚴(yán)重的局部腐蝕隱患，每2.5a 就須對(duì)油船進(jìn)行涂層維護(hù)和重新涂布，需要耗費(fèi)高額成本，延長(zhǎng)工期，并且貨油艙空間封閉，施工環(huán)境惡劣，也會(huì)一定程度上影響施工質(zhì)量。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。

    1995 年，國(guó)際海事組織對(duì)油船貨油艙用耐蝕鋼提出推薦性要求，并推薦各國(guó)進(jìn)行研究。2010 年 5 月 14 日，國(guó)際海事組織海上安全委員會(huì)（MSC）第 87 次會(huì)議正式通過(guò)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。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(guó)材料進(jìn)展第 33 卷有 5000t 級(jí)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(duì)耐蝕鋼的適用范圍、目標(biāo)壽命、試驗(yàn)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(duì)耐蝕鋼的要求是在貨油艙頂腐蝕環(huán)境中 , 鋼材 25a 后估計(jì)腐蝕損耗值（ECL）不超過(guò) 2mm; 在艙底腐蝕環(huán)境中，年均腐蝕速率（C.Ｒ ave）不超過(guò) 1.0mm/a。兩種環(huán)境均要求焊縫處放大 1000 倍后，母材和焊縫金屬之間不出現(xiàn)階梯狀不連貫表面。

 

    2.3 國(guó)內(nèi)外研究開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

 

    2.3.1 日本和韓國(guó)

 

    目前走在前列、技術(shù)較成熟的國(guó)家是日本。早在 1999 年，日本造船協(xié)會(huì)的 SR242 項(xiàng)目組利用實(shí)船測(cè)試、實(shí)驗(yàn)室模擬等手段對(duì)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(guò)程。他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)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% O 2 ，13% CO 2 ，0.01% SO 2 ，余量為 N 2 ，體積分?jǐn)?shù)）以及從原油中揮發(fā)的 H 2 S 等腐蝕性氣體會(huì)在油輪貨油艙的頂部?jī)?nèi)表面富集。同時(shí)，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(huì)發(fā)生周期性變化。濕的H 2 S 和 O 2 以及 SO 2 等發(fā)生反應(yīng)，會(huì)在上甲板內(nèi)表面析出單質(zhì) S:

    4H 2 S+SO 2 +O 2 = 4H 2 O+5S（1）

 

 

    腐蝕了的鋼板表面的鐵銹也是催化劑，能加速 SO 2 和 H 2 S 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(guò)分析發(fā)現(xiàn)油膜由原油和混合沉淀物組成，同時(shí)包含大量的H 2 S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(shù)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(huì)造成油膜破損，成為點(diǎn)蝕起源。在破損處會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)：

    陽(yáng)極（孔內(nèi)）：Fe → Fe 2+ +2e; （2）陰極（孔外）：O 2 +2H 2 O+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(yáng)極的進(jìn)一步溶解。

    Fe 2+ +2H 2 O→Fe（OH） 2  +2H + （4）

 

    此外，從上甲板脫落的腐蝕產(chǎn)物S，對(duì)底板的點(diǎn)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(diǎn)蝕照片。

    S+2H 2 O→H 2 S+2OH － （5）

 

    通過(guò)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(guò)檢測(cè)分析 4 艘真實(shí)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 H 2 S，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(guò)檢測(cè)分析 3 艘真實(shí)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。但其存在的位置和含有高濃度的 Cl－ 會(huì)降低貨油艙下底板的耐蝕性。②通過(guò)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(diǎn)蝕速率，急劇地減弱了油膜對(duì)貨油艙下底板的保護(hù)。③通過(guò)對(duì) 6 艘真實(shí)油船貨油艙中 pH值實(shí)地檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)貨油艙底部點(diǎn)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(diǎn)蝕速率隨 pH 值的降低顯著增加，最大可達(dá) 2 ～ 4mm/a。說(shuō)明點(diǎn)蝕是強(qiáng)酸環(huán)境下的腐蝕。④通過(guò)觀察和測(cè)量，發(fā)現(xiàn)點(diǎn)蝕坑具有很強(qiáng)的形狀性和規(guī)律性，整個(gè)點(diǎn)蝕坑成等軸狀，從點(diǎn)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(diǎn)蝕坑越大則點(diǎn)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。

    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(kāi)發(fā)了新型油船貨油艙用耐蝕鋼。①新日鐵NSGP TM-1 和 NSGP TM-2 。2003 年新日鐵公司與 NYK 公司合作首次成功開(kāi)發(fā)了新型耐蝕鋼 NSGP TM-1 。表 6 給出了 NSGP TM-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(diǎn)蝕環(huán)境的室內(nèi)全浸腐蝕掛片實(shí)驗(yàn)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，NSGP TM-1 鋼的力學(xué)性能和現(xiàn)場(chǎng)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(shí)無(wú)需進(jìn)行特殊的施工治理。為驗(yàn)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(hào)巨型油船貨油艙下底板，該船運(yùn)營(yíng) 2.5a 后的考察結(jié)果表明，使用 NSGP TM-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 6.3mm。依據(jù)國(guó)際慣例，腐蝕孔超過(guò)4mm需要重新涂裝船體，超過(guò) 7mm 則需要焊接維修。因此使用NSGP TM-1 鋼的貨油艙無(wú)需重新涂裝，不僅可以省卻建造時(shí)為防腐而進(jìn)行的涂裝工序，且在檢修過(guò)程中也無(wú)需重新涂裝，大大減少維護(hù)成本。2007 年，NSGP TM-1鋼正式接受訂貨，截止 2010 年初，其累計(jì)發(fā)貨量已經(jīng)超過(guò) 1 萬(wàn) t。2008 年，新日鐵公司與 NYK 公司又開(kāi)發(fā)了應(yīng)用于油船貨油艙上甲板的耐蝕鋼 NSGP TM-2 ，經(jīng)過(guò) 5a 年的實(shí)船試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果表明，NSGP TM-2 鋼 5a 平均腐蝕速率小于 0.07mm/a，比傳統(tǒng)鋼降低了 38%。②住友金屬 SMICO Ｒ E。2004 年，住友金屬開(kāi)發(fā)了 SMICO Ｒ E 耐蝕鋼，2005 年將其應(yīng)用于“SANKO BLOSSOM”號(hào)油船貨油艙上甲板與下底板。經(jīng)過(guò) 2.75a 的實(shí)船試驗(yàn)，船塢檢查結(jié)果表明，與傳統(tǒng)鋼相比，SMICO Ｒ E 鋼用于貨油艙上甲板時(shí)腐蝕速率降低了 40%; 用于貨油艙下底板時(shí)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。③ JFE 公司 NAC5。JFE 公司于 2004 年開(kāi)發(fā)出一種 NAC5 耐蝕鋼。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(jiàn)表7。④JFE公司JFE-SIP TM -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-SIP TM -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(diǎn)：①抗點(diǎn)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。2010 年韓國(guó)也開(kāi)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。

    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(guó)人均 1t 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(shí)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(hào)、“列寧格勒”號(hào)、“基輔”號(hào)、“明斯克”號(hào)、“戈?duì)柺部品?rdquo;號(hào)、“庫(kù)茲涅佐夫”號(hào)、“烏里揚(yáng)諾夫斯克”號(hào)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(jì)，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(dòng)等，達(dá)到有效去除鋼中低熔點(diǎn)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(shí)現(xiàn)鑄坯均質(zhì)化。

 

    2.3.3 中國(guó)

 

    由于日本在該領(lǐng)域具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，正在中國(guó)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。為了防止國(guó)外可能形成的壟斷性供應(yīng)或技術(shù)壁壘，2008年中國(guó)提出研發(fā)船用耐蝕鋼。2010 年，國(guó)家科技部將“大型油輪貨油艙用高品質(zhì)耐腐蝕鋼”列入國(guó)家科技支撐計(jì)劃的重點(diǎn)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，研究高硫、高酸油氣環(huán)境中，低合金鋼在 H 2 S、SO 2 、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(kāi)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(píng)價(jià)體系與標(biāo)準(zhǔn)，解決油氣開(kāi)采、輸送和儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中的鋼鐵材料腐蝕問(wèn)題，形成具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的油氣開(kāi)采與儲(chǔ)運(yùn)用耐腐蝕鋼生產(chǎn)技術(shù)體系和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。2012 年，工信部啟動(dòng)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(xiàng)目。到目前為止，我國(guó)油船貨油艙用耐蝕鋼研究項(xiàng)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(shí)船試驗(yàn)階段。2010年～ 2011 年，鞍鋼集團(tuán)公司陸續(xù)開(kāi)展了兩輪 1000t 以上耐蝕鋼工業(yè)試制，目前已提交船級(jí)社認(rèn)證；2010 年，首鋼開(kāi)始對(duì)耐蝕鋼進(jìn)行前期研究，并聯(lián)合開(kāi)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(jí)原油船貨油艙用耐蝕鋼及相關(guān)焊材的開(kāi)發(fā)，并形成了配套的焊接工藝技術(shù)，各項(xiàng)性能滿足國(guó)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(kāi)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(kāi)發(fā)成功油船貨油艙用耐蝕鋼。武鋼經(jīng)過(guò)對(duì)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(duì)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(jì)方案以及生產(chǎn)工藝，并將實(shí)驗(yàn)室研究成果運(yùn)用到工業(yè)試制中，成功實(shí)現(xiàn)了油船貨油艙用耐蝕鋼及其腐蝕試驗(yàn)對(duì)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(qǐng)了相關(guān)專利。中國(guó)鋼研科技集團(tuán)有限責(zé)任公司鋼鐵研究總院和國(guó)家連鑄技術(shù)工程研究中心在耐蝕鋼成分設(shè)計(jì)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(guò)了日本 NAC5 鋼板水平。總之，我國(guó)船用耐蝕鋼國(guó)產(chǎn)化項(xiàng)目已建設(shè)了符合 IMO 標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)裝置，突破了材料研發(fā)與檢測(cè)的核心技術(shù)難關(guān)，國(guó)產(chǎn)船用耐蝕鋼板各項(xiàng)指標(biāo)滿足 IMO 標(biāo)準(zhǔn)和船級(jí)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，中外運(yùn)長(zhǎng)航吳淞船舶工程有限公司啟動(dòng)了大慶 435 號(hào)油船改裝工程，其改裝技術(shù)方案由中船集團(tuán)第七八研究所制訂，經(jīng)中國(guó)船級(jí)社審定，將采用由鞍鋼公司提供的 1100t 船用耐蝕鋼對(duì)貨油艙內(nèi)底板、上甲板進(jìn)行改裝。同時(shí)，將進(jìn)行耐蝕鋼與常規(guī)船板的對(duì)比使用試驗(yàn)，為后續(xù)相關(guān)科研工作提供實(shí)船數(shù)據(jù)和工程管理經(jīng)驗(yàn)。這表明，我國(guó)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(wèn)題與差距

 

    長(zhǎng)期以來(lái)，由于缺乏對(duì)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(guó)對(duì)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(guó)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(wèn)題；我國(guó)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(guó)缺乏船用耐蝕鋼國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和具有檢測(cè)及認(rèn)證資質(zhì)的第三方機(jī)構(gòu)；針對(duì)焊縫焊材的耐蝕性問(wèn)題重視不足。以上問(wèn)題嚴(yán)重制約了國(guó)家重大工程項(xiàng)目的建設(shè)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

    目前，中國(guó)船企能建造國(guó)際航運(yùn)界95% 所需船型，包括17.5萬(wàn)t散貨輪、30 萬(wàn) t 超 大 型 油 輪（VLCC）、30 萬(wàn) t浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船（FPSO）、8530 標(biāo)箱第 6 代集裝箱船、14.7 萬(wàn) m 3 LNG 船、122m 自升式鉆井平臺(tái) JU2000 等。目前在建 9 座 30 萬(wàn) t 級(jí)造船船塢，并在規(guī)劃50 萬(wàn) t 級(jí)和 100 萬(wàn) t 級(jí)船塢。但是，在中國(guó)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(jì)制造技術(shù)、大型油船貨油艙用耐蝕鋼的研究與開(kāi)發(fā)等方面，才剛剛進(jìn)入實(shí)船驗(yàn)證階段，與日本等國(guó)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(zhǎng)和陸地資源不斷的消耗，未來(lái)人類的生存會(huì)越來(lái)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(kāi)發(fā)被列為 2l 世紀(jì)的重點(diǎn)目標(biāo)之一。我國(guó)享有主權(quán)和管轄權(quán)的海域面積接近 300 萬(wàn) km 2 ，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。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(guó)海洋開(kāi)發(fā)事業(yè)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。由于技術(shù)越來(lái)越復(fù)雜，制造成本越來(lái)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(kāi)發(fā)和應(yīng)用研究是海洋開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)和前提，導(dǎo)致耐海水腐蝕鋼材越來(lái)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(xiàng)目中也是耐海水腐蝕鋼另一個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域。有報(bào)道稱，到 2015 年全世界海水淡化能力將增長(zhǎng)到 6200 萬(wàn) m 3 ，所增加的投資預(yù)計(jì)為 950 億美元。而中國(guó)也是一個(gè)水資源貧乏的國(guó)家，這個(gè)新興領(lǐng)域?qū)δ秃Ｋg鋼的需求必定持續(xù)增長(zhǎng)。

    由于海洋的特定環(huán)境對(duì)海洋工程材料有很多特殊要求：最主要的是耐海水腐蝕問(wèn)題；其次是深海下密封殼體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度問(wèn)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(jì)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(shí)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(guò)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(wèn)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(gè)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。

    除了海水區(qū)域不同對(duì)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（O 2 、CO 2 等）流速、微生物以及污染等，這些因素有時(shí)交差作用，造成了海洋環(huán)境對(duì)鋼材腐蝕的一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)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(zhǎng)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(méi)有得到根本的控制。研究表明，通過(guò)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(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

 

    國(guó)外對(duì)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(guó)家是美國(guó)和日本。美國(guó)最先開(kāi)始耐海水腐蝕鋼的研究，于 1951 年開(kāi)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(guó)相繼開(kāi)發(fā)了各種系列的耐海水腐蝕鋼。如日本針對(duì) Mariner鋼 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蝕鋼。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(guò)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(zhǎng)，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(guó)耐海水腐蝕鋼的研究始于 1965年，從300多個(gè)鋼種中篩選出16個(gè)鋼種，并于 1978 年進(jìn)行了耐蝕性能的統(tǒng)一評(píng)定。4 年的試驗(yàn)周期表明，Cr-Mo-Al系的 10Cr2MoAl Ｒ E 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(diǎn)，綜合考慮中國(guó)近海海水腐蝕介質(zhì)的環(huán)境作用因子，通過(guò)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(kāi)發(fā)出Cr-Cu-Mo 系耐海水腐蝕鋼種 Q345C-NHY3。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 30t，主要用于加工海底鋼管樁。這是國(guó)內(nèi)首次在工程中大批量應(yīng)用耐海水腐蝕鋼，整個(gè)工程結(jié)束預(yù)期應(yīng)用量達(dá) 50 余萬(wàn) t。

    目前國(guó)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(guó)研制的耐海水腐蝕鋼試驗(yàn)鋼號(hào)近 200 種，其中10Cr2MoAl Ｒ E、08PV Ｒ E、09MnCuPTi、10MnPNb Ｒ E、10NiCuAs、10CrMoAl 等已通過(guò)鑒定，但尚未推廣，在大型固定式和移動(dòng)式海洋結(jié)構(gòu)件上應(yīng)用較少。

    3.4 問(wèn)題與差距

 

    我國(guó)在耐海水腐蝕鋼方面與國(guó)外先進(jìn)國(guó)家之間存在較大差距，如表8 所示。我國(guó)在海工鋼和船用耐蝕鋼方面存在以下突出問(wèn)題：①海工用鋼需求有限，科研和生產(chǎn)難度較大。我國(guó)主要海工總裝制造企業(yè)手持各類海工鉆井平臺(tái)不到100 座 / 艘，計(jì)劃在 3a 內(nèi)交付。每年交付量在 30 ～ 40 座 / 艘左右，年均用鋼量?jī)H為 60 ～ 80 萬(wàn) t。加之海工用鋼的特點(diǎn)為多品種、小批量，達(dá)不到規(guī)模效益。②對(duì)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(hào)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(yàn)方法不同而造成的誤差等影響，腐蝕試驗(yàn)結(jié)果必然有所不同，而我國(guó)缺乏該領(lǐng)域檢測(cè)與第三方認(rèn)證機(jī)構(gòu)。特別對(duì)我國(guó)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(wèn)題還未得到研究與驗(yàn)證，腐蝕數(shù)據(jù)積累不足。③焊縫焊材的耐蝕性問(wèn)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(gè)焊接接頭中焊縫是耐腐蝕性最差的部位。

    4 對(duì)策與建議

 

    隨著世界安全和環(huán)保意識(shí)的提高以及經(jīng)濟(jì)全球化引起的物流量增加，強(qiáng)化對(duì)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(guó)內(nèi)不能生產(chǎn)而大量進(jìn)口，不但會(huì)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(guó)外不予供貨的話，船企接單也將受到影響。因此，需要國(guó)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(cái)政支持，加大研發(fā)投入。在國(guó)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(shí)，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(shì)協(xié)同創(chuàng)新體。建設(shè)我國(guó)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(guó)科學(xué)院金屬研究所、中國(guó)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(zhǎng)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(zhǎng)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(guó)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(diǎn)的區(qū)域中心。②以海洋耐蝕鋼的協(xié)同研發(fā)為切入點(diǎn)，搭建三會(huì)一社（中國(guó)船舶工業(yè)行業(yè)協(xié)會(huì)、中國(guó)鋼鐵協(xié)會(huì)、中國(guó)船東協(xié)會(huì)、中國(guó)船級(jí)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(tái)，使海洋耐蝕鋼的研發(fā)從臨時(shí)協(xié)調(diào)機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)殚L(zhǎng)期合作機(jī)制，并盡快落實(shí)船用和海工裝備耐蝕鋼的應(yīng)用研究和實(shí)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(duì)海洋耐蝕鋼，特別是我國(guó)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(cè)機(jī)構(gòu)和第三方認(rèn)證機(jī)構(gòu)等共同平臺(tái)。④加強(qiáng)海洋耐蝕鋼的焊接性研究與評(píng)定，研究開(kāi)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(wèn)題

 

    5.1 關(guān)鍵技術(shù)

 

    海洋耐蝕鋼研究與開(kāi)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?shī)A雜物（MnS 和nCaOmAl 2 O 3 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(píng)定與焊接工藝、以及配套焊接材料的研究與開(kāi)發(fā)等。

    5.2 核心科學(xué)問(wèn)題

 

    海洋耐蝕鋼研究與開(kāi)發(fā)的核心科學(xué)問(wèn)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(jì)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(guó)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。

 

02 海洋用鋼品種的技術(shù)調(diào)研及發(fā)展趨勢(shì)分析 

 

    21 世紀(jì)人類進(jìn)入了開(kāi)發(fā)利用海洋的新時(shí)代，國(guó)際間以開(kāi)發(fā)和占有海洋資源為核心的海洋維權(quán)斗爭(zhēng)愈演愈烈，與之相伴的海洋科技實(shí)力的較量也日益凸顯。大量事實(shí)表明，海洋科技已進(jìn)入全球科技競(jìng)爭(zhēng)的前沿，并成為國(guó)家間綜合實(shí)力較量的焦點(diǎn)之一。海洋科技的發(fā)展離不開(kāi)鋼鐵材料，而海洋環(huán)境對(duì)鋼鐵材料有強(qiáng)烈的腐蝕作用，這一方面對(duì)鋼鐵材料的耐腐蝕性能提出了新的要求；另一方面耐腐蝕性能也成為鋼鐵產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)最重要的指標(biāo)。

    1 耐海水鋼的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

 

    在海洋資源的開(kāi)發(fā)和利用過(guò)程中，鋼材扮演著不可或缺的角色，如潮流發(fā)電、海水發(fā)電、海水溫差發(fā)電設(shè)備及海濱大型跨海橋梁，與海洋開(kāi)發(fā)相關(guān)的海底容器，用于資源開(kāi)發(fā)的各種大型海洋構(gòu)件以及造船用鋼等領(lǐng)域中均離不開(kāi)鋼。耐海水腐蝕鋼是為應(yīng)用于上述環(huán)境條件而開(kāi)發(fā)的一類低合金鋼。

    1.1 美國(guó)Ni-Cu-P系Mariner鋼

 

    國(guó)外對(duì)耐海洋環(huán)境腐蝕用鋼的研究始于 20 世紀(jì) 30 年代，其中以美國(guó)和日本等國(guó)家為代表。美國(guó)自 1946 年重點(diǎn)對(duì)具有耐海洋飛濺區(qū)腐蝕性能的鋼板樁用鋼進(jìn)行了開(kāi)發(fā)，在耐蝕性、經(jīng)濟(jì)性等方面詳細(xì)研究了 Ni-Cu-P 系的低合金鋼的特性，具體組織成份見(jiàn)表 1.1。

    1.2 日本Cu-Cr-Al系Mariloy鋼

 

    日本從經(jīng)濟(jì)性、焊接性及耐蝕性等方面對(duì)耐海水腐蝕鋼的性能進(jìn)行了研究，如為了抑制生產(chǎn)成本的提高，將高成本添加元素 Ni 替換為 Cr；為了進(jìn)一步提高耐蝕性，考慮了 Ni-Cu-P 或Cr 以外的其它合金元素，如添加 A1、Co、Mo、Nb、Ti 等元素對(duì)耐蝕性能的影響；為了擴(kuò)大鋼板樁或者鋼樁以外的使用領(lǐng)域，著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 系列耐海水腐蝕鋼。Mariloy 系鋼與碳鋼不同，碳鋼耐蝕性隨環(huán)境條件變化而有很大的波動(dòng)（例如在污染海水中），而Mariloy系鋼相當(dāng)穩(wěn)定，這是該系鋼的一個(gè)基本優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)這一優(yōu)點(diǎn)，可以很正確地估計(jì)這些鋼的腐蝕損耗。Mariloy系鋼具有這樣好的耐蝕性，主要原因有：①鉻、硅共存，促使在腐蝕過(guò)程中形成穩(wěn)定的硫酸鹽膜，還能阻止在污染海水中細(xì)菌的生長(zhǎng)，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的表面擴(kuò)散，減緩了鋼的腐蝕速度。

 

    法國(guó) Cr-Al 系鋼主打元素為 Al，Cr-Al 系的鋼主要應(yīng)用于鋼板樁，也用于高壓容器鋼、高溫耐腐蝕機(jī)械構(gòu)件。

    現(xiàn)在日本出售的耐海水鋼已有 10 多種，可大致分為飛濺區(qū)用鋼、全浸區(qū)用鋼及飛濺區(qū)與全浸區(qū)并用的耐海水鋼，具體使用哪種由使用環(huán)境決定。這些耐海水低合金鋼按化學(xué)成分可分 為 :Ni-Cu-P、Cr-Nb、Cr-Cu、Cr-Cu-Si、Cr-Cu-Si-Mo、Cr-Cu-Al、Cr-Cu-Mo 及 Cr-Cu-P 等幾種系列。美國(guó) （Mariner）Cu-P-Ni，日本 （Mariloy）Cr-Cu-Mo，法國(guó)（APS）Cr-Al 系鋼，Ni-Si 系鋼，中國(guó)銅系、P-V 系、P-Nb 系鋼。其按化學(xué)成分可分為 Cu-P，Cr-Cu 和 Cr-Al 3 大系列。列于表 1.4 中。

 

    2 日本耐海水鋼產(chǎn)品發(fā)展趨勢(shì)調(diào)研

 

    日本耐海水腐蝕低合金鋼的發(fā)展是繼美國(guó)Mariner鋼之后，為解決 Mariner 鋼中高磷所帶來(lái)的焊接性低，韌性低，以及全浸區(qū)耐蝕性不佳等問(wèn)題，研制了具有代表性的Mariloy（新日鐵）與 NK50（日本鋼管）等系列的耐海水腐蝕低合金鋼。

    2.1 日本耐海水鋼產(chǎn)品類型

 

    日本現(xiàn)今出售的耐海水用鋼有十多種，大致可分為飛濺區(qū)用鋼、海水全浸區(qū)用鋼、飛濺區(qū)與全浸區(qū)用的耐海水鋼。適用于飛濺區(qū)的有新日鐵生產(chǎn)的 MariloyP50、MariloyG41 和日本鋼管公司生產(chǎn)的 NK 馬麗尼 G、三菱制鐵的 NER-TEN50 及 60、神戶制鋼的 NKA、B、C 和住友金屬公司的 CR4 等。常用于鋼板樁和管樁的有 NK 馬麗尼 50 和 MariloyG。它們?cè)诤Ｑ蟓h(huán)境中均有良好的耐蝕性。例如，NK 馬麗尼 50 的耐海水腐蝕性為普碳鋼的 2-3 倍，韌性好，強(qiáng)度高 （ 與 SM50 相同 ），可焊性和加工成形性能優(yōu)良，故很有實(shí)用價(jià)值。現(xiàn)將日本正在生產(chǎn)的耐海水腐蝕低合金鋼列于表 1.5。

 

    2.2 日本耐海水鋼應(yīng)用與發(fā)展

 

    日本在海洋鋼方面的研究，最初是用于護(hù)岸，現(xiàn)在開(kāi)發(fā)的鋼幾乎作為海洋中的鋼板樁或鋼管樁使用，而在管道、海水應(yīng)用機(jī)器上的使用，除了特殊的鋼種以外都不適用。日本幾家公司開(kāi)發(fā)了主要提高飛濺帶耐蝕性的鋼管樁、鋼板樁。這些日本技術(shù)生產(chǎn)的耐海水鋼是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，為了提高耐蝕性而含有 Cr。20 世紀(jì) 60年代后半期，為尋求海洋資源和空間，以石油挖掘裝置、海中作業(yè)基地、海洋發(fā)電廠、人工島為代表，來(lái)自重工業(yè)對(duì)耐蝕鋼的要求，鋼材的力學(xué)性能，焊接性、耐蝕性也有了更高的要求。

    目前耐海水用鋼因造價(jià)高以及某些性能上的原因，應(yīng)用不及普通海洋結(jié)構(gòu)鋼廣泛。耐海水用鋼今后的發(fā)展方向是開(kāi)發(fā)同時(shí)具備優(yōu)良耐蝕性和可焊性的新鋼種，必須降低價(jià)格，以提高材料強(qiáng)度為方向，使鋼結(jié)構(gòu)物和設(shè)施向輕型化發(fā)展。深海用鋼應(yīng)努力開(kāi)發(fā)不降低缺口韌性、疲勞特性和加工性能的高強(qiáng)度耐蝕鋼種。

    3 中國(guó)耐海水鋼產(chǎn)品發(fā)展趨勢(shì)調(diào)研

 

    由于海水介質(zhì)的腐蝕特性和向深海進(jìn)行科學(xué)勘探與開(kāi)發(fā)的需要，耐海水腐蝕用鋼的研究、試制、生產(chǎn)與應(yīng)用受到世界各國(guó)的普遍重視。我國(guó)系統(tǒng)研究耐海水腐蝕低合金鋼已有 20 年左右的歷史，經(jīng)各單位的長(zhǎng)期試驗(yàn)已逐步篩選出16 個(gè)鋼種，于 1978 年在全國(guó)三個(gè)海域（南海湛江、東海廈門、北海青島）進(jìn)行了耐海水腐蝕的統(tǒng)一評(píng)定試驗(yàn)。

    3.1 中國(guó)耐海水鋼的品種分類

 

    我國(guó)海洋耐海水腐蝕低合金鋼 16個(gè)鋼種中，屬于 P-V 系的 5 個(gè)；P-Nb系的 2 個(gè)；P-Cu 系的 3 個(gè)；CrMoAl 系的 2 個(gè)；CuWSn 系 的 2 個(gè)；NiCuAs 與CrMoCu 各一個(gè)。已通過(guò)各級(jí)技術(shù)鑒定的鋼種有 8 個(gè)，它們是：10MnPNbRE;09CuWSn；09MnCuPTi；10CrMoAl；10NiCuAs；10Cr2MoAl RE；08CuPVRE 和10CrMoCuSi。現(xiàn)將我國(guó)研制的 16 個(gè)鋼種成分列于下表 1.6

 

 

    3.2 中國(guó)耐海水鋼腐蝕現(xiàn)狀

 

    我國(guó)低合金鋼在海洋環(huán)境中的主要腐蝕類型有不均勻全面腐蝕，點(diǎn)蝕，而在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，從形貌可分為斑狀、麻點(diǎn)狀、蜂窩狀、坑狀、潰腸狀腐蝕等類型。不論是錳系的 16Mn（Q）、09MnNb（J），還是鉻鋼的 10CrCuSiV、10CrMoAl 在海洋環(huán)境中，表面都會(huì)發(fā)生不能建立鈍態(tài)的腐蝕。

    （1） 全浸區(qū)的腐蝕

 

    低合金鋼連續(xù)沉浸于海水中的腐蝕速度大約在 0.06-0.15 毫米 / 年范圍，從耐蝕性能方面看并不比碳鋼優(yōu)越。因此，在全浸于海水中使用的結(jié)構(gòu)上，低合金鋼的腐蝕裕量必須等于或大于普通碳鋼，不應(yīng)僅從強(qiáng)度角度考慮而盲目減薄壁厚。碳鋼和低合金鋼在海水中的一般腐蝕行為如表 1.7 所列。

 

    低合金鋼和碳鋼一樣，在海水中具有明顯的潰瘍腐蝕傾向。國(guó)產(chǎn)各種碳鋼和低合金鋼在海水中的潰腸腐蝕行為如表 1.8 所列。從短期暴露的潰瘍腐蝕傾向看，國(guó)產(chǎn)船體結(jié)構(gòu)鋼大體可分三類：碳鋼和以錳為主要合金元素的低合金鋼，潰瘍腐蝕傾向最大，潰瘍大而深，密度較小，多呈孤立潰瘍狀；以鎳、銘為主要合金元素的低合金鋼比前者具有較好的耐潰瘍腐蝕性能，潰瘍小而淺，但密度較大，多呈麻點(diǎn)狀；以錳為主要合金元素，并加有鉻的低合金鋼，其潰腸腐蝕傾向介于前二者之間。

 

    （2） 飛濺區(qū)和潮差區(qū)的腐蝕

 

    在高潮線上方的飛濺區(qū)，低合金鋼比碳鋼明顯地耐蝕。在海平面以上 0.5-1.0 米的區(qū)域內(nèi)，有些低合金鋼的耐蝕性可比碳鋼好數(shù)倍。如果碳鋼在該部位使用需要 0.51 毫米 / 年的腐蝕裕量的話，采用 Ni、Cu、P 系低合金鋼只需 0.25毫米 / 年的腐蝕裕量。

    低合金鋼在潮差區(qū)的腐蝕行為與碳鋼相似。單板試驗(yàn)時(shí)，比全浸區(qū)腐蝕強(qiáng)烈。

    漂浮于水上的結(jié)構(gòu)，如船舶、浮桶等，潮差區(qū)的腐蝕通常比較嚴(yán)重。各種船舶結(jié)構(gòu)鋼在潮差區(qū)的腐蝕行為如表1.9 所列。

 

    由表 1.9 可見(jiàn)，以鎳、鉻為主要合金元素的低合金鋼比以錳為主要合金元素的低合金鋼在潮差區(qū)較為耐蝕，接近或小于全浸區(qū)的腐蝕 （ 參見(jiàn)表 1.7）。

 

    3.3 中國(guó)耐海水鋼應(yīng)用與發(fā)展

 

    我國(guó)統(tǒng)一評(píng)定的實(shí)海掛片試驗(yàn)的腐蝕數(shù)據(jù)表明，我國(guó)研制的耐海水腐蝕用鋼比一般A3鋼的耐腐蝕性能提高0.5-1倍，實(shí)際使用效果比試驗(yàn)數(shù)據(jù)好（約為A3 鋼的 2-5 倍），因此已被用于鋼樁碼頭、浮碼頭、海水管道、海水熱交換器、船舶、制鹽設(shè)備、采油平臺(tái)等方面。

 

    耐海水腐蝕低合金鋼的發(fā)展主要是朝著以鉻和銅元素為中心，與鋁、鉬、磷和鎳等主要元素相結(jié)合，改善不同海洋環(huán)境條件下的耐蝕性的同時(shí)，再將鈦、鈮、釩、鋯、砷、錫和釔等元素作為微量輔助元素，添加其中的一種或幾種元素，進(jìn)一步改善耐蝕性或其他某些性能的方向發(fā)展。另一傾向是向去磷或降磷和提高鉻的方向發(fā)展。

 

03 高品質(zhì)海洋工程用鋼品種技術(shù)新趨勢(shì)

 

    在全球化的進(jìn)程中，物流量不斷增長(zhǎng)，其對(duì)各種各樣船舶的需求相應(yīng)增長(zhǎng)，油輪、LNG 船（低溫下運(yùn)輸液化天然氣專用船）、散貨船、集裝箱船、LPG 船（運(yùn)輸液化石油氣專用船）以及化學(xué)品運(yùn)輸船等。近些年，隨著物流業(yè)對(duì)運(yùn)輸效率要求的不斷提高，各種大型船舶數(shù)量逐漸增加。其一是，液化天然氣貿(mào)易快速發(fā)展，導(dǎo)致 LNG 運(yùn)輸船需求發(fā)展迅猛，未來(lái) 5 年里，LNG 航運(yùn)市場(chǎng)將有足夠的運(yùn)輸需求消化目前的 LNG 船過(guò)剩運(yùn)力及新船訂單量。其二是，石油貿(mào)易格局變化，需要采用大型油輪。其三是，集裝箱船大型化趨勢(shì)仍然保持不變，主要是由于集裝箱船大型化可以帶來(lái)成本優(yōu)勢(shì)。其四是，“一帶一路”對(duì)貿(mào)易和港口建設(shè)產(chǎn)生重要影響，帶動(dòng)各種船舶需求的不斷增長(zhǎng)，從而帶動(dòng)“海洋工程用鋼”走向更高追求。

    當(dāng)前，在經(jīng)濟(jì)全球化的條件下，我國(guó)經(jīng)濟(jì)的對(duì)外依存度已高達(dá) 60%，對(duì)外貿(mào)易運(yùn)輸量的 90% 是通過(guò)海上運(yùn)輸完成的，世界航運(yùn)市場(chǎng) 19% 的大宗貨物運(yùn)往我國(guó)，22% 的出口集裝箱來(lái)自中國(guó)———我國(guó)經(jīng)濟(jì)已是高度依賴海洋的開(kāi)放型經(jīng)濟(jì)。船舶和海洋工程行業(yè)已成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重點(diǎn)之一。

    近年來(lái)，我國(guó)造船業(yè)發(fā)展迅猛，截至 2017 年 11 月，中國(guó)造船業(yè)全年新接訂單量超越了韓國(guó)，再次成為全球第一。2017 年，造船新接訂單量排名首位的是中國(guó)（713 萬(wàn)修正總噸），韓國(guó)和日本分別以 574 萬(wàn)修正總噸和 182 萬(wàn)修正總噸的數(shù)據(jù)分列第 2、3 位。中國(guó)的市場(chǎng)份額達(dá)到 36.3%，比韓國(guó) （29.4%）高出近 7 個(gè)百分點(diǎn)。盡管近年來(lái)造船業(yè)很不景氣，但是我國(guó)造船業(yè)還是攜手鋼鐵行業(yè)一道迅猛發(fā)展。

    經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，我國(guó)初步建立了較完備的船舶與海工用鋼體系，海洋工程用鋼品種出現(xiàn)極大的多元化——厚板、高強(qiáng)板、耐腐蝕板、耐低溫板都能生產(chǎn)，但高端海洋工程用鋼依然有所欠缺。

    “中國(guó)制造 2025” 需要突破發(fā)展的十大重點(diǎn)領(lǐng)域中，海洋工程裝備及高技術(shù)船舶亦占有一席之地。2017 年 10月 30 日，工業(yè)和信息化部發(fā)布《產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵共性技術(shù)發(fā)展指南（2017年）》（以下簡(jiǎn)稱《2017年指南》）。新出臺(tái)的《2017年指南》是工信部進(jìn)一步結(jié)合《中國(guó)制造 2025》、圍繞制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的重大需求，通過(guò)研判國(guó)內(nèi)外產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)之后提出的最新版本，共提出優(yōu)先發(fā)展的產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵共性技術(shù) 174 項(xiàng)。其中，原材料工業(yè) 53 項(xiàng)、裝備制造業(yè) 33 項(xiàng)、電子信息與通信業(yè) 36 項(xiàng)、消費(fèi)品工業(yè)27項(xiàng)、節(jié)能環(huán)保與資源綜合利用25項(xiàng)。

    新出臺(tái)的《2017 年指南》明確了高品質(zhì)海洋工程用鋼的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用技術(shù)的關(guān)鍵內(nèi)容，同時(shí)對(duì)綠色化、智能化鋼鐵流程關(guān)鍵要素協(xié)同優(yōu)化和集成應(yīng)用技術(shù)，高品質(zhì)特殊鋼生產(chǎn)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)等提出了新要求。

    《2017 年指南》明確了今后高品質(zhì)海洋工程用鋼開(kāi)發(fā)與應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展方向，重點(diǎn)研發(fā)的主要海洋工程用鋼品種及相關(guān)技術(shù)有：發(fā)展自升式平臺(tái)用 690兆帕級(jí)特厚板、大口徑無(wú)縫管、460 兆帕級(jí)別導(dǎo)管架平臺(tái)用鋼及配套焊材、可大線能量焊接平臺(tái)用厚板及配套焊材、大壁厚深海隔水管、管線鋼、南海島礁基礎(chǔ)設(shè)施用耐候鋼、耐海水腐蝕鋼筋、海水淡化、化學(xué)品船用特種雙相不銹鋼、高鉬超級(jí)奧氏體不銹鋼、深海集輸系統(tǒng)用耐蝕合金、沉淀硬化型不銹鋼、深海鉆采用高等級(jí)高氮奧氏體不銹鋼 等材料的研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用技術(shù)，此外還有發(fā)展極寒耐低溫船舶及海工用鋼生產(chǎn)及應(yīng)用技術(shù)，潔凈化冶金、均質(zhì)化連鑄、精準(zhǔn)組織調(diào)控等集成制造技術(shù)，低溫鋼的高效焊接材料與工程化應(yīng)用技術(shù)的內(nèi)容。

    《2017 年指南》把對(duì)鋼鐵工業(yè)的要求放在了最靠前的位置，說(shuō)明《2017年指南》對(duì)鋼鐵工業(yè)寄予厚望，也說(shuō)明了鋼鐵工業(yè)對(duì)海洋工程等領(lǐng)域的關(guān)鍵作用。包括上文中提到的高品質(zhì)海洋工程用鋼的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用技術(shù)相關(guān)要求，《2017年指南》對(duì)鋼鐵工業(yè)共提出了 13 個(gè)方面的要求：一是基于大數(shù)據(jù)的鋼鐵全流程產(chǎn)品工藝質(zhì)量管控技術(shù)，二是鋼鐵定制化智能制造關(guān)鍵技術(shù)，三是鋼鐵制造流程余熱減量化與深度化利用技術(shù)，四是綠色化、智能化鋼鐵流程關(guān)鍵要素協(xié)同優(yōu)化和集成應(yīng)用技術(shù)，五是高品質(zhì)特殊鋼生產(chǎn)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，六是高品質(zhì)海洋工程用鋼的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用技術(shù)，七是鋼材高效軋制技術(shù)及裝備，八是高爐煉鐵信息化與可視化技術(shù)，九是高品質(zhì)鐵精礦生產(chǎn)技術(shù)與裝備，十是低品位難選礦綜合選別與利用技術(shù)，十一是氫氣豎爐直接還原清潔冶煉技術(shù)，十二是全氧冶金高效清潔生產(chǎn)技術(shù)，十三是超超臨界電站汽輪機(jī)用鎳基耐熱合金材料設(shè)計(jì)和生產(chǎn)技術(shù)。

    鋼材是高品質(zhì)船舶與海洋工程建造的主要原材料。因此，高品質(zhì)船舶與海洋工程用鋼的發(fā)展一直是海洋工程相關(guān)領(lǐng)域和鋼鐵工業(yè)十分關(guān)心的問(wèn)題。

    船舶與海洋工程用鋼發(fā)生諸多新變化，新變化的大趨勢(shì)是對(duì)“高強(qiáng)度、高韌性、易焊接性、耐腐蝕性及大厚度、大規(guī)格、多品種規(guī)格”提出了更高、更嚴(yán)、更精的要求。例如，對(duì)特厚板合金設(shè)計(jì)與強(qiáng)韌化機(jī)理、心部韌性調(diào)控原理與技術(shù)，高潔凈—均質(zhì)化制錠 / 坯、高滲透性軋制、均勻熱處理新工藝與裝備，高強(qiáng)度特厚板關(guān)鍵生產(chǎn)技術(shù)及配套焊材等內(nèi)容進(jìn)行研究；開(kāi)發(fā)高強(qiáng)度、大斷面特厚板關(guān)鍵生產(chǎn)技術(shù)、裝備和產(chǎn)品（785 兆帕級(jí)，厚度≥ 180 毫米；690兆帕級(jí)，厚度 180~256 毫米）；對(duì)氧化物冶金原理及熱影響區(qū)組織調(diào)控機(jī)理，大線能量焊接厚鋼板合金設(shè)計(jì)及全生產(chǎn)流程高熔點(diǎn)氧化物控制技術(shù)，可大線能量焊接海工厚板生產(chǎn)工藝技術(shù)、焊接技術(shù)和焊材開(kāi)發(fā)等內(nèi)容進(jìn)行研究；開(kāi)發(fā)系列海工用大線能量焊接厚鋼板和配套焊材（厚度≥ 60 毫米，焊接線能量≥ 200千焦 / 厘米），性能滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求；對(duì)厚壁無(wú)縫鋼管、型鋼、錨鏈鋼合金設(shè)計(jì)、強(qiáng)韌機(jī)理與關(guān)鍵生產(chǎn)技術(shù)，鈦 / 鋼復(fù)合板、鑄造節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵制造技術(shù)，高耐蝕特種部件粉末冶金制品粉體均質(zhì)化、超細(xì)化、致密化制備技術(shù)等內(nèi)容進(jìn)行研究；開(kāi)發(fā)海工用大壁厚無(wú)縫鋼管、大規(guī)格高強(qiáng)型鋼、R6 級(jí)錨鏈鋼、鈦 / 鋼復(fù)合板、大型鑄造節(jié)點(diǎn)、高耐蝕粉末冶金制品產(chǎn)品或原型產(chǎn)品；對(duì)合金成分與鋼材組織對(duì)環(huán)境敏感性和耐蝕性的影響規(guī)律，力學(xué)、電化學(xué)、磨損、微生物耦合作用腐蝕規(guī)律及綜合防護(hù)技術(shù)，典型海工鋼使用、服役性能檢測(cè)與評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容進(jìn)行研究；闡明多場(chǎng)耦合環(huán)境下腐蝕機(jī)制，建立新型深海腐蝕性能評(píng)價(jià)方法和海工鋼檢測(cè)與服役性能評(píng)價(jià)方法，使典型海洋平臺(tái)用鋼最大壽命延長(zhǎng) 50%；對(duì)海洋工程用鋼應(yīng)用過(guò)程中配套焊接工藝，海洋工程用特厚鋼板和管材高效無(wú)缺陷切割技術(shù)、成型技術(shù)等內(nèi)容進(jìn)行研究；開(kāi)發(fā)新研制材料高效焊接技術(shù)、加工技術(shù)、成型技術(shù)等應(yīng)用技術(shù)，建立制造規(guī)范，形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈，構(gòu)建海工鋼生產(chǎn)、研發(fā)和應(yīng)用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并完成新型海洋工程用鋼檢驗(yàn)認(rèn)證和典型工程應(yīng)用示范等等。

    海洋工程用鋼鐵材料是拓展海洋空間、開(kāi)發(fā)海洋資源的物質(zhì)前提。中國(guó)要建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)，開(kāi)發(fā)海洋工程用鋼非常重要。

    據(jù)了解，目前在役的海洋工程裝備有相當(dāng)一部分集中建造于上世紀(jì) 80 年代初，服役已達(dá) 25 年以上，面臨退役。因此，海洋工程裝備更新?lián)Q代的需求已經(jīng)十分強(qiáng)烈。可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)，我國(guó)在海洋工程方面必然會(huì)有所突圍，但目前國(guó)內(nèi)本地原料、配套份額都較低。業(yè)內(nèi)專家指出，我國(guó) 1000 米以下的深海工程材料被國(guó)外長(zhǎng)期壟斷，而且工程施工技術(shù)全部保密。

 

    在海洋工程用鋼方面，目前，我國(guó)海洋工程用鋼關(guān)鍵部位的特殊品種如高級(jí)別特厚鋼板、大壁厚無(wú)縫管、大規(guī)格型鋼等仍需進(jìn)口，海洋平臺(tái)用厚鋼板的焊接效率及耐蝕性能與國(guó)外先進(jìn)水平相比差距較大，高端鋼鐵材料自主保障能力較差……這些都制約了我國(guó)大型海工裝備的整體設(shè)計(jì)和建造水平。海洋工程領(lǐng)域投資額體量巨大，可供鋼鐵工業(yè)充分施展拳腳。據(jù)了解，截至 2015 年末，全國(guó)海洋工程項(xiàng)目建設(shè)超過(guò) 15000個(gè)，投資總額超 2 萬(wàn)億元。只有貫徹實(shí)施《2017 年指南》的要求，鋼鐵工業(yè)才能適應(yīng)船舶和海洋工程技術(shù)發(fā)展的新格局，才能壯大海洋經(jīng)濟(jì)，不斷拓展藍(lán)色發(fā)展空間。

 

04 合金元素對(duì)海洋用鋼全浸區(qū)腐蝕的影響規(guī)律

 

    關(guān)于合金元素對(duì)耐海水鋼全浸區(qū)腐蝕的影響的研究很多，由于試驗(yàn)方法、試驗(yàn)條件、合金元素的組合及暴露時(shí)間的長(zhǎng)短等的不同，合金元素對(duì)耐海水鋼全浸區(qū)的腐蝕性能的影響有不盡一致或互相矛盾的結(jié)果和觀點(diǎn)。代表性的觀點(diǎn)有兩個(gè)：

    ①少量合金元素對(duì)提高鋼在海水全浸區(qū)的耐蝕性有良好的效果，提高鋼的耐蝕性的合金元素有 Cr、Al、Si、P、Cu、Mn、Mo、Nb、V 等；

 

    ②所有不同類型的碳鋼和低合金鋼在海水中的腐蝕速率幾乎是相等的，添加少量 Mn、Cu、Cr、Ni 等元素對(duì)鋼在海水中腐蝕速率的影響很小。

    19種鋼在青島、舟山、廈門和榆林4個(gè)試驗(yàn)站暴露1、4、8、16 年的腐蝕結(jié)果表明，有些錳鋼短期暴露的耐海水腐蝕性比碳鋼有所提高。但長(zhǎng)期暴露，錳鋼的耐海水腐蝕性能沒(méi)有明顯的提高。這與 16 種海洋用低合金鋼在我國(guó)三個(gè)海域暴露 7年的腐蝕試驗(yàn)得到相同的結(jié)果是一致的。因此，少量的 Mn、Si、P、Cu、Al、Mo、Nb、V 等或它們復(fù)合對(duì)耐海水鋼腐蝕性的影響很小。

    而鉻鋼在海水中腐蝕行為與碳鋼有較大差別，這反映了鉻元素對(duì)耐海水鋼腐蝕性能影響的復(fù)雜性。黃桂橋分析了鉻鋼在青島海水和文獻(xiàn)上發(fā)表的其他海域的腐蝕數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)鉻對(duì)鋼耐海水腐蝕性的影響不僅與鉻的含量有關(guān)，還與其他的復(fù)合合金元素有關(guān)。短期浸泡時(shí)，鋼的耐海水腐蝕性隨鉻含量（無(wú)其他合金元索復(fù)合）增加而提高。長(zhǎng)期浸泡，鉻對(duì)鋼的耐海水腐蝕性有害。約 1%Cr 與 Mo、Al 復(fù)合對(duì)耐海水鋼腐蝕性的影響與單獨(dú)添加 1%Cr 的影響沒(méi)有明顯差別。大于 2%Cr 與Mo、Al 復(fù)合大幅度提高鋼在海水中短期浸泡的耐蝕性，并使耐蝕性逆轉(zhuǎn)時(shí)間明顯推遲。小于 1%Cr 與 Mn-Cu、Cu-Si-V、Ni-Cu-P、Ni-Cu-Si、Ni-Mn 等元素復(fù)合對(duì)鋼的耐海水腐蝕性有害。

    國(guó)外為了研究合金元素對(duì)海水全浸區(qū)的腐蝕規(guī)律及影響，構(gòu)建了一種合金影響模型，此模型由四方面理論組成，前兩方面是腐蝕控制機(jī)制：①動(dòng)態(tài)控制理論；②氧通過(guò)腐蝕層擴(kuò)散理論，這兩種理論只要涉及有氧腐蝕活動(dòng)。過(guò)了理論點(diǎn) AP，主要涉及無(wú)氧腐蝕：③硫酸鹽還原菌生長(zhǎng)；④穩(wěn)態(tài)厭氧菌控制過(guò)程。圖 1 為海水全浸區(qū)腐蝕 - 時(shí)間模型以及模型參數(shù)的表示，其中 AP 為氧氣擴(kuò)散過(guò)程與厭氧環(huán)境控制過(guò)程的分界點(diǎn)，r 0 為氧擴(kuò)散過(guò)程最初腐蝕速率，c a 為前一階段過(guò)渡為第二階段時(shí)腐蝕產(chǎn)量，r a 為厭氧環(huán)境最初腐蝕速率，r s 為腐蝕發(fā)生終點(diǎn)c s 對(duì)應(yīng)的腐蝕速率。此模型研究合金元素的影響是通過(guò)合金元素含量的變化引起模型參數(shù)的變化，來(lái)表征合金元素對(duì)海水全浸腐蝕的影響規(guī)律，以上參數(shù)均可用來(lái)分析合金元素對(duì)耐蝕性的影響。具體分析如下：

圖1 海水全浸區(qū)腐蝕-時(shí)間模型

 

 

圖2 Cr含量對(duì)腐蝕參數(shù)的影響((a) r 0 ,(b) c a ,(c) r a ,(d) c s 、r s , (e)r 0 近似值)

 

圖3 Mo含量對(duì)腐蝕參數(shù)的影響((a) r 0 ,(b) ca ,(c) ra ,(d) r 0 近似值

 

    1 Cr 對(duì)海水全浸腐蝕影響

 

    圖 2a 中可以看出，Cr（ ≤ 2.5%） 對(duì)非合金鋼 r0 的影響效果很微弱，但是如果加入適量的Mo 或 Al，則很明顯隨著 Cr 含量增大，鋼的 r 0減小，耐腐蝕性能現(xiàn)出增強(qiáng)。類似的現(xiàn)象在圖2b 也發(fā)生，但是隨著 Cr 的增加 c a 的減小趨勢(shì)隨著 Mo 與 Al 的量起伏不定，并非 2a 圖中那么明顯，總之，c a 受 Cr 影響較小；如期望相同，r a 被 Cr 的量影響特別大，示于圖 2c。而 c s ，r s隨 Cr 增加減小趨勢(shì)的發(fā)生，則要求 Cr 含量增加到 2% 左右，但是雖有 r s 隨 Cr 含量繼續(xù)增加只會(huì)微弱下降。2e 顯示了不同化學(xué)組成的合金，腐蝕速率 r 0 隨 Cr 含量的增加減小的情況，綜上可知，一定量的 Cr 對(duì)增加合金的耐腐蝕性是特別必要的，需要與其他合金（如 Mo、Al）共同起作用，其含量值估計(jì)在 2%-2.5% 達(dá)到最佳。

    2 Mo 對(duì)海水全浸腐蝕影響

 

    圖 3a 與 3b 表明增加 Mo 含量對(duì)耐腐蝕性能的提高不是線性的，Mo 含量小于 0.5% 的時(shí)候，適度增加 Mo 耐蝕性得到加強(qiáng)，但是之后增加含量對(duì)腐蝕幾乎沒(méi)作用。但當(dāng)加入 1.5% 的 Al 之后，致使 Mo 的抗腐蝕性得到了進(jìn)一步加強(qiáng)。

    3 Cu 對(duì)海水全浸腐蝕影響

 

    圖 4 中 Cu 的加入相對(duì)而言幾乎不影響 r 0 與ca。最大的影響則是對(duì) ra，這表明 Cu 的加入抑制了缺氧過(guò)程的進(jìn)展。與之相反的是，當(dāng)缺氧條件過(guò)程進(jìn)行的時(shí)候，適度的 Cu 含量會(huì)輕微地增加合金的耐蝕性。由于 c s ，r s 均有所增加，表明當(dāng)厭氧環(huán)境很充分的時(shí)候，Cu 增加會(huì)增加腐蝕量，即減弱鋼的耐蝕性。

    4 Al 對(duì)海水全浸腐蝕影響

 

    圖 5a 與 5b 表明 Al 的增加顯著減小了腐蝕參數(shù) r 0 與 c a ，當(dāng) Al 的含量為（0-1.5%）這被r 0 的近似值得到證明。正如數(shù)據(jù)顯示影響作用非線性，盡管還沒(méi)有確切理論來(lái)解釋。沒(méi)有專門的數(shù)據(jù)顯示 c s 與 r s 的變化，但是 r a 足以表明厭氧環(huán)境下，隨著Al含量的增加耐腐蝕性有所下降。

圖4 Cu含量對(duì)腐蝕參數(shù)的影響((a) r 0 ,(b) c a ,(c) r a ,(d) c s 、r s , (e)r 0 近似值)

 

圖5 Al含量對(duì)腐蝕參數(shù)的影響((a) r 0 ,(b) c a ,(c) r a ,(d) r 0 近似值)

 

    5 Ni 對(duì)海水全浸腐蝕影響

 

    用來(lái)評(píng)估 Ni 增加提高耐蝕性的有效數(shù)據(jù)雖然有限，但是圖 6a 中，r 0 近似值的變化趨勢(shì)表明 Ni的增加減弱了腐蝕的進(jìn)程，但是繼續(xù)增加 Ni 含量則會(huì)減弱合金耐蝕性，促使腐蝕行為的發(fā)生，Ni合金元素含量最佳值為 2% 以內(nèi)。

 

    6 Mn 對(duì)海水全浸腐蝕影響

 

    對(duì)比 r 0 與 r b 曲線，可知開(kāi)始 Mn 對(duì)腐蝕的抑制作用不明顯，但是隨著腐蝕過(guò)程的進(jìn)行，Mn 的存在提高了合金的耐蝕性。

圖7 Mn含量對(duì)腐蝕參數(shù)的近似影響r 0 及r b

 

圖8 Si含量對(duì)腐蝕參數(shù)的近似影響r 0 及r b

 

 

    7 Si 對(duì)海水全浸腐蝕影響

 

    從 r 0 曲線來(lái)看，Si 的作用比較微弱但是輕微有效，r b 表明 Si 對(duì)合金耐蝕性是有益的，尤其當(dāng)同其他合金元素一起加入時(shí)。

    8 Ti 對(duì)海水全浸腐蝕影響

 

    圖 9 表明 Ti 減少了腐蝕失重，同時(shí)改善了腐蝕參數(shù) r 0 ，c a ，r a ，即Ti 的加入明顯提高合金的耐蝕性。

    9 耐海水腐蝕鋼

 

    耐海水腐蝕鋼的發(fā)展較耐大氣腐蝕鋼晚。較為系統(tǒng)地研究合金元素對(duì)鋼的耐海水腐蝕性能的影響，是從 20 世紀(jì) 30 年代后半期由Hudson 進(jìn)行六十幾種鋼的海水腐蝕試驗(yàn)開(kāi)始的。耐海水腐蝕鋼應(yīng)用范圍并不很廣，產(chǎn)量也不很多。究其原因，主要是由于耐海水腐蝕鋼的耐腐蝕性能受到某種程度的限制。

 

    因此，就開(kāi)發(fā)和發(fā)展低合金耐海水腐蝕鋼來(lái)說(shuō)，我國(guó)還有很大的潛力，還有大量的研究、生產(chǎn)和推廣使用的工作要做。

 

05 一文看懂海洋工程用超級(jí)不銹鋼和耐蝕合金

 

    與陸地油氣開(kāi)采相比，海洋環(huán)境洋流劇烈、海溫和壓力隨深度變化大、海底巖層結(jié)構(gòu)與陸地井迥異。海洋油氣中 H 2 S、CO 2 和 Cl - 等的含量普遍較高，海底微生物種類復(fù)雜，化學(xué)腐蝕和微生物腐蝕能力都很強(qiáng)。因此，海洋油氣開(kāi)采平臺(tái)用特殊鋼材料如不銹鋼、耐蝕合金等普遍要求高耐蝕、高強(qiáng)高韌和高耐磨等性能特點(diǎn)。國(guó)外先進(jìn)的海洋油氣資源鉆采、加工、輸運(yùn)等環(huán)節(jié)均應(yīng)用了大量的超級(jí)不銹鋼和耐蝕合金材料。

    所謂的“超級(jí)”不銹鋼材料，與傳統(tǒng)不銹鋼材料相比，一般是指高 Ni/Cr/Mo、高純凈度、采用 N 金化或變形工藝強(qiáng)韌化的一類高性能不銹鋼材料，如超級(jí)奧氏體、超級(jí)鐵素體、超級(jí)雙相不銹鋼以及鎳基或鐵鎳基耐蝕合金等。

 

    一、國(guó)外用材情況

 

    1、材料分類及主要性能

 

    與海洋平臺(tái)用微合金化結(jié)構(gòu)鋼材料不同，海洋平臺(tái)用特殊鋼材料普遍都是高合金體系的 Ni-Cr 或 Cr-Ni-Mo 基不銹鋼、超級(jí)不銹鋼或耐蝕合金材料，一般都具有高點(diǎn)蝕當(dāng)量、高純凈度以及N 合金化等特點(diǎn)。使用這些高合金材料制備的海洋平臺(tái)典型件如儲(chǔ)運(yùn)、工藝管道、脫鹽、換熱器、油井管、鉆探和樁腿等，為滿足其特殊的服役工況條件，普遍具備高強(qiáng)度、高耐蝕性或兼而有之。通常而言，耐蝕性和強(qiáng)度是海洋平臺(tái)用特殊鋼材料的兩個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)。目前國(guó)外海洋平臺(tái)用先進(jìn)特殊鋼鋼種主要包括超級(jí)奧氏體不銹鋼、超級(jí)鐵素體不銹鋼、高強(qiáng)度奧氏體無(wú)磁不銹鋼、鎳基和鐵鎳基耐蝕合金等，這幾類特殊鋼材料因其合金成分體系設(shè)計(jì)不同而性能各有所長(zhǎng)。

    （1） 高 Mo 含 量 的 Cr-Ni-Mo 超級(jí)奧氏體不銹鋼。對(duì)于超級(jí)奧氏體不銹鋼而言，普遍具有較高的 Cr、Ni 含量、 一 定 的 Mo 含 量（6% ～ 7%），具有在較高溫度優(yōu)異的耐局部腐蝕和均勻腐蝕的能力，其點(diǎn)蝕當(dāng)量 PREN 值（Cr+3.3Mo+16N）一般都達(dá)到30以上，部分材料甚至高達(dá) 50 以上，這確保了此類材料優(yōu)異的耐蝕性能；同時(shí)合理的N 合金化使其兼具了較高的強(qiáng)度和塑韌性。

    （2）鎳基或鐵鎳基耐蝕合金。對(duì)于鎳基或鐵鎳基耐蝕合金來(lái)說(shuō)，其 Cr、Ni、Mo 合金含量更高，在熱帶水域和離子介質(zhì)復(fù)雜的條件下比超級(jí)奧氏體不銹鋼具有更為突出的耐局部腐蝕、應(yīng)力腐蝕性能。可廣泛應(yīng)用于油氣媒介、油水分離或其他更為苛刻的化工工藝管道、泵閥和離心機(jī)等工礦條件。

    （3）高氮奧氏體不銹鋼。極高的N 合金含量大幅度提升了材料的強(qiáng)度指標(biāo)，使其具有室高溫條件下顯著優(yōu)異的強(qiáng)度性能，由于采用了 Mn-N 代 Ni 成為奧氏體穩(wěn)定元素，使其在性能優(yōu)異的同時(shí)具有較低的生產(chǎn)成本。由于近年來(lái)其合金體系的不斷優(yōu)化，以及一定的 Mo元素加入，使其也具備了優(yōu)良的耐局部腐蝕性，Cr 含量的不斷提升以及 C 元素的進(jìn)一步降低，改善了材料的耐晶間腐蝕性能。

    2、應(yīng)用領(lǐng)域

 

    高性能的海洋平臺(tái)用特殊鋼材料在國(guó)外早已商業(yè)化生產(chǎn)多年，典型的生產(chǎn)廠商包括瑞典山特維克（Sandvik）、德國(guó)蒂森克虜伯（ThyssenKrupp）、芬蘭奧托昆普（Outokumpu）、日本冶金（Yakin）、美國(guó)阿里根尼（ATIAllegheny）、美國(guó)特種金屬（SMC）、奧地利伯樂(lè)（Bohler）、美國(guó)卡朋特（Carpenter）等，其中代表性的海洋油氣資源開(kāi)發(fā)工程用高性能Cr-Ni-Mo-N 體系超級(jí)奧氏體不銹鋼和耐蝕合金材料有：

    （1） 含 N 的 Mo 合金化高性能超級(jí)奧氏體不銹鋼：

    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 的高強(qiáng)無(wú)磁奧氏體不銹鋼：

    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） 耐蝕性能優(yōu)異的 Ni-Cr-Mo 耐蝕 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。

    上述高性能奧氏體和超級(jí)奧氏體不銹鋼及耐蝕合金產(chǎn)品已在海洋平臺(tái)上方、水下輸送管道及泵閥、井下鉆探三大類應(yīng)用領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。目前已在諸如北海油田、波斯灣油田、墨西哥灣油田等數(shù)百個(gè)海洋油田的平臺(tái)建設(shè)中的大量使用，具體應(yīng)用領(lǐng)域如下：

    （1） 海洋平臺(tái)上方

 

    海水管道：254SMO、Incoloy825；凸 輪 裝 置：254SMO、654SMO、AL-6XN；板式換熱器：654SMO、AL-6XN、NAS354N、Nicrofer3127hMo、Carpenter20Cb-3；海水脫鹽系統(tǒng)：254SMO、Nicrofer3127hMo、Nicrofer33；殼體：654SMO、AL-6XN；管式換熱器：654SMO、AL-6XN、NAS354N、Nicrofer3127hMo、Carpenter20Cb-3；離心分離機(jī)：654SMO、AL-6XN；重力分離機(jī)：904L、AL-6XN。

    （2） 水下輸送管道及泵閥

 

    油氣輸送復(fù)合管道、閥門總成和管線懸掛器、跳線和跨接線、纜帶浮力組件、提升管和流動(dòng)管：Inconel-625、254SMO、AL-6XN、Sanicro28、Incoloy825；歧 管：254SMO、AL-6XN、NAS800HT。

    （3） 井下鉆探

 

    MWD無(wú)磁腔室、無(wú)磁鉆鋌、穩(wěn)定器、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆探單元：P550、15-15HS、Datalloy-2、Inconel-718。

    （4） 其他單元：

    平臺(tái)支撐結(jié)構(gòu)件：NAS254N、AL-6XN；防火防爆墻：316L、P530；墻壁包裹層：316L、P530；電纜盤：316L、P530；樓梯、通道和電梯：316L、P530；天然氣系統(tǒng)：316L、P530。

    二、國(guó)內(nèi)海洋工程用材發(fā)展現(xiàn)狀

 

    1、生產(chǎn)和應(yīng)用現(xiàn)狀

 

    據(jù)中海油海洋油氣項(xiàng)目采購(gòu)部門的內(nèi)部資料顯示，由于我國(guó)海工用特殊鋼材料生產(chǎn)起步較晚、研制生產(chǎn)停滯不前，導(dǎo)致海工用特殊鋼及關(guān)鍵裝備絕大部分依賴進(jìn)口，均直接從 Bohler、Alfa-Laval、Butting、Cameron、IntecSEA、CladTek、Flowserve、Goulds、Heatric 等國(guó)外廠商采購(gòu)。據(jù)中海油開(kāi)發(fā)工程設(shè)計(jì)公司的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示：目前海洋平臺(tái)工藝設(shè)備中進(jìn)口份額約占總造價(jià)的3% ～ 5%；工藝管道和儲(chǔ)運(yùn)管道約占總造價(jià)的 15% ～ 30%；因此單一平臺(tái)項(xiàng)目中進(jìn)口份額目前要占到平臺(tái)總造價(jià)的 30% ～ 40%。由于進(jìn)口高性能特殊鋼關(guān)鍵部件而產(chǎn)生的費(fèi)用可高達(dá) 4 億美元，約合人民幣 28 億元。

    2、國(guó)內(nèi)本領(lǐng)域新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展問(wèn)題

 

    我國(guó)目前海工用特殊鋼領(lǐng)域工業(yè)化生產(chǎn)及下游平臺(tái)用海工裝備部件的制造均已有一定程度的開(kāi)展。部分典型部件如鉆具、管道、換熱器、泵閥等已在陸海油氣田以及石化工業(yè)中得到初步應(yīng)用。但就材料制備、裝備制造等領(lǐng)域的具體工藝現(xiàn)狀來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)相關(guān)行業(yè)、企業(yè)、應(yīng)用等均存在較為典型的問(wèn)題如發(fā)展模式問(wèn)題、缺乏必要的、系列的材料品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)工藝規(guī)范、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等、科研部門產(chǎn)學(xué)研嚴(yán)重脫節(jié)、生產(chǎn)廠家技術(shù)工藝問(wèn)題。

    3、本領(lǐng)域新材料研發(fā)方向及發(fā)展模式：

    高強(qiáng)度無(wú)磁不銹鋼、超級(jí)奧氏體不銹鋼和耐蝕合金是未來(lái)我國(guó)海工用特鋼國(guó)產(chǎn)化需重點(diǎn)攻關(guān)的三大類鋼種，應(yīng)用覆蓋海洋油氣的鉆采儲(chǔ)輸?shù)拳h(huán)節(jié)。在目前研制和生產(chǎn)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，各鋼種均具有自身獨(dú)特的發(fā)展趨勢(shì)：

    （1）高強(qiáng)度無(wú)磁不銹鋼的發(fā)展趨勢(shì)是高強(qiáng)度、高耐蝕、無(wú)磁性和低成本。通過(guò)足夠的 N 含量確保以上性能指標(biāo)。國(guó)內(nèi)目前已有部分企業(yè)生產(chǎn)此類產(chǎn)品，但其合金體系設(shè)計(jì)落后，強(qiáng)度、晶間腐蝕性能、熱變形加工工藝與國(guó)外相比差距很大。如何提高該類產(chǎn)品性能、優(yōu)化合金體系是此類材料的研發(fā)重點(diǎn)。

    （2）超級(jí)奧氏體不銹鋼的發(fā)展趨勢(shì)是高強(qiáng)度和高耐蝕性，通過(guò)高 Cr、Ni、Mo 含量確保足夠的耐蝕性能，通過(guò)適量的N含量確保兼具優(yōu)異的力學(xué)性能，通過(guò)合理的熱變形工藝確保無(wú)開(kāi)裂、高成材率。合金體系的創(chuàng)新和理論設(shè)計(jì)是此類材料的研發(fā)重點(diǎn)。

    （3）耐蝕合金的發(fā)展趨勢(shì)是極高的耐蝕性和良好的加工工藝性能，通過(guò)極高的 Cr、Ni、Mo 含量保證優(yōu)異的耐局部和全面腐蝕性能，重點(diǎn)解決管材、板材的冶煉、熱擠壓、熱軋等制備技術(shù)，解決此類材料從無(wú)到有、有價(jià)無(wú)貨的問(wèn)題。

 

    我國(guó)海洋工程用特殊鋼產(chǎn)業(yè)發(fā)展的模式也應(yīng)當(dāng)逐步走上良性軌道。海洋油氣平臺(tái)項(xiàng)目應(yīng)當(dāng)積極大膽地提出對(duì)主要關(guān)鍵部件最新、最前沿的需求、性能指標(biāo)，通過(guò)設(shè)計(jì)部門和材料研發(fā)單位的通力配合，逐步實(shí)現(xiàn)材料和裝備國(guó)產(chǎn)化、規(guī)模化和工程化，使我國(guó)海工用特殊鋼走上良性發(fā)展的模式。國(guó)家層面也應(yīng)由項(xiàng)目、企業(yè)和科研院所牽頭，出臺(tái)相應(yīng)的行業(yè)和材料標(biāo)準(zhǔn)，使海洋平臺(tái)用先進(jìn)特殊鋼材料的產(chǎn)學(xué)研各個(gè)環(huán)節(jié)更加規(guī)范化和法制化。

 

06 各類型船舶關(guān)鍵高端用鋼大匯總

 

    引言

 

    近年來(lái)，我國(guó)的海洋工程與船舶工業(yè)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了歷史性的跨越，產(chǎn)業(yè)規(guī)模迅速擴(kuò)大，綜合實(shí)力顯著增強(qiáng)，國(guó)際地位大幅度提升。但我國(guó)和世界上先進(jìn)的船舶制造及海洋工程裝備設(shè)計(jì)制造技術(shù)相比，還存在一定差距。

    目前，我國(guó)船舶與海工用鋼已能滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的大部分需求，但部分高級(jí)別的特種鋼材仍依賴進(jìn)口。特殊用鋼主要指具有高強(qiáng)度、大厚度、抗層狀撕裂、大熱輸入焊接、耐腐蝕、超低溫韌性、高止裂性能的鋼板，其生產(chǎn)工藝嚴(yán)格，對(duì)設(shè)備穩(wěn)定性要求高，開(kāi)發(fā)難度大。下面就簡(jiǎn)要介紹下這些船舶用鋼中的高端鋼材：

    液化氣體運(yùn)輸船用低溫鋼

 

    液化氣作為一種天然資源，地區(qū)間分布不均，國(guó)際間運(yùn)輸主要通過(guò)液化氣體專用運(yùn)輸船進(jìn)行，包括 LPG 船和 LNG 船。隨著 LNG 工業(yè)的迅猛發(fā)展，9Ni 低溫鋼的研究和開(kāi)發(fā)熱度持續(xù)升溫，LNG 儲(chǔ)存溫度為 -163℃，要求 LNG 儲(chǔ)罐內(nèi)壁用 9Ni 鋼具有較高的強(qiáng)度、良好的低溫韌性和較小的波動(dòng)。

 

    另一個(gè)重要的低溫用鋼是 LNG 船用 Invar 合金，Invar 合金薄帶是薄膜型 LNG 船的必備材料，應(yīng)用于貨艙圍護(hù)系統(tǒng)。Invar合金是 Ni=36%，熱膨脹系數(shù)極低，能在很寬的溫度范圍內(nèi)保持固定尺寸，適合常溫至 -163℃的溫度變化。由于我國(guó)船廠接受了多艘 LNG 船訂單，所以對(duì) Invar 合金的國(guó)產(chǎn)化提出了迫切需求。

    大熱輸入焊接用船板的開(kāi)發(fā)

 

    焊接是船體制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，約占船舶制造成本的17%。隨著船板厚度規(guī)格的增加，開(kāi)發(fā)具有高焊接熱輸入適應(yīng)性的鋼板以提高焊接效率成為船體建造需重點(diǎn)解決的問(wèn)題。大熱輸入焊接用鋼是指焊接熱輸入在 400kJ/cm 以上的鋼種。

    提高焊接熱輸入，必須解決焊接熱影響區(qū)（HAZ）韌性降低的問(wèn)題。提高 HAZ 韌性的方法包括采用低碳當(dāng)量的合金設(shè)計(jì)、細(xì)化 HAZ 晶粒尺寸及改善 HAZ 晶內(nèi)組織。

    油船貨油艙用耐腐蝕鋼

 

    隨著深海開(kāi)發(fā)和遠(yuǎn)洋航運(yùn)的發(fā)展，對(duì)船板及海洋結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性提出了越來(lái)越高的要求，包括耐大氣腐蝕、耐海水腐蝕以及耐原油腐蝕。其中，油船貨油艙耐蝕鋼是近十年來(lái)國(guó)際上研究開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。

    油船是國(guó)際間原油運(yùn)輸?shù)闹匾ぞ撸湄浻团撝饕捎媚臀g性較差的 AH32、AH36 鋼板，采用涂層方式進(jìn)行腐蝕防護(hù)。對(duì)于涂層保護(hù)形式，需定期進(jìn)行涂層維護(hù)，耗費(fèi)高、工期長(zhǎng)，且施工環(huán)境惡劣。2010 年，國(guó)際海事組織（IMO）將使用耐蝕鋼認(rèn)定為保護(hù)涂層的可替代方案，2013 年，IMO 船用耐蝕鋼性能標(biāo)準(zhǔn)正式實(shí)施。

    此外，為了提高海洋結(jié)構(gòu)物的壽命，需要開(kāi)發(fā)耐海水腐性能的試驗(yàn)方法主要有日本船級(jí)社提出的 ESSO 試驗(yàn)和雙重拉伸試驗(yàn)。

 

    蝕性以及耐海洋微生物腐蝕性良好的鋼板，特別是在南海海域高濕熱、強(qiáng)輻射、高 Cl - 海洋環(huán)境中。

    高止裂韌性船用鋼板

 

    大型集裝箱船普遍采用高強(qiáng)度和大厚度的鋼板，大厚度使得鋼板的受力狀態(tài)發(fā)生改變，抗開(kāi)裂性能下降，一旦在極厚板中出現(xiàn)裂紋，該裂紋將會(huì)沿著焊縫不斷傳播，即使進(jìn)入母材，裂紋也不會(huì)停止擴(kuò)散。為保證船體結(jié)構(gòu)的安全可靠，對(duì)材料的止裂性能提出了更高的要求。 目前評(píng)價(jià)船用鋼止裂性能的試驗(yàn)方法主要有日本船級(jí)社提出的 ESSO 試驗(yàn)和雙重拉伸試驗(yàn)。

 

    海洋平臺(tái)特厚齒條鋼

 

    隨著海洋石油工業(yè)的深入開(kāi)展和鉆采難度的加大，自升式鉆井平臺(tái)用齒條鋼提出了大厚度、高強(qiáng)度、高韌性的發(fā)展需求，這類產(chǎn)品一般使用調(diào)質(zhì)熱處理狀態(tài)交貨。但是，隨著齒條鋼厚度的增加，截面厚度方向上組織、性能差異增大，提高特厚齒條鋼的淬透性成為這類產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)。

 

 

    船舶與海工用特種鋼是海洋結(jié)構(gòu)物建造中的關(guān)鍵材料，目前國(guó)內(nèi)還大量進(jìn)口，是國(guó)內(nèi)造船行業(yè)急需的鋼材。推進(jìn)我國(guó)高技術(shù)船舶與海洋工業(yè)的發(fā)展，大量關(guān)鍵技術(shù)需要突破，核心問(wèn)題之一就是船舶與海工用特種鋼的推廣與應(yīng)用，需要冶金企業(yè)與造船業(yè)共同努力，早日實(shí)現(xiàn)多品種、多規(guī)格的工業(yè)化供貨。

 

07 我國(guó)船舶與海工用特種鋼將如何發(fā)展

 

    船舶和海工是海洋鋼結(jié)構(gòu)物的兩大體系，其建造都需要大量的鋼鐵產(chǎn)品，鋼材占其建造成本的 20%~30%，船體用鋼量占其總質(zhì)量的 60%。目前，我國(guó)船舶與海工用鋼已能滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的大部分需求，但部分高級(jí)別的特種鋼材仍大量依賴進(jìn)口。特殊用鋼主要指具有高強(qiáng)度、大厚度、抗層狀撕裂、大熱輸入焊接、耐腐蝕、超低溫韌性、高止裂性能的鋼板，其生產(chǎn)工藝嚴(yán)格，對(duì)設(shè)備穩(wěn)定性要求高，開(kāi)發(fā)難度大。

    本文將在介紹普通船舶及海工用鋼的基礎(chǔ)上，對(duì)國(guó)內(nèi)特殊鋼的發(fā)展現(xiàn)狀及性能特點(diǎn)進(jìn)行論述。

 

    1. 我國(guó)船舶與海工用鋼的發(fā)展現(xiàn)狀

 

    船舶用鋼主要是船體結(jié)構(gòu)用鋼板，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，我國(guó)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的形式頒布，主要包括 CCS 船級(jí)社規(guī)范和 GB712《船舶及海洋工程用鋼》，鋼級(jí)涵蓋了早期大型船體采用的一般強(qiáng)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(qiáng)度鋼，如表 1 所示。

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

    海工用鋼由于其特殊性，用戶在建造海洋平臺(tái)時(shí)，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(tái)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。

 

 

    2. 船舶與海工用特種鋼板的開(kāi)發(fā)及性能特點(diǎn)

 

    （1）液化氣體運(yùn)輸船用低溫鋼。液化氣作為一種天然資源，地區(qū)間分布不均，國(guó)際間運(yùn)輸主要通過(guò)液化氣體專用運(yùn)輸船進(jìn)行，包括 LPG 船和 LNG 船。CCS《材料與焊接規(guī)范》規(guī)定了建造液化氣體運(yùn)輸船的液貨艙及其相鄰船體結(jié)構(gòu)用的低溫韌性鋼。包括使用溫度在 -55℃以上的 C-Mn 鋼和使用溫度在 -60 ～ -196℃的 Ni 合金鋼，其中 9Ni 鋼是建造自撐式 LNG船儲(chǔ)罐最主要的鋼種，國(guó)內(nèi)的鞍鋼、南鋼、太鋼、寶鋼都具備了生產(chǎn)能力，南鋼生產(chǎn)的船用 9Ni 鋼板通過(guò)了多家船級(jí)社的認(rèn)證。

    另一個(gè)重要的低溫用鋼是 LNG 船用 Invar 合金，Invar 合金薄帶是薄膜型 LNG 船的必備材料，應(yīng)用于貨艙圍護(hù)系統(tǒng)。Invar合金 wNi=36%，熱膨脹系數(shù)極低，能在很寬的溫度范圍內(nèi)保持固定尺寸，適合常溫至 -163℃的溫度變化。由于我國(guó)滬東中華、大連船廠都接受了多艘 LNG 船訂單，所以對(duì) Invar 合金的國(guó)產(chǎn)化提出了迫切需求。

    （2）大熱輸入焊接用船板的開(kāi)發(fā) 焊接是船體制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，約占船舶制造成本的17%。隨著船板厚度規(guī)格的增加，開(kāi)發(fā)具有高焊接熱輸入適應(yīng)性的鋼板以提高焊接效率成為船體建造需重點(diǎn)解決的問(wèn)題。大熱輸入焊接用鋼是指焊接熱輸入在 400kJ/cm 以上的鋼種。

    提高焊接熱輸入，必須解決焊接熱影響區(qū)（HAZ）韌性降低的問(wèn)題。提高 HAZ 韌性的方法包括采用低碳當(dāng)量的合金設(shè)計(jì)、細(xì)化 HAZ 晶粒尺寸及改善 HAZ 晶內(nèi)組織。TiN 粒子在焊接過(guò)程中能阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大，因此被首先應(yīng)用于大熱輸入焊接技術(shù)。但隨著焊接熱輸入的提高，TiN 粒子會(huì)發(fā)生粗化、重熔，失去對(duì)奧氏體晶粒長(zhǎng)大的抑制作用。若使焊接熱輸入達(dá)到 400kJ/cm，需采用氧化物冶金技術(shù)，通過(guò) Ti-O、Mg-O、Ti-B 等處理技術(shù)，利用鋼液中形成的氧化物質(zhì)點(diǎn)阻止焊接熱循環(huán)過(guò)程奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，促進(jìn)晶內(nèi)針狀鐵素體的形核，從而細(xì)化 HAZ 組織，改善其韌性。

    CCS《材料與焊接規(guī)范》規(guī)定了適應(yīng)高熱輸入焊接的船體結(jié)構(gòu)鋼，在某一等級(jí)船舶與海工用鋼的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)化學(xué)成分的少量調(diào)整，獲得高的焊接熱輸入。除了要滿足母級(jí)鋼的全部性能要求外，還要求距熔合線 5mm 和 10mm 兩處熱影響區(qū)的沖擊試驗(yàn)。

    （3）耐蝕鋼。隨著深海開(kāi)發(fā)和遠(yuǎn)洋航運(yùn)的發(fā)展，對(duì)船板及海洋結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性提出了越來(lái)越高的要求，包括耐大氣腐蝕、耐海水腐蝕以及耐原油腐蝕。其中，油船貨油艙耐蝕鋼是近十年來(lái)國(guó)際上研究開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。

    油船是國(guó)際間原油運(yùn)輸?shù)闹匾ぞ撸湄浻团撝饕捎媚臀g性較差的 AH32、AH36 鋼板，采用涂層方式進(jìn)行腐蝕防護(hù)。對(duì)于涂層保護(hù)形式，需定期進(jìn)行涂層維護(hù)，耗費(fèi)高、工期長(zhǎng)，且施工環(huán)境惡劣。2010 年，國(guó)際海事組織（IMO）將使用耐蝕鋼認(rèn)定為保護(hù)涂層的可替代方案，2013 年，IMO 船用耐蝕鋼性能標(biāo)準(zhǔn)正式實(shí)施。在工信部的組織下，我國(guó)寶鋼、鞍鋼等企業(yè)開(kāi)展了基于 IMO 標(biāo)準(zhǔn)的船用耐蝕鋼應(yīng)用技術(shù)研究。目前，已基本完成了 E36 級(jí)別耐蝕鋼及相關(guān)焊材的開(kāi)發(fā)。鞍鋼鋼板已經(jīng)申報(bào)船級(jí)社認(rèn)證，并向 3.8 萬(wàn) t 級(jí)大慶 435 油輪示范改裝船貨油艙內(nèi)底板和上甲板供貨 1000 多 t。

    此外，為了提高海洋結(jié)構(gòu)物的壽命，需要開(kāi)發(fā)耐海水腐蝕性以及耐海洋微生物腐蝕性良好的鋼板，特別是在南海海域高濕熱、強(qiáng)輻射、高 Cl - 海洋環(huán)境中。我國(guó)耐海水腐蝕鋼已經(jīng)過(guò)了多年發(fā)展，開(kāi)發(fā)了 Cr-Mo-Al、Cr-Cu-Mo 等多種成分體系的耐海水腐蝕鋼，但一般都應(yīng)用于近海。如寶鋼開(kāi)發(fā)的 Q345C—NHY3 向東海洋山深水港碼頭供貨 30 萬(wàn) t 以上。其他鋼種，如 10Cr2MoAl Ｒ E、08PV Ｒ E、09MnCuPTi、0MnPNbＲ E、10NiCuAs、10CrMoAl 等已通過(guò)鑒定，但尚未推廣，在大型固定式和移動(dòng)式海洋結(jié)構(gòu)件上應(yīng)用較少。

    （4）高止裂性能鋼板 大型集裝箱船普遍采用高強(qiáng)度和大厚度的鋼板，大厚度使得鋼板的受力狀態(tài)發(fā)生改變，抗開(kāi)裂性能下降，一旦在極厚板中出現(xiàn)裂紋，該裂紋將會(huì)沿著焊縫不斷傳播，即使進(jìn)入母材，裂紋也不會(huì)停止擴(kuò)散。為保證船體結(jié)構(gòu)的安全可靠，對(duì)材料的止裂性能提出了更高的要求。

    目前評(píng)價(jià)船用鋼止裂性能的試驗(yàn)方法主要有 ESSO 試驗(yàn)和雙重拉伸試驗(yàn)。日本船級(jí)社提出采用梯度溫度型 ESSO 試驗(yàn)方法測(cè)定止裂韌性 Kca 作為止裂性能表征參量，并提出了相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)值，要求 -10℃的止裂韌性 Kca ≥ 6000N/mm 3/2 。國(guó)內(nèi)，七二五所采用雙重拉伸試驗(yàn)方法為寶鋼提供了 EH47 鋼止裂性能試驗(yàn)報(bào)告，已通過(guò)了法國(guó)船級(jí)社的審核，雙重拉伸試驗(yàn)也被編入了 CCS《船用高強(qiáng)度超厚板應(yīng)用指南》。2014年1月國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)（IACS）“統(tǒng)一要求”正式生效后，寶鋼、沙鋼先后與七二五研究所簽訂了 EH47 鋼 80mm 厚板止裂性能檢測(cè)及相關(guān)技術(shù)服務(wù)合同。

    （5）海洋平臺(tái)用超高強(qiáng)度鋼在開(kāi)發(fā)海洋油氣資源，建造海洋平臺(tái)的過(guò)程中，為了減輕平臺(tái)自重，提高平臺(tái)安全性，超高強(qiáng)鋼的應(yīng)用越來(lái)越普遍，且強(qiáng)度也越來(lái)越高。在自升式平臺(tái)及半潛式平臺(tái)的建造中，超高強(qiáng)鋼的使用量越來(lái)越大。

    自升式平臺(tái)具有用鋼量少、造價(jià)低及效率高等優(yōu)點(diǎn)，在近海開(kāi)發(fā)中發(fā)揮了巨大作用。升降系統(tǒng)是自升式平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)，多采用齒輪齒條的升降方式。隨著平臺(tái)工作水深的增加，齒條鋼的厚度不斷增大，性能要求也越來(lái)越嚴(yán)格。齒條是樁腿的核心部件，樁腿所承受的各種載荷最終都會(huì)直接或間接的作用在齒條上，因此齒條材料必須具有較高的強(qiáng)度和韌性，齒條及半圓板用鋼主要采用 ASTM 標(biāo)準(zhǔn)中的 A517Q/A514Q。A517Q 屈服強(qiáng)度為 690MPa，要求 -40℃低溫沖擊韌性。其厚度一般在 150mm 以上，具有沖擊韌性高、抗層狀撕裂好、耐海水腐蝕等優(yōu)異性能。目前舞鋼、寶鋼都具有供貨實(shí)績(jī)。

    此外，在我國(guó)第六代深水半潛式鉆進(jìn)平臺(tái)海洋石油 981 平臺(tái)的建造中，局部采用 36mm 以上 56kg 及 70kg 級(jí)超高強(qiáng)度鋼EQ56/EQ70，共 200t，全部從國(guó)外進(jìn)口。目前，寶鋼等已能夠生產(chǎn)EQ70鋼種，且向振華重工、招商局重工等300～400ft（英尺）（1ft=304.8mm）自升式海洋平臺(tái)供貨。

    3. 船舶與海工用鋼板的加工難點(diǎn)

 

    對(duì)于船舶與海工用鋼，其加工重點(diǎn)及難點(diǎn)都在焊接成形方面。焊接的難易及焊接質(zhì)量的好壞，決定了海洋鋼結(jié)構(gòu)物的最終使用性能。此外，鋼板在切割過(guò)程中也容易形成裂紋，需加以注意。

    （1）超高強(qiáng)鋼焊接。隨著強(qiáng)度級(jí)別的提高，碳及合金元素加入量增大，容易引起焊接熱影響區(qū)的脆化和形成冷熱裂紋。此外，焊接接頭熱影響區(qū)軟化也是細(xì)晶粒鋼焊接時(shí)普遍存在的問(wèn)題，因此解決高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的焊接成形問(wèn)題，已經(jīng)成為高強(qiáng)度船板鋼是否能得到有效應(yīng)用的關(guān)鍵。

    A517Q 屬于船舶與海工用鋼中強(qiáng)度級(jí)別最高的鋼種，目前國(guó)內(nèi)多家鋼廠已通過(guò)了船級(jí)社認(rèn)證且有了生產(chǎn)實(shí)績(jī)。作為齒條板制造材料，A517Q 必須具有較高的強(qiáng)度和韌性和焊接性。A517Q 的碳當(dāng)量及冷裂紋敏感性系數(shù)較高，焊接性較差，具有較大的淬硬傾向，易產(chǎn)生冷裂紋。在船級(jí)社認(rèn)證過(guò)程，需對(duì)母材進(jìn)行焊接性能試驗(yàn)。為了獲得強(qiáng)度、塑性及韌性的最佳匹配，焊接過(guò)程中應(yīng)綜合采用焊前預(yù)熱、最佳熱輸入控制、焊后緩冷、層間溫度控制等措施。

    （2）大熱輸入焊接技術(shù) 作為船舶建造中最長(zhǎng)的工序，焊接效率的高低決定了船舶建造的成本和交貨周期。為了提高焊接效率，需提高焊接熱輸入。目前船廠多采用多絲埋弧焊、氣電立焊、電渣焊等高效焊接方法，與傳統(tǒng)焊條電弧焊相比，焊接效率可以提高 10 倍以上。船級(jí)社規(guī)定，焊接熱輸入超過(guò) 50kJ/cm 即為大熱輸入焊接。對(duì)于船板，厚度規(guī)格達(dá)到 80mm，很多情況下要求一次焊接成形，焊接熱輸入可達(dá)到500kJ/cm。對(duì)于該工藝，關(guān)鍵是采用具有大熱輸入焊接適應(yīng)性的鋼板，此外，還應(yīng)開(kāi)發(fā)相應(yīng)的焊材，采用適當(dāng)?shù)暮附臃椒ā?/span>

    （3）特厚板切割技術(shù) 海洋平臺(tái)樁腿用鋼主要采用690MPa 級(jí)別的 Z 向鋼，最大厚度可達(dá)到 210mm。高強(qiáng)度、大厚度板材的切割是一個(gè)復(fù)雜的熱加工過(guò)程。目前，厚度＞100mm 的高強(qiáng)鋼板主要采用氧乙炔氣體切割。切割后的邊隨著鋼板的自然冷卻會(huì)產(chǎn)生收縮應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)將產(chǎn)生較復(fù)雜的變形，甚至產(chǎn)生裂紋。另一方面，作為焊接生產(chǎn)的前工序，切割引起的殘余應(yīng)力和應(yīng)變將直接影響焊接裝配的質(zhì)量。

    以自升式平臺(tái)齒條用鋼為例，A517Q 厚板經(jīng)切割后可直接應(yīng)用于升降齒條，無(wú)需再加工，為此對(duì)切割技術(shù)提出了極高的要求。切割過(guò)程要保證切割表面的光潔性，同時(shí)還要防止鋼板的變形，為此需要采用合適的切割工藝和技術(shù)，如采用雙頭對(duì)稱的切割技術(shù)等。此外，可以在切割前對(duì)大厚度鋼板進(jìn)行預(yù)熱以清除鋼板表面水分。

    4. 船舶與海工用特種鋼材的應(yīng)用前景

 

    21 世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，不論是海洋運(yùn)輸還是海洋資源開(kāi)發(fā)都將進(jìn)入高速發(fā)展期，由此帶動(dòng)船舶與海洋工程制造的快速增長(zhǎng)。船舶的大型化、海洋資源開(kāi)發(fā)的深海化，將大量采用具有特殊性能的船舶與海工用鋼。

    在船舶方面，隨著人類環(huán)保意識(shí)的提高，清潔能源如石油氣和天然氣在能源消耗方面的比重將逐漸提升，液化石油氣和液化天然氣在國(guó)際上的運(yùn)輸將變得更加頻繁，催生 LPG船與 LNG 船的大量應(yīng)用，這就需要大量低溫鋼，如 9Ni 鋼和Invar 合金等。原油輪，貨油艙耐腐蝕板用鋼量占到總用鋼量的 40% ～ 45%，以建造一艘 30 萬(wàn) t 級(jí)超大型油輪為例，船體結(jié)構(gòu)總用鋼量近 4 萬(wàn) t，其中貨油艙部分用鋼量約 1.7 萬(wàn) t，占整個(gè)船體結(jié)構(gòu)總用鋼量的 42%，耐原油腐蝕鋼板具有巨大的市場(chǎng)需求。對(duì)于高止裂船板，在集裝箱船方面，主要應(yīng)用于艙口圍欄；對(duì)于散貨船，可應(yīng)用于艙口蓋和甲板裝置，以及有側(cè)肋骨的船側(cè)板；對(duì)于油輪，可應(yīng)用于船舷側(cè)板，船底側(cè)板。目前，多家船級(jí)社標(biāo)準(zhǔn)已對(duì)船板的止裂性能提出要求。

    未來(lái)幾年，在海工方面我國(guó)將有 30 多個(gè)油氣田待開(kāi)發(fā)，需建造 70 多座平臺(tái)，300ft 自升式平臺(tái)，每座平臺(tái)需 EQ70鋼 950 ～ 1050t，400ft 自 升 式 平 臺(tái)， 每 座 平 臺(tái) 需 EQ70 鋼2300 ～ 2400t，特殊高強(qiáng)度鋼的需求量在 10 萬(wàn) t 以上。

    5. 結(jié)語(yǔ)

 

    本文總結(jié)了船舶與海工用特種鋼的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了此類鋼的性能特點(diǎn)、加工難點(diǎn)以及應(yīng)用前景。船舶與海工用特種鋼是海洋結(jié)構(gòu)物建造中的關(guān)鍵材料，目前國(guó)內(nèi)還大量進(jìn)口，是國(guó)內(nèi)造船行業(yè)急需的鋼材。推進(jìn)我國(guó)高技術(shù)船舶與海洋工業(yè)的發(fā)展，大量關(guān)鍵技術(shù)需要突破，核心問(wèn)題之一就是船舶與海工用特種鋼的推廣與應(yīng)用，需要冶金企業(yè)與造船業(yè)共同努力，早日實(shí)現(xiàn)多品種、多規(guī)格的工業(yè)化供貨。

 

（來(lái)源：作者：蘆曉輝、高珊、張才毅，寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院）

 

08 一文了解鋼結(jié)構(gòu)用主要鋼材

 

    鋼結(jié)構(gòu)用主要鋼材

 

    鋼廠開(kāi)發(fā)了各種各樣的鋼材，廣泛應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)。所開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的鋼材特征用一句話來(lái)說(shuō)，就是鋼材的“多樣性”。第一特征是“強(qiáng)度的多樣性”，鋼材的強(qiáng)度范圍涵蓋了從超高強(qiáng)度到極低強(qiáng)度的各種鋼材；第二特征是“功能的多樣性”。開(kāi)發(fā)了焊接性、韌性尤其是耐蝕性和變形能力高的各種鋼材。低屈強(qiáng)比、窄屈服點(diǎn)范圍和高耐火性是日本獨(dú)自設(shè)定的性能要求，一部分已被歐美標(biāo)準(zhǔn)采用；第三特征是與鋼材產(chǎn)品形狀有關(guān)的特征，在這里稱為“斷面的多樣性”。采用熱軋法可以生產(chǎn)大斷面材、極厚材和非對(duì)稱斷面材等，不僅可以為用戶提供形狀自由度高的鋼材產(chǎn)品，而且可以為用戶提供各種尺寸規(guī)格的鋼材產(chǎn)品。

    1 有助于鋼結(jié)構(gòu)大型化的高強(qiáng)度厚鋼板

 

    在橋梁用鋼方面，將數(shù)個(gè)橫梁并排構(gòu)成的桁架橋（板梁）的建造，加快了鋼材高強(qiáng)度化的發(fā)展。在 1950 年代使用了抗拉強(qiáng)度為500N/mm 2 級(jí)的厚鋼板，在 1960 年代使用了抗拉強(qiáng)度為 600N/mm 2 級(jí)的厚鋼板。其后，橋梁的大跨度化為桁架橋和吊橋等結(jié)構(gòu)形式的創(chuàng)新起了重要作用。到了 1960 年代后期，厚鋼板的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了 800N/mm 2 。當(dāng)時(shí)的高強(qiáng)度鋼都是一些含 Ni、Mn 和 Cr等合金元素較多的鋼材。雖然這些鋼材的強(qiáng)度高，但焊接性是一個(gè)問(wèn)題。為解決這一問(wèn)題，日本在 1998 年完工的明石海峽大橋中，開(kāi)發(fā)了低預(yù)熱型 800N/mm 2 級(jí)鋼作為加勁梁用鋼。該鋼種通過(guò)將當(dāng)時(shí)作為最新的 TMCP 技術(shù)和析出強(qiáng)化技術(shù)進(jìn)行組合后，可提高鋼材的焊接性，成功地將以往的預(yù)熱溫度由 100℃以上降到了 50℃左右。

    自 1990 年代以來(lái)，高強(qiáng)度鋼在建筑物的應(yīng)用取得了進(jìn)展。1993 年抗拉強(qiáng)度為 600N/mm 2 級(jí)鋼在橫濱陸上燈塔的應(yīng)用就是一個(gè)代表例。自 2000 年以來(lái)，被稱作阻尼器的抗震裝置（制振結(jié)構(gòu)）得到了普及應(yīng)用，它可吸收建筑物因地震而產(chǎn)生的振動(dòng)能量，減輕建筑物的柱和梁的損壞程度。雖然高強(qiáng)度鋼在建筑物的應(yīng)用時(shí)間比橋梁的晚，但隨著新抗震設(shè)計(jì)法和建筑物新結(jié)構(gòu)形式的實(shí)施，目前，超高強(qiáng)度厚鋼板在建筑物的應(yīng)用已超過(guò)在橋梁上的應(yīng)用。

    2 世界最長(zhǎng)吊橋鋼纜用超高強(qiáng)度鋼絲

 

    一般說(shuō)來(lái)，高強(qiáng)度鋼絲的碳含量提高到 0.8% 后，會(huì)形成由硬質(zhì)相和軟質(zhì)相構(gòu)成的珠光體組織，研究發(fā)現(xiàn)，添加Si 和 Cr 可以抑制碳的擴(kuò)散，防止?jié)B碳體出現(xiàn)破碎。在明石海峽大橋用鋼絲的生產(chǎn)中，由于 Cr 會(huì)降低熱處理的作業(yè)效率，因此，最終采取的是添加 Si 提高強(qiáng)度的辦法。由于目前還可能生產(chǎn)抗拉強(qiáng)度超過(guò) 2000N/mm 2 級(jí)的鋼絲，因此，它有望應(yīng)用于世界正在計(jì)劃的長(zhǎng)大橋中（例如，挪威的松恩峽灣大橋等）。

    3 解決氫脆化問(wèn)題的建筑用超高強(qiáng)度螺栓

 

    日本從 1950 年代開(kāi)始，將高強(qiáng)度螺栓應(yīng)用于橋梁和建筑物。初期的高強(qiáng)度螺栓的抗拉強(qiáng)度為 600-800N/mm 2級(jí)，1964 年日本首次制定了高強(qiáng)度螺栓的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)了高強(qiáng)度螺栓的普及應(yīng)用。在 1964 年的日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，列出了抗拉強(qiáng)度為 700、900、1100 和1300N/mm 2 級(jí)的 4 種螺栓的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。1300N/mm 2 級(jí)的螺栓在使用后，會(huì)馬上出現(xiàn)氫脆化問(wèn)題（延遲斷裂），因此，在 1967 年的標(biāo)準(zhǔn)修訂中，只列出了800、1000 和 1100N/mm 2 級(jí)的 3 種螺栓的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。其后，在 1100N/mm 2 級(jí)的螺栓中，也偶爾出現(xiàn)了氫脆化問(wèn)題，因 此， 在 1979 年 以 后， 只 有 1000N/mm 2 級(jí)（F10T）的螺栓標(biāo)準(zhǔn)，螺栓的高強(qiáng)度化因氫脆化問(wèn)題而停滯了大約 20年。

    1999 年由于解決了建筑用高強(qiáng)度螺栓氫脆化的問(wèn)題，一舉將高強(qiáng)度螺栓由以往的 1000N/mm 2 級(jí)提高到 1400N/mm 2 級(jí)（F14T）。超高強(qiáng)度螺栓經(jīng)包括海水試驗(yàn)在內(nèi)的裸露試驗(yàn)，已確認(rèn)其具有穩(wěn)定的抗氫脆化性能，目前已應(yīng)用于建筑物達(dá) 10 多年，為鋼結(jié)構(gòu)部件的簡(jiǎn)單化和省力化做出了巨大貢獻(xiàn)。

    4 滿足多種性能要求的橋梁用高性能厚鋼板

 

    雖然在 1960 年代，高強(qiáng)度鋼（抗拉強(qiáng)度 800N/mm 2 級(jí)）在橋梁的應(yīng)用取得了快速發(fā)展，但由于為了確保淬火性而添加了很多的 C 和 B，因此，導(dǎo)致高強(qiáng)度鋼容易發(fā)生低溫裂紋等焊接性問(wèn)題。為解決這一問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了低預(yù)熱型800N/mm 2 級(jí)鋼（厚鋼板）。由于該鋼板可將焊接預(yù)熱溫度降低到原來(lái)的一半以下（50℃），因此，為提高橋梁的建設(shè)速度做出了貢獻(xiàn)。

    日 本 于 1994 年 開(kāi) 始， 進(jìn) 行 了 有關(guān) 橋 梁 用 高 性 能 鋼 的 研 究。2008 年SBHS500 和 SBHS700（數(shù)值表示屈服強(qiáng)度）已列入新型鋼材標(biāo)準(zhǔn)（JIS G3140-SBHS），2011 年又追加了 SBHS400。美國(guó)和韓國(guó)也已制定了橋梁用高性能厚鋼板的標(biāo)準(zhǔn)，但日本的 SBHS 鋼的屈服強(qiáng)度保證值比其他國(guó)家的都高。

    5 新抗震設(shè)計(jì)法對(duì)建筑用抗震鋼材的要求

 

    自 1980 年代以來(lái)，新建筑結(jié)構(gòu)用鋼材得到了大力開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。以“新抗震設(shè)計(jì)法”的實(shí)施為契機(jī)，1981 年建筑物的設(shè)計(jì)發(fā)生了巨大變化，由彈性設(shè)計(jì)變?yōu)樗苄栽O(shè)計(jì)。開(kāi)發(fā)了 SN 鋼和 SA440 鋼等抗震用鋼材（厚鋼板和型鋼）。這些新抗震用鋼材的主要特征是，不僅鋼材的韌性值和板厚方向的斷面收縮率都達(dá)到了橋梁用鋼材的標(biāo)準(zhǔn)，而且屈強(qiáng)比（屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之比）的上限值和屈服強(qiáng)度的上下限范圍也在規(guī)定范圍內(nèi)。

    屈強(qiáng)比是表示影響鋼構(gòu)件塑性變形能力的指標(biāo)。也就是說(shuō)，屈強(qiáng)比YP越低，塑性區(qū)域就越大，變形能力越高。SN 鋼和 SA440 鋼（抗拉強(qiáng)度為 400-600N/mm 2 級(jí)）為低屈服強(qiáng)度比鋼材，它以硬質(zhì)相和軟質(zhì)相的雙相組織為基礎(chǔ)，通過(guò)組織控制和晶粒度控制可獲得必要的強(qiáng)度和屈強(qiáng)比。

    另一方面，屈服強(qiáng)度的上下限范圍是影響整個(gè)框架變形能力的性能指標(biāo)。SN 鋼和 SA440 鋼的屈服強(qiáng)度上下限范圍規(guī)定在 100-200N/mm 2 。通過(guò)嚴(yán)格控制生產(chǎn)工藝中的溫度軋制條件，就可控制材料的屈服強(qiáng)度的上下限值。不論是屈強(qiáng)比和韌性值，日本的標(biāo)準(zhǔn)都是最嚴(yán)格的。歐洲的材料標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有對(duì)屈強(qiáng)比的上限做出規(guī)定，因此有待于進(jìn)一步研究。

    6 鋼材斷裂的控制技術(shù)和高HAZ 韌性鋼

 

    1995 年日本兵庫(kù)縣南部地震的特征之一是鋼材是從焊接部發(fā)生斷裂。當(dāng)時(shí)使用的是 SN 鋼，無(wú)法保證 HAZ 韌性。為確保 HAZ 韌性，有效的辦法是通過(guò)控制晶粒因 Ti 和 TiO 2 等氮化物和氧化物而出現(xiàn)生長(zhǎng)（釘扎效應(yīng)），并利用晶粒內(nèi)的細(xì)化作用（晶粒內(nèi)鐵素體的相變），實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化。為使晶粒細(xì)化，開(kāi)發(fā)了能夠有效抑制 HAZ 部附近晶粒生長(zhǎng)的技術(shù)。該技術(shù)采用的是將含有 Mg 和 Ca 且粒度為數(shù) 10nm- 數(shù) 100nm 的極細(xì)氧化物和硫化物在鋼中彌散的技術(shù)來(lái)控制晶粒的生長(zhǎng)。另外，還開(kāi)發(fā)了微量添加 B等合金來(lái)控制晶內(nèi)組織的技術(shù)，并提出了各種控制 HAZ 部組織的技術(shù)。通過(guò)這些研究，開(kāi)發(fā)了高 HAZ 韌性鋼，即使在焊接線能量為 100kJ/mm 的情況下，也能確保在 0℃時(shí)，具有 70J 以上的 HAZ韌性。目前，這種高 HAZ 韌性鋼已廣泛用作高層建筑的柱子用鋼材。

    7 有助于降低壽命周期成本的耐候性鋼和耐蝕鋼

 

    目前，新建橋梁的 20%-25% 采用了 JIS 耐候鋼（SMA），它可在無(wú)涂裝情況下，確保長(zhǎng)久的耐用性，為降低壽命周期成本（LCC）做出了貢獻(xiàn)。耐候鋼廣泛應(yīng)用于橋梁，但在海岸線附近鹽分大的環(huán)境下，因不會(huì)生成保護(hù)性銹，也就無(wú)法抑制腐蝕。為解決這一問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了鎳系高耐候性鋼。該鋼的特征是Ni 的添加量為 1%-3%，此外還添加了微量的 Cu、Mo 和 Ti 等合金元素。該鋼于 1998 年首次應(yīng)用于北陸新干線的橋梁和橋墩。經(jīng)過(guò)15年后的裸露試驗(yàn)表明，3% 鎳系高耐候性鋼受腐蝕量只有 JIS-SMA 的 2/3，為 0.17mm/100 年。最初開(kāi)發(fā)的高耐候性鋼是 3%Ni-Cu 系，后來(lái)由于 Ni 的添加量和添加的合金元素不同，因此，高耐候性鋼有幾種類型，可根據(jù)腐蝕環(huán)境的不同分別使用。

    為更好地防止海岸線附近鹽分對(duì)鋼構(gòu)產(chǎn)生腐蝕的影響，開(kāi)發(fā)了在鋼構(gòu)涂裝情況下，可延長(zhǎng)重新涂裝周期的鋼材，如 Sn 添加鋼。根據(jù)裸露試驗(yàn)和腐蝕加速試驗(yàn)的結(jié)果可知，Sn 添加鋼的使用壽命比涂裝鋼板的延長(zhǎng) 2 倍左右。Sn 添加鋼和耐候性鋼主要是根據(jù)鹽分量的不同分別使用。

    除了上述鋼種外，還開(kāi)發(fā)了在添加少量 Cr 和 Al 的低合金耐蝕鋼上涂覆一次性防銹用的無(wú)機(jī)含鋅粉耐蝕耐熱涂料，使其耐蝕性接近不銹鋼（SUS304）的技術(shù)，該鋼材被稱作“ARU-TEN”。

    8 適用于新型建筑結(jié)構(gòu)的高性能鋼（低屈服點(diǎn)鋼和超高強(qiáng)度鋼）

 

    為進(jìn)一步提高屈曲支撐和制振結(jié)構(gòu)的性能，開(kāi)發(fā)了阻尼器專用的鋼材。開(kāi)發(fā)的鋼材為 LY100 和 LY235。在作為新型建筑結(jié)構(gòu)的制振結(jié)構(gòu)的普及過(guò)程中，為減小伴隨巨大地震而產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)，從2004 年開(kāi)始，研究將制振結(jié)構(gòu)和高強(qiáng)度鋼組合的“新型結(jié)構(gòu)裝置”。除了研究幾種類型的制振結(jié)構(gòu)裝置外，還開(kāi)發(fā)了800N/mm 2 級(jí)高強(qiáng)度厚鋼板（H-SA700），其抗拉強(qiáng)度為 800N/mm 2 級(jí)，屈強(qiáng)比的上限值為 98%，分為焊接用和非焊接用兩種。另外，還開(kāi)發(fā)了抗拉強(qiáng)度為1000N/mm 2 級(jí)的超高強(qiáng)度厚鋼板，并在低層建筑進(jìn)行了試用。該鋼的屈服強(qiáng)度在 880N/mm 2 以上，抗拉強(qiáng)度在 950N/mm 2 以上，屈強(qiáng)比在 98% 以下。另外，為防止該鋼發(fā)生焊接裂紋，需要進(jìn)行焊接預(yù)熱，這是一個(gè)課題，但可以通過(guò)使用軟質(zhì)接頭予以解決。

    9 世界最早的建筑用高溫強(qiáng)度保證鋼（耐火鋼）

 

    為解決在火災(zāi)高溫下，鋼材強(qiáng)度會(huì)急劇下降的問(wèn)題，1988 年開(kāi)發(fā)了具有良好高溫強(qiáng)度特性的耐火鋼，并在世界上首次成功應(yīng)用于立體停車場(chǎng)。作為建筑用耐火鋼的主要特征在于，保證 600℃時(shí)的屈服強(qiáng)度是常溫 F 值（材料的設(shè)計(jì)強(qiáng)度）的 2/3 以上。耐火鋼 NSFR490B的高溫強(qiáng)度比普通焊接結(jié)構(gòu)用鋼材要好，其屈服強(qiáng)度（YP）在 600℃時(shí)是常溫設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的 2/3 以上。使用耐火鋼，不僅可以省略耐火保護(hù)層、縮短工期，還可實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)因沒(méi)有耐火保護(hù)層而變得輕巧。

    10 大斷面及尺寸自由度高的 H型鋼和鋼板樁

 

    由于在 1980 年代后期，開(kāi)發(fā)了能夠隨意調(diào)整 H 型鋼尺寸的軋制新技術(shù)，因此 H 型鋼的大型化和尺寸的自由度取得了飛躍發(fā)展。例如，根據(jù)歐洲（H 型鋼規(guī)格）和日本（外部尺寸一定的H型鋼）的梁用 H 型鋼的比較可知，歐洲的各種尺寸的 H 型鋼品種數(shù)量為 224 個(gè)，而日本超過(guò)了 600 個(gè)，日本各種尺寸的 H 型鋼品種數(shù)量占據(jù)了絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

    另一方面，地下結(jié)構(gòu)物建設(shè)用的鋼板樁也在朝著大斷面和獨(dú)特形狀方面進(jìn)行開(kāi)發(fā)。1931 年日本以國(guó)外技術(shù)為基礎(chǔ)開(kāi)始生產(chǎn)鋼板樁，一直使用歐洲的標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)寬度為 400mm 的 U 形鋼板樁。其后，開(kāi)發(fā)了寬度為 500mm 和 600mm 的 U形鋼板樁。2005 年開(kāi)發(fā)了施工性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性高的寬度為 900mm 的帽形鋼板樁。帽形鋼板樁分為高度為 230mm 的10H 和高度為 300mm 的 25H 兩種，其后還開(kāi)發(fā)了高度為 370mm 左右、厚度不同的兩種大型帽形鋼板樁（45H 和 50H）。

    11 其他高性能鋼材（高強(qiáng)度鋼筋和超高強(qiáng)度鋼纖維）

 

    鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不同于鋼結(jié)構(gòu)，廣義上來(lái)說(shuō)它是混凝土和鋼材（鋼筋）的合成體。混凝土是脆性材料，雖然具有抗壓性能，但抗拉性能非常低。為彌補(bǔ)混凝土的缺點(diǎn)，需用鋼筋來(lái)解決，這就是鋼筋混凝土。1988 年受國(guó)外混凝土高強(qiáng)度化發(fā)展的影響，日本啟動(dòng)了新鋼筋混凝土計(jì)劃，開(kāi)發(fā)強(qiáng)度是以往的 2-4 倍的建筑用鋼材。

    隨著大城市超高層住宅建設(shè)的不斷發(fā)展，根據(jù)新鋼筋混凝土計(jì)劃開(kāi)發(fā)的高強(qiáng)度混凝土和高強(qiáng)度鋼筋自 1995 年以后得到不斷的應(yīng)用。目前，混凝土的最高強(qiáng)度達(dá)到了 200N/mm 3 、縱向鋼筋強(qiáng)度達(dá)到了 685N/mm 3 、橫向鋼筋強(qiáng)度達(dá)到了 1275N/mm 3 。

    混凝土的高強(qiáng)度化，尤其是由于150-200N/mm 3 以上的混凝土非常容易發(fā)生脆性破壞，因此，在混凝土中混入超高強(qiáng)度的鋼纖維來(lái)增強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的情況越來(lái)越多。這種超高強(qiáng)度鋼纖維，不僅能改善高強(qiáng)度混凝土的變形性能，而且能防止火災(zāi)時(shí)高強(qiáng)度混凝土的爆裂。

    另一方面，作為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式之一有預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)（PC）結(jié)構(gòu)。使用高強(qiáng)度 PC 鋼材，可以使混凝土產(chǎn)生預(yù)壓縮力，還能提高張力弱的混凝土的性能。這種結(jié)構(gòu)使用的 PC 鋼材的抗拉強(qiáng)度一般為 1860N/mm 3 ，但 2230N/mm 3的鋼材也已應(yīng)用于實(shí)際建筑物。

 

09 軌道交通用鋼情況分析

 

     一、軌道交通用鋼種類及特點(diǎn)分析

 

    1.產(chǎn)品分類

 

    軌道交通包括地鐵、輕軌、有軌電車等城市軌道交通，也包括高速鐵路、普速鐵路等鐵路交通。軌道交通用鋼主要包括線路鋪設(shè)用鋼、車輛用鋼，以及橋梁、隧道、車站等基礎(chǔ)建設(shè)用鋼、電氣化鐵路用鋼等，鋼材品種種類繁多（表 1）

 

 

    2.特點(diǎn)分析

 

    （1）鋼軌

 

    鋼軌直接承受車輪傳遞的列車及其載荷質(zhì)量，并引導(dǎo)列車的行進(jìn)方向。與普通線路相比，客運(yùn)專線、高速列車及重載列車對(duì)鋼軌的安全性要求極為苛刻。鋼軌不僅要承受機(jī)車、車輛的壓力，還要承受列車高速運(yùn)行所帶來(lái)的沖擊載荷，因此鋼軌需要具有足夠的強(qiáng)度、硬度、韌性以及良好的焊接性能。通常，按照抗拉輕度鋼軌可以分為普通級(jí)鋼軌、耐磨級(jí)鋼軌、特級(jí)鋼軌 3 個(gè)等級(jí)。鋼軌質(zhì)量越重，所能承受的載荷越大，我國(guó)主要線路一般鋪設(shè) 60kg/m 和 75kg/m 的重型鋼軌。我國(guó)高速鐵路用鋼軌主要包括 U71MnG 和 U75VG 材質(zhì)，通常時(shí)速200km/h 以上高速客貨鐵路選用 U71MnG，時(shí)速 200 ～ 250km/h 高速客貨鐵路選用 U75VG。

    （2）車輪用鋼

 

    車輪是車輛的主要承載零件，是車輛走行系統(tǒng)的重要組成部分。車輪與輪箍用鋼是采用電爐或轉(zhuǎn)爐冶煉的鎮(zhèn)靜鋼，根據(jù)生產(chǎn)工藝劃分為輾鋼車輪和鑄鋼車輪，一般而言，客車、高速列車等較高端的車輪通常使用輾鋼工藝生產(chǎn)。對(duì)于重載列車，輪軌接觸應(yīng)力大，特別是在在高應(yīng)力下，輪軌接觸區(qū)的面積加大，列車行進(jìn)時(shí)車輪磨損大，容易出現(xiàn)接觸疲勞失效。所以對(duì)重載列車車輪用鋼需要更高的耐磨性和抗解除疲勞性能，同時(shí)還要考慮抗熱疲勞損傷性能。

    （3）車軸用鋼

 

    車軸是鐵路機(jī)車和車輛的重要部件，是車輛走行系統(tǒng)的重要組成部分，如果車軸發(fā)生斷裂將會(huì)導(dǎo)致列車脫軌。車軸用鋼應(yīng)具有良好的疲勞強(qiáng)度和抗沖擊性能。我國(guó)普通客車和貨車車軸一般采用 LZ50 中碳鋼，機(jī)車少量采用 JZ45，基本都是實(shí)心車軸；動(dòng)車組采用中碳合金調(diào)制鋼，車軸為空心車軸。

    （4）車體用鋼

 

    車體用鋼主要是車體主梁、車框、內(nèi)外車廂板等用鋼，鋼材品種主要包括不銹鋼、耐候鋼板、耐候型鋼等，基本要求是高強(qiáng)度、高耐腐蝕性、高焊接性及輕量化。對(duì)于鐵路貨車用鋼主要是高強(qiáng)度耐候耐蝕鋼。

    二、軌道用鋼生產(chǎn)企業(yè)及發(fā)展情況

 

    1.國(guó)內(nèi)重點(diǎn)企業(yè)情況

 

    目前我國(guó)軌道交通用鋼生產(chǎn)企業(yè)主要包括攀鋼集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱“攀鋼”）、鞍鋼集團(tuán)公司（以下簡(jiǎn)稱“鞍鋼”）、包鋼集團(tuán) （ 以下簡(jiǎn)稱“包鋼”）、寶鋼集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱“寶鋼”）、馬鞍山鋼鐵股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱“馬鋼”）、太原鋼鐵（集團(tuán)）有限公司（以下簡(jiǎn)稱“太鋼”）等鋼鐵企業(yè)及以江陰興澄特種鋼鐵有限公司（以下簡(jiǎn)稱“興澄特鋼”）、西寧特殊鋼股份有限公司公司（以下簡(jiǎn)稱“西寧特鋼”）、大冶特殊鋼股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱“大冶特鋼”）等為代表的特鋼企業(yè)，各企業(yè)重點(diǎn)軌道用鋼產(chǎn)品如表 2。

 

    2.重點(diǎn)品種發(fā)展情況

 

    （1）鋼軌

 

    目前，我國(guó)鋼軌生產(chǎn)企業(yè)主要有攀鋼、鞍鋼、包鋼和武鋼等（表 3），其中攀鋼是國(guó)內(nèi)第 1 家能夠生產(chǎn)百米定尺鋼軌的企業(yè)，包鋼生產(chǎn)的 U71Mn 和 U75V 鐵路用熱軋鋼軌和武鋼生產(chǎn)的 U71MnG 和 U75VG 高速鐵路用鋼軌均獲得了 2016 年“金杯獎(jiǎng)”產(chǎn)品。

 

    “十二五”期間，我國(guó)鋼企向中國(guó)鐵路供軌約 1389 萬(wàn) t，其中，普速鋼軌 69%，高速鋼軌 28.4%，道岔用非對(duì)稱斷面鋼軌 2.6%。目前，各鋼企均已具備現(xiàn)代化的鋼軌生產(chǎn)能力，基本滿足國(guó)內(nèi)高速鐵路和重載鐵路對(duì)鋼軌的質(zhì)量需求。與國(guó)外相比，我國(guó)高速鐵路用鋼軌與國(guó)外差距不大，但在重載鐵路用鋼方面仍然存在一定差距。如重載鐵路用鋼軌方面，日本生產(chǎn)的過(guò)共析珠光體 SP3 鋼軌，通過(guò)熱處理，軌面硬度可達(dá)到 450HB，碳含量?jī)H為 0.80%，但國(guó)產(chǎn)的過(guò)共析鋼軌 U95Cr，通過(guò)在線熱處理后，軌面硬度可達(dá)到 420HB，但其碳含量大于0.90%。

    （2）車輪

 

    馬鞍山鋼鐵股份有限公司是目前國(guó)內(nèi)最大的車輪生產(chǎn)商，除馬鋼以外，生產(chǎn)車輪的企業(yè)還有山西太重車輪廠、中美合資信陽(yáng)同合車輪有限公司、中美合資大同愛(ài)碧璽鑄造有限公司。我國(guó)在普通客車、貨車及機(jī)車車輪方面，技術(shù)水平與國(guó)外相差無(wú)幾。對(duì)于重載列車車輪，我國(guó)也已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一系列新材質(zhì)重載貨車車輪，并且已經(jīng)投入應(yīng)用，研發(fā)水平已處于世界先進(jìn)水平之列。但在高速列車車輪的研究和開(kāi)發(fā)方面，我國(guó)與國(guó)外存在一定差距。目前我國(guó)動(dòng)車組車輪和大功率機(jī)車車輪基本依賴進(jìn)口，全部從日本住友、法國(guó) VALDUNES、德國(guó) BVV、意大利 LUCCHINI 等少數(shù)幾個(gè)具備高速車輪生產(chǎn)能力的企業(yè)進(jìn)口。

    （3）車軸

 

    普通客車和貨車的車軸主要以實(shí)心車軸為主，我國(guó)在車軸鋼冶煉潔凈度完全能滿足生產(chǎn)實(shí)心車軸的要求，所以在普通客車和貨車車軸生產(chǎn)完全實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。但在重載和高速列車車軸的研究與開(kāi)發(fā)方面，仍然比較落后。目前，我國(guó)采用微合金化路線生產(chǎn)出適用于 30t 以上的重載車輛的車軸鋼坯，制造出的車軸已經(jīng)裝車試運(yùn)行，效果良好。動(dòng)車組列車采用空心軸，目前空心軸核心生產(chǎn)技術(shù)主要掌握日本等少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家手中。

    （4）車體用鋼

 

    不銹鋼車輛具有耐腐蝕、免維護(hù)、安全、輕量化、全壽命周期成本低等特點(diǎn)，隨著綠色、節(jié)能、環(huán)保、安全等意識(shí)的提高，不銹鋼車輛漸成趨勢(shì)。特別是隨著輕量化要求越來(lái)越高，不銹鋼已經(jīng)成為車體主要用鋼。2005 年太原鋼鐵集團(tuán)有限公司就開(kāi)始為軌道交通提高車體用不銹鋼，經(jīng)過(guò)不斷的鉆研與努力，車體用不銹鋼的國(guó)產(chǎn)化率由最初的 100% 依賴進(jìn)口，到目前僅有少數(shù)高耐蝕不銹鋼種需要進(jìn)口。

    三、軌道交通產(chǎn)業(yè)發(fā)展及鋼材消費(fèi)情況

 

    1.軌道交通產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

 

    城市軌道交通方面，截至 2015 年底，我國(guó)城市軌道交通運(yùn)營(yíng)線路網(wǎng)長(zhǎng)度達(dá)到 3195.4km（圖 1），是 2005 年的 8.2倍，10 年內(nèi)年均增長(zhǎng) 23%。“十二五”期間，我國(guó)城市軌道交通運(yùn)營(yíng)線路新增 1 724km，同期我國(guó)城市軌道運(yùn)營(yíng)車輛也從2010年的21 165標(biāo)臺(tái)增至48 165標(biāo)臺(tái)，年均增長(zhǎng)18%（圖2）。

    鐵路交通方面，2011-2015 年，我國(guó)新增鐵路營(yíng)運(yùn)里程逐年保持增長(zhǎng)（圖 3）。截至 2015 年底，全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程12.1 萬(wàn) km，其中高鐵運(yùn)營(yíng)里程達(dá)到 1.9 萬(wàn) km。2015 年全國(guó)鐵路機(jī)車、鐵路客車、鐵路動(dòng)車組和鐵路貨車擁有量分別為21366 臺(tái)、67706 輛、17648 輛和 768516 輛（表 4），其中機(jī)車、客車和動(dòng)車組分別較 2010 年增長(zhǎng)了 9.96%、29.88% 和300.36%。

    2.軌道交通用鋼消費(fèi)情況

 

    城市軌道交通用鋼方面，據(jù)統(tǒng)計(jì)，城市軌道交通每新增1km，將帶動(dòng)鋼材消費(fèi) 5.6 萬(wàn) t，鋼軌消費(fèi) 260t。照此估算，“十二五”期間我國(guó)城市軌道交通拉動(dòng)鋼材消費(fèi)近 1 億 t，軌道用鋼 40 多萬(wàn) t，年均消費(fèi)鋼材 2000 萬(wàn) t 左右（圖 4）。

 

    總體來(lái)看，“十二五”期間，我國(guó)城市軌道交通和鐵路交通共帶動(dòng)鋼材消費(fèi) 2.06 億 t，年均消費(fèi)鋼材超過(guò) 4100 萬(wàn) t。

 

 

    四、軌道交通用鋼的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

 

    1.未來(lái)需求預(yù)測(cè)

 

    “十三五”期間，我國(guó)鐵路建設(shè)和城市軌道交通將繼續(xù)保持快速發(fā)展。鐵路建設(shè)方面，到 2020 年，我國(guó)鐵路網(wǎng)規(guī)模將達(dá)到 15 萬(wàn) km（其中高速鐵路 3 萬(wàn) km），預(yù)計(jì)每年拉動(dòng)鋼材消費(fèi) 2300 萬(wàn) t，“十三五”期間預(yù)計(jì)拉動(dòng)鋼材消費(fèi) 1.15 億t 左右。城市軌道交通方面，“十三五”期間我國(guó)城市軌道交通建成投運(yùn)線路將超過(guò) 3000km，年均新增營(yíng)運(yùn)里程 600km 以上，預(yù)計(jì)“十三五”期間將帶動(dòng)鋼材消費(fèi) 1.68 億 t，鋼軌消費(fèi) 79 萬(wàn) t；平均每年拉動(dòng)鋼材消費(fèi) 3300 萬(wàn) t 以上，鋼軌消費(fèi)16 萬(wàn) t 左右。綜合來(lái)看，“十三五”期間，我國(guó)軌道交通用鋼 5600 萬(wàn) t 左右。

    2.重點(diǎn)發(fā)展方向

 

    鋼軌：隨著我國(guó)軌道交通向高速、重載方向發(fā)展，對(duì)鋼軌的斷面、鋼種、鋼的純凈度、外觀平直度以及鋼軌表面質(zhì)量、尺寸精度等各方面要求更加嚴(yán)格，今后應(yīng)將高速重載輪軌用鋼作為重點(diǎn)發(fā)展方向。

    輪軸：已經(jīng)進(jìn)入試用的重載輪軸，加快推進(jìn)國(guó)產(chǎn)替代的速度；對(duì)尚未擁有生產(chǎn)技術(shù)能力的高速輪軸要加大研發(fā)力度，突破鋼種成分優(yōu)化、強(qiáng)韌性匹配、抗剝離性能、接觸疲勞性能批量生產(chǎn)及檢測(cè)技術(shù)，早日改變我國(guó)在高速輪軸進(jìn)口依賴的被動(dòng)局面。

    車體用鋼：鑒于不銹鋼車體的免維護(hù)、綠色、節(jié)能、環(huán)保、全壽命周期成本低及輕量化等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，積極推進(jìn)不銹鋼車體的研發(fā)設(shè)計(jì)，特別是加強(qiáng)高耐蝕鋼和耐候鋼的技術(shù)研發(fā)，大力促進(jìn)不銹鋼在車輛制造中的應(yīng)用。

    來(lái)源：工業(yè)和信息化部賽迪智庫(kù)原材料工業(yè)研究所

 

深海裝備微生物腐蝕研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

 

文 | 趙文靜 江錦波 孟祥鎧 金杰 彭旭東 浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

 

隨著科技和經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展 , 海洋經(jīng)濟(jì)已成為 21 世紀(jì)全球經(jīng)濟(jì)新的增長(zhǎng)點(diǎn) , 海洋領(lǐng)域的研究越來(lái)越多 , 尤其是深海領(lǐng)域 , 逐漸成為各國(guó)研究和競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn) , 人類開(kāi)始進(jìn)入開(kāi)發(fā)和利用深海海洋資源的新時(shí)代。開(kāi)發(fā)利用深海海洋資源 , 深海裝備的腐蝕問(wèn)題不容忽視。

深海裝備由于腐蝕問(wèn)題而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞或材料失效的問(wèn)題中 , 深海微生物腐蝕（MIC） 約占問(wèn)題總量的 70% 到 80%, 且與微生物相關(guān)的腐蝕失效和破壞已達(dá)到涉海材料總量的 20%, 每年因微生物引起的腐蝕損失至少為 30 億美元 , 因此 ,深海裝備微生物腐蝕的研究對(duì)于海洋資源和深海裝備的開(kāi)發(fā)利用具有現(xiàn)實(shí)意義 , 已成為一個(gè)廣泛關(guān)注的問(wèn)題 , 是今后腐蝕學(xué)科的重點(diǎn)研究問(wèn)題之一。最早Garret 報(bào)道了海洋微生物參與金屬腐蝕的有關(guān)研究 , 后續(xù)研究者開(kāi)展了大量工作 , 為 MIC 的研究奠定了基礎(chǔ)。20 世紀(jì) 60 年代后 , 對(duì) MIC 的腐蝕機(jī)理進(jìn)行了廣泛研究 , 有關(guān)非金屬和金屬材料在不同環(huán)境下的MIC研究也開(kāi)始不斷增多。

然而 , 國(guó)內(nèi)外對(duì)深海裝備微生物腐蝕行為和腐蝕機(jī)制研究的公開(kāi)報(bào)道較少 , 且研究技術(shù)和方法也存在很多不足和不確定因素 , 開(kāi)展相關(guān)研究 , 探索其在深海環(huán)境中的腐蝕規(guī)律和防護(hù)方法 , 并建立其腐蝕數(shù)據(jù)庫(kù) , 不僅具有重要的應(yīng)用價(jià)值 , 而且為深海裝備的研發(fā)設(shè)計(jì)及其性能改善提供了強(qiáng)有力的支持。本文綜述了深海裝備微生物腐蝕的研究進(jìn)展 , 主要從微生物腐蝕機(jī)制、腐蝕因素、研究方法和防護(hù)措施這幾個(gè)方面展開(kāi)分析和討論 , 并對(duì)深海裝備微生物腐蝕研究的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1 深海裝備微生物腐蝕機(jī)制

 

深海環(huán)境是一種高參數(shù) （ 高壓、低溫、高溫 （ 火山口和熱液區(qū) ））、無(wú)光合作用的生存環(huán)境 , 含有大量耐酸 （pH 值<3）、耐堿 （pH 值 >10）、耐鹽 （ 鹽度>25mo1/L）、耐高溫 （120℃以上 ）、耐低溫 （<0℃ ）、耐壓 （>50MPa） 等微生物群落。微生物腐蝕不是指其自身能夠侵蝕金屬或結(jié)構(gòu) , 而是其生命活動(dòng)的結(jié)果直接或間接地影響腐蝕過(guò)程。深海環(huán)境惡劣 , 不同微生物各自的新陳代謝和發(fā)展機(jī)制都不同 , 并且深海裝備材料的腐蝕行為與腐蝕機(jī)制也有所不同 , 同時(shí)深海微生物不易培養(yǎng) , 試驗(yàn)難度大 , 因此目前有關(guān)深海微生物腐蝕機(jī)制的研究不多。常見(jiàn)的深海微生物對(duì)深海裝備腐蝕的影響機(jī)制主要有氧濃差電池機(jī)制、新陳代謝過(guò)程及產(chǎn)物腐蝕機(jī)制、去極化機(jī)制、陽(yáng)極區(qū)固定機(jī)制、金屬沉積菌作用腐蝕機(jī)制等。

在深海環(huán)境中 , 微生物中某些大分子物質(zhì)首先附著在深海裝備材料表面 ,然后才有微生物的吸附、代謝和繁殖 ,生成微生物膜 , 阻礙氧氣向外擴(kuò)散。在深海環(huán)境多種因素影響下 , 微生物膜的分布不是均勻完整的 , 而且微生物膜下材料表面會(huì)出現(xiàn)不均勻的物理和化學(xué)變化 , 使得微生物膜下材料表面空氣難以到達(dá)的區(qū)域形成陽(yáng)極 , 其周圍空白區(qū)域或是微生物較少區(qū)域則形成陰極 , 致使氧濃差電池機(jī)制形成。氧濃差電池腐蝕機(jī)制是由多個(gè)因素相互作用、相互影響而形成的 , 處于一種動(dòng)態(tài)變化體系之中 , 并非某個(gè)因素單獨(dú)作用而成。

深海微生物個(gè)體的新陳代謝活動(dòng)會(huì)影響深海裝備金屬腐蝕過(guò)程。一方面 ,改變微觀腐蝕機(jī)制。微生物新陳代謝會(huì)影響腐蝕的電化學(xué)過(guò)程 , 若微生物膜內(nèi)呼吸活動(dòng)的好氧速率大于氧的擴(kuò)散速率 , 那么微生物膜與裝備金屬界面處缺氧 , 陰極腐蝕機(jī)制相應(yīng)發(fā)生變化 , 反應(yīng)過(guò)程可能轉(zhuǎn)而消耗水或是厭氧微生物所產(chǎn)生的 H 2 S。附著在深海裝備表面的微生物膜通常結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分布不均 , 雖然在某種意義上降低了均勻腐蝕速率 , 但加劇了局部腐蝕。另一方面 , 微生物代謝產(chǎn)物可能具有腐蝕性 , 加劇深海裝備金屬腐蝕過(guò)程。微生物的新陳代謝過(guò)程會(huì)產(chǎn)生一些具有腐蝕性的代謝產(chǎn)物 , 多以各種有機(jī)酸 （ 多是短鏈的脂肪酸 , 如醋酸 ） 或無(wú)機(jī)酸的形式存在 , 對(duì)腐蝕產(chǎn)生明顯促進(jìn)作用 , 還會(huì)產(chǎn)生非常強(qiáng)的硫化物等產(chǎn)物 , 加劇局部腐蝕。

局部厭氧菌微生物的新陳代謝活動(dòng)能夠產(chǎn)生破壞性極強(qiáng)的硫化物等產(chǎn)物 , 使深海裝備結(jié)構(gòu)腐蝕加劇。在深海環(huán)境下 , 微生物腐蝕主要是硫酸鹽還原菌 SRB 腐蝕 , 它是一類廣泛存在于海水中的厭氧菌 , 對(duì)碳鋼、不銹鋼、銅鎳合金等多種金屬都會(huì)造成局部腐蝕。

Castaneda 等研究了人造海水中 SRB 對(duì)碳鋼的腐蝕行為 , 發(fā)現(xiàn)表面覆蓋有 SRB 膜后 , 局部腐蝕速率提升 , 但是膜的不均勻性造成腐蝕活性位點(diǎn)放大 ;Duan 的研究表明 , 不銹鋼覆蓋有 SRB 膜時(shí) , 增大了局部腐蝕 ;Rao 等研究了 SRB 對(duì)鈦金屬的腐蝕 , 發(fā)現(xiàn)它可以破壞金屬表面的鈍化膜 , 使金屬表面出現(xiàn)局部蝕坑 ;Shalaby 等報(bào)道了銅鎳合金在 SRB 存在條件下出現(xiàn)局部腐蝕。但是對(duì) SRB 腐蝕機(jī)制的解釋卻不統(tǒng)一 , 主要有氫化酶陰極去極化機(jī)制、代謝產(chǎn)物去極化機(jī)制、化合物去極化機(jī)制、硫鐵化合物和氫化酶去極化機(jī)制等。常見(jiàn)的主要去極化劑有硫化氫 H 2 S、硫化鐵 FeS、磷化物等。

Kühr 和 VanderVlugt 首先提出了去極化機(jī)制 , 是關(guān)于氫化酶陰極去極化作用 , 認(rèn)為 SRB 含有一種氫化酶 , 可以利用陰極產(chǎn)生的氫將硫酸鹽還原成 H 2 S, 從而在腐蝕過(guò)程中發(fā)揮陰極去極化作用 ,加速腐蝕。代謝產(chǎn)物去極化機(jī)制一般有硫化氫和硫化亞鐵去極化機(jī)制兩種。厭氧條件下 , 腐蝕速度會(huì)由于硫化氫的產(chǎn)生而加快 , 同時(shí)生成的硫化亞鐵也會(huì)加速陽(yáng)極反應(yīng)。King 等的研究指出 , 微生物代謝產(chǎn)物中所含有的較高濃度的二價(jià)鐵離子會(huì)對(duì)厭氧微生物引起的低碳鋼腐蝕行為和腐蝕過(guò)程起促進(jìn)作用。Iverson等也提出了化合物去極化機(jī)制 , 認(rèn)為SRB 在厭氧環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生磷化合物的代謝產(chǎn)物 , 然后與基體鐵反應(yīng)生成磷化鐵, 引起腐蝕。Little 等通過(guò)采用雙區(qū)生物電池技術(shù)也發(fā)現(xiàn)了氫化酶的類似作用。

另外 ,Miller 等提出了硫鐵化合物和氫化酶同時(shí)去極化機(jī)制 , 認(rèn)為 SRB 造成的腐蝕行為不僅是硫化氫作用所致 , 還與氫化酶的活性及其代謝產(chǎn)物有關(guān)。后來(lái) ,又有研究者提出陽(yáng)極區(qū)固定機(jī)制 , 認(rèn)為微生物作用形成腐蝕電池 , 而大多數(shù)細(xì)菌 （ 通常以菌落形式生長(zhǎng) ） 都聚集在由細(xì)菌引起的腐蝕坑周圍 , 使陽(yáng)極區(qū)固定 , 造就了微生物腐蝕多以點(diǎn)蝕為主要存在方式。在深海無(wú)氧或低含氧的環(huán)境下可大量繁殖生長(zhǎng)的 SRB, 其明顯加速深海裝備結(jié)構(gòu)和材料的腐蝕 , 使深海航行裝備、管線等發(fā)生局部腐蝕穿孔的現(xiàn)象 , 造成極大的損失。防止 SRB 帶來(lái)的微生物腐蝕是一項(xiàng)開(kāi)發(fā)深海資源迫切需要解決的問(wèn)題 , 已成為生物科學(xué)和腐蝕科學(xué)共同關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。

近年來(lái)，金屬沉積菌（Metal DepositionBacteria） 致使的微生物腐蝕問(wèn)題引起了研究者的廣泛關(guān)注。Dickisen 等提出了關(guān)于細(xì)菌沉積金屬氧化物的觀點(diǎn) , 認(rèn)為球衣菌屬、鐵細(xì)菌屬、纖毛菌屬加速了金屬的氧化 , 都是一些常見(jiàn)導(dǎo)致微生物腐蝕的鐵氧化類屬。天然海水金屬沉積菌生物膜可以改變金屬 / 生物膜界面環(huán)境 , 加速易鈍化金屬 （ 鋁、鎳基合金及不銹鋼等 ） 腐蝕。

2 影響深海裝備微生物腐蝕的環(huán)境因素深海環(huán)境的特殊性和復(fù)雜性對(duì)微生物腐蝕過(guò)程具有重要影響作用。環(huán)境因素作用不同 , 微生物腐蝕過(guò)程也有所不同。影響深海微生物腐蝕過(guò)程的環(huán)境因素主要有鹽度、pH 值、流速、壓力、溫度等。

首先 , 深海環(huán)境中海水鹽度約為3.5%, 變化范圍小 , 在整個(gè)深海環(huán)境下對(duì)裝備結(jié)構(gòu)的腐蝕可以視為一個(gè)常量。

鹽度對(duì)裝備結(jié)構(gòu)材料的腐蝕行為主要來(lái)源于氯離子的作用。如果海水鹽度小于 3%, 則腐蝕速率會(huì)隨鹽度的增加而加快 ; 若鹽度大于 3.5%, 腐蝕速率則明顯下降。其次 ,pH 值是電化學(xué)腐蝕過(guò)程的重要影響因素。深海環(huán)境的 pH 值相對(duì)穩(wěn)定 , 一般位于 7.4~8.2 之間 , 對(duì)多數(shù)金屬和合金的腐蝕過(guò)程沒(méi)有顯著影響 , 但鎂鋁合金會(huì)隨著 pH 值的降低 ,其點(diǎn)蝕及縫隙腐蝕逐漸加強(qiáng)。再次 , 流速在微生物腐蝕行為和腐蝕過(guò)程中也扮演著重要角色 , 其影響主要表現(xiàn)為對(duì)腐蝕過(guò)程的促進(jìn)作用。雖然較大的流速會(huì)削弱腐蝕產(chǎn)物對(duì)材料表面的保護(hù)作用 ,加劇去極化劑溶解氧的過(guò)程 , 增加材料表面的沖蝕和磨蝕 , 但針對(duì)不同的材料 , 流速對(duì)其腐蝕行為也不相同 , 存在一定的差異。Wang 等研究了不同水流速度對(duì)海洋常用鋁合金以及船體結(jié)構(gòu)材料腐蝕的影響 , 發(fā)現(xiàn) Al-Mg 系和 AI-Mg-Mn 系合金耐水流沖蝕的能力較強(qiáng) ,可以與 Cu-Ni 合金媲美。在無(wú)電偶腐蝕作用時(shí) ,LF5 和 2103 鋁合金的耐沖蝕能力最好。對(duì)于船體結(jié)構(gòu)鋼來(lái)說(shuō) ,Ni、Cr的加入可以減弱水流對(duì)鋼的腐蝕 , 在高流速 （>4.5m/s） 時(shí)更為明顯。

深海環(huán)境的顯著特點(diǎn)是壓力大（>50 MPa）。為了研究水壓對(duì)腐蝕行為的作用 , 學(xué)者們普遍利用實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置 , 通過(guò)改變靜水壓力來(lái)測(cè)試不同材料體系的腐蝕行為和腐蝕過(guò)程。Liu 等和Yang 等研究了低合金鋼在不同靜水壓力下的腐蝕行為 , 指出靜水壓力降低了低合金鋼的耐蝕性能 , 但是不同鋼種在表面形成的腐蝕產(chǎn)物也不盡相同。同時(shí) ,靜水壓力加速了腐蝕速率 , 降低了點(diǎn)蝕形成概率。另外 , 對(duì)于不銹鋼等鈍性金屬 , 靜水壓力則表現(xiàn)出完全不同的腐蝕行為。據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究分析指出 , 靜水壓力增強(qiáng)了氯離子的活性 , 降低了鈍化膜的穩(wěn)定性 , 加劇了點(diǎn)蝕速度。然而 ,一些不銹鋼在較高靜水壓力、較低溫度和溶解氧濃度的條件下 , 腐蝕的速率還是相對(duì)很低。靜水壓力等環(huán)境因素對(duì)不同種類不銹鋼的腐蝕行為有不同的影響作用 , 具體的影響作用及腐蝕過(guò)程的演變還需進(jìn)一步的研究和分析。另外 , 對(duì)于鈦合金這種鈍性金屬來(lái)說(shuō) , 有關(guān)研究表明 : 鈦合金 Ti6Al4V 在 500~5100m 深度范圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)海掛片的過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生任何腐蝕 , 且對(duì)掛片的拉伸性能也沒(méi)有任何影響。同時(shí) , 隨著海洋深度的增大 , 鈦合金 Ti6Al4V 在深海下的磨損率會(huì)迅速降低 , 其在深海化學(xué) / 力學(xué)等多種作用下可以保持良好的耐磨 / 耐蝕性能 , 即使在環(huán)境更為惡劣的深海熱液區(qū) , 鈦合金的腐蝕失重量也很小。

另外 , 海水溫度對(duì)深海裝備的腐蝕行為和腐蝕過(guò)程的影響較為復(fù)雜。隨著海水溫度的升高 , 一方面 , 物理 / 化學(xué)過(guò)程的反應(yīng)速度加快 , 腐蝕加速 , 例如Mclntire 等發(fā)現(xiàn)海水溫度每升高 10℃ ,Fe的腐蝕速度約增加一倍 ; 另一方面 , 氧溶解濃度降低 , 腐蝕減弱。對(duì)于深海環(huán)境 , 除深海熱液區(qū)外 , 海水溫度相對(duì)穩(wěn)定。從文獻(xiàn)可知 , 我國(guó)南海海域海水溫度與海水深度的關(guān)系如圖 1 所示 , 在海平面以下 300m 左右的區(qū)域 , 海水溫度變化較快 , 且易受不同季節(jié)洋流的影響 ; 在水下 500~2000m 區(qū)域 , 海水溫度變化平緩 , 且趨于穩(wěn)定 ; 在深度大于2000 m 的區(qū)域 , 海水溫度基本保持在0~4℃之間。因此 , 在深海環(huán)境中 , 海水溫度對(duì)深海裝備的腐蝕影響較小。

與此同時(shí) , 氧作為海水中重要的去極化劑 , 對(duì)海洋裝備的微生物腐蝕過(guò)程具有重要影響。一般腐蝕速率會(huì)隨著海水溶解氧濃度的升高而逐漸加大 , 但是由于同時(shí)受到其它海洋環(huán)境因素的影響（ 深海環(huán)境主要表現(xiàn)為壓力因素 ）， 不同金屬表現(xiàn)出的腐蝕行為也不相同。低碳鋼、馬氏體時(shí)效鋼和等溫淬火球墨鑄鐵幾種合金均在淺海（氧充足）區(qū)域腐蝕速率較高，在深海區(qū)域腐蝕速率較慢，深海中的溶解氧濃度能夠滿足維持金屬表面鈍態(tài)的要求。當(dāng)溶解氧和溫度共同作用時(shí)，溶解氧濃度對(duì)腐蝕行為和腐蝕過(guò)程的影響作用更為明顯。

深海中不同環(huán)境因素之間相互影響，且易受到季節(jié)、氣候、洋流、地形等諸多因素的交互作用，對(duì)深海裝備結(jié)構(gòu)和材料的應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行深入了解和分析，開(kāi)展微生物實(shí)海試驗(yàn)研究，實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，是掌握深海裝備結(jié)構(gòu)和材料在深海環(huán)境中的腐蝕行為及性能的一項(xiàng)必不可少的重要工作。

3 深海微生物腐蝕研究方法由于深海環(huán)境的復(fù)雜性和特殊性，研究深海裝備的微生物腐蝕行為和腐蝕過(guò)程不是一件簡(jiǎn)單的事情。深海裝備微生物腐蝕的研究方法主要包括深海微生物的采集和培養(yǎng)技術(shù)、微生物腐蝕試驗(yàn)方法和微生物腐蝕檢測(cè)技術(shù)等。

首先，深海微生物的采集和培養(yǎng)技術(shù)方面。由于深海微生物種類的多樣性和特殊性，它們的采集和培養(yǎng)技術(shù)也具有廣泛性和特殊性。以前從深海采集的微生物樣品，需在常壓和高壓下分離、培養(yǎng)得到純種微生物，但這種方法只能提取到深海微生物的一小部分物種。目前對(duì)這些微生物物種已采用微生物微量板技術(shù)、分子生物學(xué)技術(shù)、掃描電鏡法、透射電鏡法、光電子能譜法、電子衍射法、激光共聚焦法等技術(shù)來(lái)鑒定深海微生物種類，了解腐蝕產(chǎn)物、代謝產(chǎn)物等的類型及組成。其中，分子生物學(xué)技術(shù)可開(kāi)展細(xì)菌的分子生物學(xué)研究，探究其附著機(jī)理，可得到更多的生物多樣性；掃描電鏡技術(shù)可用不經(jīng)脫水處理的生物樣品直接進(jìn)行觀察，保持了樣品的原有形貌，為深海微生物腐蝕的研究提供了強(qiáng)有力的技術(shù)手段，并且激光共聚焦技術(shù)可以在納米水平上對(duì)微觀形貌進(jìn)行掃描和三維觀察，可用于微生物腐蝕過(guò)程的原位分析，大大提高了對(duì)微生物腐蝕機(jī)理的認(rèn)識(shí)。在深海微生物的培養(yǎng)方面，高壓培養(yǎng)技術(shù)已經(jīng)成熟，但是從前期的微生物采樣到樣品的保存、轉(zhuǎn)移等過(guò)程中不能很好保持原位壓強(qiáng)，這一困難尚未有很好的解決方案。目前日本、法國(guó)已成功研制深海微生物培養(yǎng)與檢測(cè)設(shè)備。雖然設(shè)備體型龐大、操作復(fù)雜，不適合小型機(jī)構(gòu)開(kāi)展深海極端環(huán)境模擬，但是它可以從 6500m 水深的海底取樣，使其存活，還可保障其順利繁殖。國(guó)內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)也設(shè)計(jì)了一套地面模擬深海環(huán)境的微生物培養(yǎng)設(shè)備方案，其壓力在 0~60MPa 連續(xù)可控。

其次，深海微生物腐蝕實(shí)驗(yàn)方法方面。深海微生物腐蝕實(shí)驗(yàn)方法主要有實(shí)海測(cè)試方法和實(shí)驗(yàn)?zāi)M方法。實(shí)海測(cè)試方法可以最大限度的提供裝備在深海海域可靠的腐蝕信息，但其不穩(wěn)定因素（例如洋流、地震海嘯等）較多，難以對(duì)特定環(huán)境因素進(jìn)行控制和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，不能準(zhǔn)確得到特定環(huán)境因素對(duì)腐蝕行為的影響關(guān)系，只能定期觀測(cè)裝備的腐蝕形貌，得到的腐蝕信息有限，多為多強(qiáng)場(chǎng)耦合作用的結(jié)果信息。美、英等歐美發(fā)達(dá)國(guó)家在上世紀(jì) 60 年代到 90 年代已對(duì)不同材料的深海耐蝕性進(jìn)行了一系列的實(shí)海試驗(yàn)，取得了寶貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在深海實(shí)海試驗(yàn)方面，美國(guó)最早進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究工作。在距加州懷尼美港西南150km、海平面以下 1829m 以及距懷尼美港以西 139km、海平面以下 762m 的太平洋海底進(jìn)行了多種材料的深海腐蝕試驗(yàn)，其中除了生物腐蝕試驗(yàn)研究外，還包括應(yīng)力腐蝕、電偶腐蝕、焊接接頭腐蝕、涂層腐蝕、腐蝕產(chǎn)物分析等，獲得了很多實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。1975 年，前蘇聯(lián)在太平洋海域利用水文浮標(biāo)研究了碳鋼、不銹鋼、鋁合金等金屬材料的平均腐蝕速率和局部腐蝕程度，涉及水深范圍為10~5500m，腐蝕時(shí)間為20d和40d。同時(shí)，針對(duì)鋁鎂合金，英國(guó)研究了其在表層和深海中的腐蝕行為，為深海腐蝕材料的研究提供了支持。到上世紀(jì)八、九十年代，挪威在北部大陸架也開(kāi)展了深海腐蝕實(shí)海試驗(yàn)研究，并在北挪威海進(jìn)行了材料深海陰極保護(hù)參數(shù)的試驗(yàn)研究，深度為 100~1335m。到本世紀(jì)初，印度也在不同海域開(kāi)展了大量的實(shí)海試驗(yàn)，研究了 22 種結(jié)構(gòu)材料在深海海域的腐蝕行為，取得了大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)。我國(guó)于2008 年首次開(kāi)展了南海海域深海實(shí)海試驗(yàn)研究工作，涉及暴露試驗(yàn)、應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)、深海電位測(cè)量試驗(yàn)、深海微生物腐蝕試驗(yàn)等，取得了一定成果，為后續(xù)深海微生物腐蝕研究工作奠定了基礎(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)?zāi)M是一種有效的試驗(yàn)方法，不僅可以避免深海環(huán)境實(shí)海測(cè)試的高壓、低溫等困難，還可以對(duì)不同環(huán)境因素進(jìn)行模擬和控制，同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以此來(lái)模擬裝備在真實(shí)深海環(huán)境中的腐蝕情況和深海微生物腐蝕過(guò)程。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在實(shí)驗(yàn)?zāi)M方面開(kāi)展了許多研究，主要通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)模擬深海試驗(yàn)環(huán)境，以自行設(shè)計(jì)模擬深海實(shí)驗(yàn)設(shè)備為主，例如國(guó)外 Cormet 公司利用流動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)來(lái)搭建實(shí)驗(yàn)?zāi)M平臺(tái)，控制海水的溫度、壓力、溶解氧濃度等物理化學(xué)參數(shù)，所有實(shí)驗(yàn)參數(shù)均由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成控制；Seyfried 等設(shè)計(jì)并制造了一套高溫高壓控制系統(tǒng)；Haljasmaa 等設(shè)計(jì)了一種可用來(lái)模擬深海環(huán)境中不同壓力和溫度下海水溶解的CO 2 數(shù)據(jù)的試驗(yàn)平臺(tái)；美國(guó) Minnesota 大學(xué)地質(zhì)地球物理系研制了一套相對(duì)先進(jìn)的深海極端環(huán)境模擬裝置 , 可采用商業(yè)化控制閥技術(shù)實(shí)現(xiàn)微流量控制（精度小于 0.1mL），壓力可達(dá) 45MPa。國(guó)內(nèi)哈爾濱工程大學(xué)采用高壓釜作為反應(yīng)場(chǎng)所搭建了 2 套深海模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可控制壓力和溫度這兩個(gè)深海腐蝕參數(shù)，但目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)能夠在高壓水條件下精確測(cè)量深海溶解氧濃度的溶氧探頭；中船重工 725 所研發(fā)了擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的深海試驗(yàn)裝備，可實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓釜內(nèi)介質(zhì)溫度和壓力的精確控制，但無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度的變化，也無(wú)法控制和測(cè)量溶解氧濃度的變化；浙江大學(xué)研制了一套用來(lái)模擬深海生物生長(zhǎng)環(huán)境的高溫高壓實(shí)驗(yàn)?zāi)M平臺(tái)，溫度、壓力和流速可調(diào)，并能添加微生物營(yíng)養(yǎng)成分，最高壓力可達(dá) 60MPa；哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出了一個(gè)完整的地面模擬深海環(huán)境微生物培養(yǎng)設(shè)備的設(shè)計(jì)方案，探討了高壓密封、腐蝕防護(hù)、取樣觀察等關(guān)鍵技術(shù)；北京康科聯(lián)新技術(shù)有限公司設(shè)計(jì)了一套用于模擬深海環(huán)境材料耐腐蝕性能的實(shí)驗(yàn)裝置，可模擬深海低溫高壓環(huán)境；尹衍升等研發(fā)了一套用于研究材料在深海熱液區(qū)腐蝕行為的熱腐蝕模擬裝置，可準(zhǔn)確模擬海底熱液區(qū)溫度和腐蝕環(huán)境，為海洋材料的開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。

除此之外，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所、中國(guó)海洋大學(xué)、北京科技大學(xué)等也搭建了各自需求的深海實(shí)驗(yàn)?zāi)M平臺(tái)，都可以對(duì)溫度和壓力參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和控制，但都未涉及溶解氧濃度的精確測(cè)試問(wèn)題。

深海環(huán)境實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置的設(shè)計(jì)和研究都還有很多不足，需要開(kāi)展進(jìn)一步的研究以提高實(shí)驗(yàn)?zāi)M的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

最后，微生物腐蝕檢測(cè)技術(shù)方面。

深海微生物腐蝕涉及物理、化學(xué)、材料等多個(gè)研究領(lǐng)域，研究對(duì)象包含基體材料、電化學(xué)，需要采用電化學(xué)、微生物學(xué)、化學(xué)分析方法、表面分析方法等多種技術(shù)手段進(jìn)行腐蝕行為及腐蝕過(guò)程的測(cè)試與分析。同時(shí)，也在設(shè)計(jì)不同的微電極和腐蝕原電池模型用于腐蝕過(guò)程研究。

電化學(xué)方法研究深海裝備微生物腐蝕主要是利用極化法、阻抗法、噪聲法等間接或直接檢測(cè)微生物膜引起的電化學(xué)參數(shù)的變化，了解微生物腐蝕的行為和過(guò)程。電化學(xué)極化是指電極反應(yīng)過(guò)程速度由電化學(xué)步驟來(lái)控制的極化。在電化學(xué)極化技術(shù)中，依據(jù)極化曲線的變化趨勢(shì)可以了解電極極化的程度，獲得相應(yīng)的電化學(xué)參數(shù)，從而分析微生物腐蝕程度和腐蝕行為。電化學(xué)阻抗譜（EIS）方法是電化學(xué)腐蝕檢測(cè)的一種重要研究方法。它利用小幅度正弦波對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行擾動(dòng)，獲得系統(tǒng)反饋信息和響應(yīng)結(jié)果，從而得到相關(guān)的電化學(xué)參數(shù)，是一種從頻域獲得被測(cè)信號(hào)的監(jiān)測(cè)技術(shù)，可以在 10-4~10-5Hz 頻率范圍內(nèi)獲得電極界面發(fā)生變化的動(dòng)力學(xué)信息。同時(shí)，依據(jù)電化學(xué)阻抗譜圖（Nyquist 圖和 Bode圖），可推測(cè)出各個(gè)狀態(tài)參量對(duì)電極狀態(tài)的影響，得到腐蝕體系的電化學(xué)參數(shù)信息。等效電路法是電化學(xué)阻抗譜分析的常用方法，通過(guò)建立等效電路獲得各個(gè)界面的主要參數(shù)，并通過(guò)用相位角元件替代電極的雙電層電容來(lái)避免“彌散效應(yīng)”的發(fā)生。電化學(xué)阻抗譜技術(shù)應(yīng)用的重要領(lǐng)域是金屬腐蝕領(lǐng)域，通過(guò)測(cè)量阻抗譜可獲得極化電阻（與腐蝕電流大小成反比）和界面電容（反映腐蝕金屬表面粗糙度變化、鈍化膜的形成及破壞、腐蝕產(chǎn)物的形成等），還可揭示腐蝕行為和腐蝕過(guò)程的變化規(guī)律。Arzola-Peralta 等采用電化學(xué)阻抗譜技術(shù)研究了碳鋼在不同濃度 Na 2 SO 4 溶液中的腐蝕電流密度和腐蝕機(jī)理。Zhang 等利用局部電化學(xué)阻抗譜研究 Fe-Cr 合金在幾種不同 pH 值溶液中的腐蝕行為，其耐蝕性能隨著溶液 pH 值的不同而不同。閆林娜等用極化曲線和阻抗譜研究了 304不銹鋼在海水中的腐蝕行為，指出海水中的細(xì)菌對(duì)其的腐蝕起到促進(jìn)作用，可誘導(dǎo)不銹鋼點(diǎn)蝕的發(fā)生。隨著科技的不斷發(fā)展，電化學(xué)阻抗譜技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到金屬電沉積、合金電鍍、半導(dǎo)體材料、生物傳感器等領(lǐng)域，且已開(kāi)發(fā)出模擬軟件來(lái)輔助電化學(xué)阻抗譜解析，例如ZView、Equivcrt、EIS300 等。電化學(xué)噪聲（EN）是電極反應(yīng)導(dǎo)致變量信號(hào)發(fā)生隨機(jī)波動(dòng)的現(xiàn)象，是在恒定電流下測(cè)量電極表面電流隨時(shí)間的變化情況，是一種原位無(wú)損的檢測(cè)方法。電化學(xué)噪聲法是一種新穎的電化學(xué)研究方法，很多研究者都采用此方法對(duì)金屬的局部腐蝕進(jìn)行了研究和分析，例如 Rios 等利用電化學(xué)噪聲法研究浸泡在海水中鋼材的腐蝕過(guò)程和腐蝕行為；Cai 等利用電化學(xué)噪聲法獲得了純鋁在氯化鈉溶液中點(diǎn)蝕過(guò)程的噪聲特征，與腐蝕形貌有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系；Sakairi 等利用此技術(shù)研究了金屬離子對(duì)浸在低濃度氯離子溶液中的鋁合金的電偶腐蝕行為的作用關(guān)系。電化學(xué)噪聲法在金屬腐蝕領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，除此之外，還在微生物腐蝕機(jī)理、表面膜的動(dòng)態(tài)特性、材料腐蝕速率等方面發(fā)揮著舉足輕重的作用。

研究深海裝備微生物腐蝕的微生物學(xué)技術(shù)方法包括利用微生物試驗(yàn)方法分離、培養(yǎng)、鑒定微生物的種類，運(yùn)用生物學(xué)染色方法等觀察分析微生物附著的形態(tài)特征，并開(kāi)展微生物尤其是細(xì)菌的分子生物學(xué)研究，探究其附著機(jī)理；運(yùn)用生物工程技術(shù)制備生物探針，評(píng)測(cè)微生物膜特征及性能；檢測(cè)膜內(nèi)腐蝕微生物，開(kāi)展微生物間相互作用及其代謝產(chǎn)物的研究；運(yùn)用生物化學(xué)方法分析菌株的生理特征及對(duì)防腐劑的抗性機(jī)理等。

微生物學(xué)技術(shù)在微生物膜的探測(cè)和構(gòu)成、表面附著機(jī)理及菌株抗性機(jī)理等方面發(fā)揮著重要作用，是探測(cè)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的重要技術(shù)手段。

化學(xué)分析方法一般包括有機(jī)化學(xué)分析和無(wú)機(jī)化學(xué)分析，分析對(duì)象分別為材料基體和微生物腐蝕產(chǎn)物（如硫酸鹽還原菌腐蝕產(chǎn)物硫化氫和鐵硫化物等）。

無(wú)機(jī)化學(xué)分析雖然可以描述微生物的腐蝕水平，但還無(wú)法真正揭示微生物腐蝕的原因。另外，化學(xué)分析方法還涉及環(huán)境因素分析，例如酸堿度、鹽度、溶氧量等。

表面分析方法是指利用電子、光子、離子、原子、電場(chǎng)、熱能等與固體表面的相互作用，測(cè)量從表面散射的粒子的能譜、光譜、質(zhì)譜、空間分布，得到表面結(jié)構(gòu)、表面成分、表面物理化學(xué)過(guò)程等信息的各種技術(shù)的統(tǒng)稱。它不僅可以觀察到深海微生物腐蝕的表面形貌和腐蝕特征，還可以用于分析腐蝕產(chǎn)物的成分和表面膜特征，是研究深海微生物腐蝕的重要手段。

另外，掃描電鏡、透射電鏡、高效液相色譜儀、紅外光譜儀、激光共聚焦顯微鏡、光電子能譜等，為分析微生物腐蝕表面形貌、腐蝕類型等提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐，成為研究微生物腐蝕行為和腐蝕機(jī)理強(qiáng)有力的手段 ，大大提高了對(duì)微生物腐蝕機(jī)理的認(rèn)知。

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展和腐蝕監(jiān)測(cè)儀器的廣泛普及，微生物腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)逐步向?qū)崟r(shí)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)方向發(fā)展，微生物腐蝕監(jiān)測(cè)設(shè)備向更加的自動(dòng)化、智能化、快速化發(fā)展，可針對(duì)不同腐蝕類型，快速實(shí)現(xiàn)腐蝕的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理，提高監(jiān)測(cè)效率，降低監(jiān)測(cè)誤差率，完善腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能及安全指數(shù)，為搭建完整的多功能腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為腐蝕監(jiān)測(cè)信息的獲得和評(píng)估提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

4 深海裝備微生物腐蝕的防護(hù)措施在深海環(huán)境下，水下裝備一般采用涂層保護(hù)、陰極保護(hù)或是對(duì)裝備表面進(jìn)行特殊工藝處理的方式來(lái)進(jìn)行微生物腐蝕的防護(hù)。

涂層保護(hù)是指在裝備的內(nèi)外表面進(jìn)行涂層保護(hù)，通過(guò)涂層的隔離作用來(lái)防止周圍環(huán)境中的水、微生物及腐蝕介質(zhì)進(jìn)入，抑制電化學(xué)、化學(xué)反應(yīng)，以達(dá)到防腐的目的。為了提高涂層保護(hù)的防腐效果，水下裝備的表面性能和涂層屬性在其中扮演著重要的角色。良好的表面和優(yōu)質(zhì)的涂層大大提高了深海裝備的涂層保護(hù)效果，有效抑制了深海裝備的微生物腐蝕。在深海環(huán)境下，由于壓力很高，一般使用環(huán)氧瀝青、噴塑、聚烯等涂層用于深海裝備、管線防腐控制。也可根據(jù)深海裝備的操作工況，選擇合適的涂層進(jìn)行防腐保護(hù)，例如在高溫（大于 110℃）時(shí)，一般選用 FBE/PP 涂層進(jìn)行腐蝕控制，而在 70℃時(shí)一般選用 PE或人造橡膠涂層。

陰極保護(hù)是一種控制金屬電化學(xué)腐蝕的防護(hù)方法，可以有效地抑制深海裝備碳鋼及不銹鋼的微生物腐蝕。采用陰極保護(hù)方法后，保護(hù)一旦停止，微生物附著引起的腐蝕將會(huì)對(duì)深海裝備造成非常嚴(yán)重的后果。常用的陰極保護(hù)方法主要有犧牲陽(yáng)極法和采用外部施加電流的陰極保護(hù)技術(shù)。在海洋環(huán)境中，通常采用的陽(yáng)極材料是鋁 - 鋅 - 銦的合金材料，會(huì)大大減弱海洋裝備（如船舶、潛艇等）、海洋設(shè)施等構(gòu)筑物表面的腐蝕問(wèn)題。

對(duì)裝備表面進(jìn)行一定的特殊工藝處理也可以起到防腐的效果，例如加注緩蝕劑、合金表面氧化工藝等。通過(guò)采用加入緩蝕劑工藝，在深海裝備表面形成穩(wěn)定的保護(hù)膜，從而達(dá)到防腐的目的。

這種加入緩蝕劑工藝需要確保緩蝕劑準(zhǔn)確到達(dá)被保護(hù)位置并有足夠的緩蝕劑量才能達(dá)到預(yù)期的減腐和防腐目的，常用的緩蝕劑主要是含氮有機(jī)物。除了深海裝備外，深海油氣管道的一種重要防腐措施也是這種加注緩蝕劑法。

對(duì)鋁制或是鋁合金制深海裝備及其部件表面進(jìn)行氧化工藝處理，也可以達(dá)到防腐的目的。這種工藝是通過(guò)增加裝備表面的氧化膜來(lái)實(shí)現(xiàn)鋁合金制的防腐效果 ，主要有化學(xué)氧化法和陽(yáng)極氧化法兩種。化學(xué)氧化方法主要有磷酸鹽 -鉻酸鹽法、堿性鉻酸鹽法和磷酸鋅成膜法等，而陽(yáng)極氧化法主要是采用硫酸法、鉻酸法和草酸法等工藝。另外，對(duì)于鋁制或是鋁合金制深海裝備及其部件采用一定的熱處理工藝也可以達(dá)到防腐的目的。

5 結(jié)語(yǔ)與展望近些年，深海領(lǐng)域的研究逐漸成為各國(guó)研究競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)，尤其是深海微生物的研究。在深海惡劣環(huán)境下對(duì)深海微生物腐蝕的研究，不僅為深海裝備結(jié)構(gòu)和材料的微生物腐蝕提供依據(jù)，也為極端環(huán)境下維持深海裝備的穩(wěn)定性和可靠性提供資料。由于深海環(huán)境的苛刻條件，深海環(huán)境中的微生物腐蝕面臨著多種因素的影響，研究比較復(fù)雜，具有很大的挑戰(zhàn)性。

 

目前，雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者已在深海實(shí)海試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)?zāi)M試驗(yàn)研究中獲得了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，但是有關(guān)深海微生物腐蝕的研究不多，深海環(huán)境模擬的方法和技術(shù)也尚有很多不確定因素和不足之處，還需大力開(kāi)展深海微生物腐蝕方面的研究，以提高工程裝備在深海極端環(huán)境下運(yùn)行的穩(wěn)定性。同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)以應(yīng)用為目的的深海裝備微生物腐蝕性能研究，探索其在深海極端環(huán)境中的腐蝕規(guī)律和防護(hù)方法，為深海裝備科學(xué)合理的應(yīng)用提供重要保障；應(yīng)注重實(shí)海試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)?zāi)M試驗(yàn)的結(jié)合，有效地研究深海微生物腐蝕行為和腐蝕過(guò)程，建立深海微生物腐蝕數(shù)據(jù)庫(kù)，為深海裝備結(jié)構(gòu)和材料的選用提供可靠依據(jù)，這也是今后深海環(huán)境腐蝕研究的重要方向；應(yīng)有效共享相關(guān)學(xué)科的深海環(huán)境研究平臺(tái)和資源，發(fā)揮學(xué)科專業(yè)優(yōu)勢(shì)，建立互惠互利、共贏的深海環(huán)境研究方法，加快深海環(huán)境微生物腐蝕研究步伐，為深海裝備的設(shè)計(jì)應(yīng)用、深海資源的開(kāi)發(fā)利用、深海生態(tài)環(huán)境的探索提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持和保障。