進入２１世紀，中國船舶及海洋石油工業(yè)迎來了高速增長的新時期，成為中國國民經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱。就船舶行業(yè)而言，據(jù)英國克拉克松 研 究 數(shù)據(jù)表明，２０１０年中國造船完工量、新接訂單量、手持訂單量分別 占 據(jù) 世 界 市 場 份 額 的４１.９％、４８.５％、４０.８％，均位居世界第一，中國成為世界造船中心。

在海洋石油工業(yè)領(lǐng)域，“十一五”期間，中國海上油氣開發(fā)投入１２００億 元 人 民 幣，建 設(shè) 了１５個 海 洋 油 氣田，７６座平臺、６座 ＦＰＳＯ，鋪設(shè)了１４００多公里海底管線，２０１０年 海 洋 油 氣 產(chǎn) 量 實 現(xiàn) 了５０００ 萬ｔ油 當量。僅根據(jù)中海油規(guī)劃，“十二五”期間將新建５０００萬ｔ油當量產(chǎn)能。預(yù)計“十二五”、“十 三 五”海 洋 石油工業(yè)投入將分別達到６７００億元和９５００億元人民幣，其中僅海洋工程裝備市場投資將達到２５００億～３０００億元人民 幣。目前中國船廠能建造國際航運界所需船型的９５％左右，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 箱 第 ６ 代 集 裝 箱 船、１４.７ 萬 ｍ３ＬＮＧ 船、１２２ｍ 自升式鉆井平臺ＪＵ２０００等，目前已有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。

船舶及海洋石油工業(yè)的飛速發(fā)展對造船及海洋工程用鋼提出了迫切需求。為適應(yīng)船體高效化的建造需求，對船板鋼提出了１００～５００ｋＪ／ｃｍ 的大線能量 焊 接 要 求，從而實現(xiàn)了船板鋼的一次焊接成型；為提高船體運行安全性，延長鋼材使用壽命，對壓載艙、貨油艙船板鋼提出了耐腐蝕的要求，提高運行壽命的同時降低了維護成本；大型船體建造提出了４３號 大 規(guī) 格 的 Ｄ４０球 扁 鋼 的 需 求，突 破 了傳統(tǒng)型鋼生 產(chǎn) 開 發(fā) 的 極 限；自 升 式 海 洋 平 臺 樁腿構(gòu)件需要１２７～２１０ｍｍ 厚高強度特厚板，突破了中厚板生產(chǎn)厚度規(guī)格極限；油氣儲運設(shè)備提出了超低溫用鋼鐵材料，最低使用溫度達到－１９６℃，服役環(huán)境極為苛刻。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)液化 天然 氣 （ＬＮＧ）、液 化 石 油 氣 （ＬＰＧ）、液 化 乙 烯 氣（ＬＥＧ）等低溫油氣的不同使用溫度要求，研制開發(fā)了 Ｎｉ的質(zhì)量分數(shù)分別為９％、５％或３。５％等 Ｎｉ系低溫鋼。總之，高強度、高韌性、易焊接性、良好的耐腐蝕性以及大厚度、大規(guī)格化是船舶及海洋工程用鋼的發(fā)展方向。

但是，中國和世界上先進的船舶制造及海洋工程裝備設(shè)計制造技術(shù)相比，還存在很大差距。在中國船企建造的船舶中，６０％～７０％主要以低技術(shù)含量的散貨船為主，高技術(shù)含量的鉆井船及液化天然氣船等承接量少。在海洋工程裝備領(lǐng)域，國外深水鉆探最大水深已達３０９５ｍ，中國為１４８０ｍ。國外已開發(fā)油氣田最大水深為２７４３ｍ，中國為３００ｍ，其中自主開發(fā)的裝備采油能 力 不 大 于２００ｍ 水 深，與 國外 有 近 １０ 年 的 距 離。 南 中 國 海 水 深 在 ５００～２０００ｍ，中國目前還不具備在這種海域進行油氣勘探和生產(chǎn)的裝備技術(shù)。為此，必須要開發(fā)一系列高新技術(shù)和產(chǎn)品作為支持，而系列高品質(zhì)船舶及海洋工程用鋼的開發(fā)是其重要組成部分，它將為推進中國船舶工業(yè)及海洋石油工業(yè)的發(fā)展，保障中國能源、運輸?shù)刃袠I(yè)的安全奠定良好的基礎(chǔ)。

１ 造船及海洋工程用鋼的研究進展

鋼 材 是 造 船 及 海 洋 工 程 結(jié) 構(gòu) 建 造 的 主 要 原 材料，占 據(jù) 了 船 體 及 海 洋 工 程 建 造 成 本 的 ２０％ ～３０％。涉及的鋼材品種主要包括鋼板、型鋼（船用球扁鋼、Ｈ 型 鋼、角 鋼 等）、鑄鍛鋼以及配套焊接材 料等。其中船體建造耗用鋼材量約占全船質(zhì)量的６０％左右，其中板材又占８８％左右。

高強度、高韌性是造船和海洋工程用鋼的基本要求。早期大型船體結(jié)構(gòu)多采用２３５ＭＰａ級 以 下的鋼板，隨著船體結(jié)構(gòu)的安全性要求的不斷提高，船用鋼板的強度在逐步提高，由２３５ＭＰａ逐步升級到３１５ＭＰａ以及３５５ＭＰａ，鋼的質(zhì)量等級也從 Ａ 級 提高到 Ｅ級甚至 Ｆ級。到２０世紀９０年代，隨著船舶的大型化、輕量化和高速化的要求，日本和歐洲率先開發(fā)出屈服強度 為３９０ＭＰａ級 的 ＴＭＣＰ 型 高 強 船板（ＹＰ４０Ｋ），主要用在船體受應(yīng)力比較大的舷側(cè)舷緣頂板和強力甲板上。目前，在大型散裝貨船和集裝箱船中，３９０ＭＰａ級的高強度鋼已占主導(dǎo)地位，ＴＭＣＰ工藝生產(chǎn)的船體鋼的強度級別已經(jīng)達到５５０ＭＰａ級以上，在海洋平臺等大型海洋結(jié)構(gòu) 中 獲得廣泛應(yīng)用。海洋工程中自升式鉆井平臺的樁腿結(jié)構(gòu)，如齒條板、半圓板和無縫支撐管等部位，均要求屈服強度６９０ＭＰａ以上的高強度低合金鋼，同時對低溫沖擊韌性的要求也極為苛刻，即使在普通工況條件也要求考核－４０ ℃（Ｅ級）的低溫沖擊性能，在寒冷或極寒條件下考核－６０℃（Ｆ 級）甚 至－８０℃的低溫沖擊性能。而一些低溫油氣儲運用鋼對低溫沖擊性能的要求更為苛刻，如儲存 ＬＮＧ 的９Ｎｉ鋼要求考核－１９６℃的低溫沖擊功達到１００Ｊ以上，儲 運 ＬＥＧ 的 ５Ｎｉ 鋼 也 要 求 考 核 －１２０℃ 沖 擊功。

焊接性也是船體結(jié)構(gòu)鋼關(guān)注的重點問題之一。２０世紀３０年 代 以 前，船體結(jié)構(gòu)大都采用鉚接或螺栓連接。第二次世界大戰(zhàn)前后，焊接技術(shù)開始普遍應(yīng)用在船體結(jié)構(gòu)上，對船體鋼的焊接性和焊接工藝也提出了越來越高的要求。焊接時，鋼板的焊接熱影響區(qū) ＨＡＺ必 須 經(jīng) 受 高 溫 熱 循 環(huán)，這 很 容 易 引 起鋼板 ＨＡＺ的組織粗化，顯著降低 ＨＡＺ的韌性。特別是近幾年 來，為 降 低 建 造 成 本、提 高 造 船 的 生 產(chǎn)率，造船廠強烈要求采用大線能量焊接。國外廣泛采用１００～５００ｋＪ／ｃｍ 大線能量焊接。為此，各國開發(fā)了一系列大線能量焊接船體鋼，如日本于２０世紀８０年代初期研制的 ＹＰ３３５鋼、９０年代中期研制 的ＹＰ３９０和目前正在研制的 ＹＰ４６０鋼等。

船舶及海洋工程結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性近年來越來越受到人們的關(guān)注。近年來，國際海事組織（ＩＭＯ）先后通過了壓載艙涂層防護標準（ＰＳＰＣ）以及貨 油 艙用耐腐蝕鋼性能標準（ＭＳＣ８７），這使得相關(guān)的研究工作變得更加緊迫。在壓載艙環(huán)境下，船板鋼經(jīng)受高溫、高濕以及 Ｃｌ－ 的共同侵蝕，尤其在壓載艙的潮差部位船板鋼發(fā)生嚴重的局部腐蝕。ＪＦＥ鋼鐵開發(fā)出了可抑制船舶壓載艙涂膜劣化的新型高耐腐蝕性壓載艙 用 鋼“ＪＦＥ－ＳＩＰ－ＢＴ”。由 于 找 到 可 抑 制 涂 裝后涂膜劣化的元素，提高了基于腐蝕生成物的鋼材保護性能，可將涂膜膨脹及剝離等涂膜的劣化速度減慢到原鋼材的一半左右。新日鐵等通過提高鋼材的純凈度，添 加 Ｎｉ、Ｃｕ、Ｗ、Ｍｏ等 耐 蝕 合 金 元 素 的方法研制開發(fā)的 Ｄ３６貨油艙用耐腐蝕鋼，將船體結(jié)構(gòu)的使用壽命從１５年提高到２５年，開發(fā)的貨油艙用耐腐蝕鋼腐蝕速率約為傳統(tǒng)鋼的１／４。

厚度規(guī)格也是船體鋼技術(shù)水平的重要標志之一。雖然一般船體結(jié)構(gòu)中對船體鋼厚板規(guī)格最多要求到４０ｍｍ，但中國新的船體鋼標準 ＧＢ７１２-２０１１已將規(guī)格上限擴大到１５０ｍｍ，厚規(guī)格船體鋼主要用于海洋平臺等大型海洋結(jié)構(gòu)中。自升式鉆井平臺的樁腿用齒條板，其厚度普遍 大 于１００ｍｍ，目 前 的 主力型號ＪＵ２０００齒條板一般采用１７８ ｍｍ 厚 鋼 板。

厚規(guī)格船板和平臺用鋼重要的性能指標之一是抗層狀撕裂性能。由于軋制變形量較小以及鑄坯偏析的影響，厚板 Ｚ 向（即 厚 度 方 向）性能一般顯著低于縱、橫向性 能。ＧＢ５３１３-２０１０對 有 厚 度 方 向 性 能要求的鋼板進行了規(guī)定，其中最高級別的 Ｚ３５鋼要求斷面收縮 率 大 于 等 于３５％。大 型 船 體 結(jié) 構(gòu) 不 僅對鋼板提出了厚規(guī)格要求，也對船用型鋼提出了厚規(guī)格 要 求。３０萬ｔ級大型船舶舭龍骨部位要求 使用４３ 號 大 規(guī) 格 Ｄ４０ 球 扁 鋼，腹 板 厚 度 最 大 達２０ｍｍ，是目前研制型鋼中強韌性要求最高、截面尺寸最大的型材。型材一般采用孔型軋制生產(chǎn)，由于道次變形量低、終軋溫度高、軋后無法實現(xiàn)快冷等特點，因此大規(guī)格高強度型鋼較鋼板技術(shù)難度更大。

船舶用鋼板應(yīng)具有良好的止裂特性。近 年 來，散裝貨船的破損事故和巨型油輪（ＶＬＣＣ）的觸礁事故不斷增多，除從設(shè)計上進行改進外，在造船用鋼方面，則要求船的碰撞和觸礁產(chǎn)生較大塑性變形（１０％）時，造船用鋼板必須具有良好的抗脆性裂紋傳播的止裂 特 性。采 用 ＴＭＣＰ 工 藝 可 生 產(chǎn) 出 表 層具有超細晶粒組織的鋼板，厚度方向性能均勻，具有良好的阻止脆性裂紋擴展的能力。這種船板鋼已成功地用于石油液化氣（ＬＰＧ）船和散裝貨船剪切應(yīng)力最大的部位。隨造船工業(yè)的發(fā)展，船舶對止裂鋼板的需求將越來越多。

２ 高品質(zhì)造船及海洋工程用鋼開發(fā)

２.１ 大線能量焊接船板鋼

采用“氧化物冶金”的技術(shù)思路開展了大線能量焊接用鋼的 研 究 開 發(fā) 工 作。研 究 了 Ｔｉ處 理、Ｚｒ處理、復(fù)合 Ｔｉ－Ｍｇ處理、復(fù)合 Ｔｉ－Ｚｒ處理對船體鋼大線能量焊接性的影響。對試驗鋼進行２０～２００ｋＪ／ｃｍ的焊接熱模擬試驗，焊接熱模擬最高加熱峰值溫度１３５０℃。結(jié)果 表 明，Ｔｉ－Ｍｇ、Ｔｉ－Ｚｒ復(fù) 合 處 理 后，鋼中獲得了大量細小的復(fù)合含 Ｔｉ氧化物粒子（圖１），其直徑約１～２μｍ。比較各種脫氧處理條件下焊接熱影響區(qū)的低溫韌性可以看 出（圖２），普 通 未 進 行任何處理的 Ｃ－Ｍｎ鋼焊后熱影響區(qū)的整體低溫韌性水平較低，其中線能量 Ｅ 大 于５０ｋＪ／ｃｍ 時，低 溫 韌性顯著降低，僅為１０Ｊ左右。經(jīng)過不同合金脫氧處理后模擬焊接粗晶區(qū)的低溫韌性顯著提高。其中經(jīng)Ｔｉ－Ｍｇ處理（低 Ｍｇ）后粗晶區(qū)的低溫韌性水平最高，各種線能量下的低溫沖擊值均在３００Ｊ以上，且隨線能量的變化不敏感。對比焊接熱影響區(qū)的組織（圖３）可以看出，Ａｌ處理鋼中主要得到大量平行排列的側(cè)板條鐵素體組織，Ｔｉ－Ｍｇ復(fù)合處理鋼中主要得到大量交錯排列的晶內(nèi)鐵素體組織。采用 Ｔｉ－Ｍｇ復(fù)合脫氧處理的方法，在工業(yè)大生產(chǎn)條件下研制開發(fā)了１００～２４０ｋＪ／ｃｍ 大線能量焊接用鋼，鋼板最大厚度為８０ｍｍ。

２.２ 油船貨油艙用耐腐蝕鋼

深入分析了船板鋼在貨油艙上甲板、內(nèi)底板環(huán)境下的腐蝕行為，研究了提高船板鋼耐蝕性的不同技術(shù)思路。通過不同的耐蝕合金設(shè)計，研究了多種合金元素對船板鋼在貨油艙腐蝕環(huán)境下的耐蝕性。圖４為３種不同合金元素對腐蝕速率的影響規(guī)律。從研究結(jié)果可以看出，在內(nèi)底板腐蝕環(huán)境下，微量合金元 素 對 船 板 鋼 的 耐 蝕性存在顯著影響。添 加０.１％以上的 Ｂ和 Ｃ耐蝕合金元素可以使腐蝕速率顯著降低到 原 來 的１／４～１／３。觀 察 腐 蝕 后 的 形 貌（圖５）可 以 看 出，在ＩＭＯ 貨 油 艙 內(nèi) 底 板 腐 蝕 環(huán) 境下，傳統(tǒng)鋼表面主要形成大量直徑大而深的腐蝕點蝕坑，而開發(fā)的耐蝕鋼表面只出現(xiàn)少量小而淺的點蝕 坑，點蝕坑的深度／直徑比顯著降低。根據(jù)上述結(jié)果研制開發(fā)的工業(yè)鋼（ＮＳＤ３２、ＮＳＤ３６）內(nèi)底板腐蝕速率均低于１ｍｍ／ａ的標準腐蝕速率要求（圖６），其中 ＮＳＤ３６鋼腐蝕速率最低可以達到０.３８ｍｍ／ａ的超低水平，約為傳統(tǒng)鋼的１／１３。

２.３ 大規(guī)格船用球扁鋼

綜合利用新型的釩氮微合金化設(shè)計＋碳氮化釩控制析出 軋 制 工 藝（ＰＣＲＰ），集 成 創(chuàng) 新 開 發(fā) 出 高 韌性、大 規(guī) 格 船 用 球 扁 鋼 品 種 技 術(shù)。依 靠 奧 氏 體 中 析出的碳氮化釩促進晶內(nèi)鐵素體形核（圖７），顯 著 地細化了最終的鐵素體晶粒尺寸，獲得顯著的細晶強化效果。同時，依靠鐵素體中彌散析出的碳氮化釩的析出強化作用，顯著提高鋼的強度。利用上述技術(shù)思路，可以在傳統(tǒng)孔型軋制條件下研究開發(fā)出屈服強度３５５、３９０、４４０ＭＰａ級 系 列 高 韌 性 船 用 球 扁鋼品種。其中研 制 開 發(fā) 的 Ｄ４０極 限 規(guī) 格４３號（邊長４３０ｍｍ、腹板厚 度２０ｍｍ）熱軋船用球扁鋼屈服強度高于４１０ＭＰａ，－４０℃沖擊功達到２００Ｊ（圖８）。高韌性、高強度、大規(guī)格船用球扁鋼的開發(fā)解決了高韌性艦船用球扁鋼品種技術(shù)難題，滿足了中國船體建造的需要。

２.４ 海洋平臺特厚齒條鋼

隨著海洋石油工業(yè)的深入開展和鉆采難度的加大，對自升式鉆井平臺用齒條鋼提出了大厚度、高強度、高韌性的發(fā)展要求，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)品開發(fā)的難點。研究了不同合金元素復(fù)合處理對齒條鋼淬透性的影響，結(jié)果表明，采用微 Ｂ＋固 Ｎ 元素的復(fù)合處理可以在獲得良好強韌性的條件下大幅度提高齒條鋼的淬透性（圖９（ａ））。同時，采用微 Ｔｉ處理或稍過量的 Ａｌ處理，均可使微量Ｂ的固溶比例達到５０％以上（圖９（ｂ）），且偏聚于奧氏體晶界處，有效地延緩了高溫相變，顯著提高齒條鋼的淬透性。

采取 上 述 合 金 優(yōu) 化 思 路，工業(yè)生產(chǎn)獲得了截面均勻 的 淬 透 組 織 和 良 好 力 學 性 能 的 特 厚 齒 條鋼。對 于 １５２ｍｍ 厚 的 齒 條 鋼，即使在鋼板的心部，淬火冷 卻 速 率 僅 為１℃／ｓ左 右，通 過 上 述 合 金設(shè)計和工 藝 配 合，也可獲得以馬氏體 ＋ 下 貝 氏 體為主的顯微 組 織（圖１０），基于該思路開發(fā)的齒條鋼和國內(nèi) 外 先 進 技 術(shù) 相 比，具 有 較 高 的 強 韌 性 水平（圖１１）。

２.５ ９Ｎｉ低溫鋼

隨著 ＬＮＧ 工業(yè)的迅猛發(fā)展，９Ｎｉ低 溫 鋼 的 研究和 開 發(fā) 熱 度 持 續(xù) 升 溫。ＬＮＧ 的 儲 存 溫 度 為－１６３℃，要求 ＬＮＧ 儲罐內(nèi)壁 用９Ｎｉ鋼，具 有 較 高的強度、良 好 的 低 溫 韌 性 和 較 小 的 波 動。研 究 發(fā)現(xiàn)，采用 ＱＬＴ熱處理（在 ＱＴ調(diào)質(zhì)處理中增加一道兩相區(qū) 淬 火），可在強度略微降低的情況下，顯 著提 高９Ｎｉ鋼 的 低 溫 韌 性，同 時 大 大 擴 展９Ｎｉ鋼 的 熱處理工藝窗口，提高９Ｎｉ鋼的性能穩(wěn)定性（圖１２）。

進一步研究顯示，９Ｎｉ鋼的良好低溫韌性與 其中形成的一定含量的逆轉(zhuǎn)變奧氏體有密切關(guān)系（圖１３）。在９Ｎｉ鋼中形成５％～１５％左右的、熱穩(wěn)定性高的逆轉(zhuǎn)變奧氏體，可韌化馬氏體基體，在受載變形過程中吸收能量，提高相變誘導(dǎo)塑性能力。在一定范圍內(nèi)，９Ｎｉ鋼的逆轉(zhuǎn)變奧氏體含量越高，低溫韌性越好。

９Ｎｉ鋼逆轉(zhuǎn)變奧氏體的形成和穩(wěn)定性，與 Ｃ、Ｎｉ、Ｍｎ等奧氏 體 穩(wěn) 定 元 素 的 顯 著 富 集 具 有 密 切 的關(guān)系（圖１４）。理論計算和試驗結(jié)果顯示，采用適當?shù)墓に囂幚恚梗危殇撝?Ｃ、Ｎｉ、Ｍｎ元素的質(zhì)量分數(shù)最高可分別達到０。５％、２５％和２％左右，使熱處理過程形成的奧氏體可穩(wěn)定保持到室溫，即使冷卻至液氮溫度也不發(fā)生轉(zhuǎn)變。逆轉(zhuǎn)變奧氏體的控制技術(shù)，也是改善和提高９Ｎｉ鋼低溫斷裂韌性尤其是止裂韌性的關(guān)鍵工藝技術(shù)之一。

３ 結(jié)語

高技術(shù)船舶及海洋工程的國產(chǎn)化是建立在高端材料和技術(shù)大量依賴進口的背景之上的。要實現(xiàn)中國成為世界造船強國的戰(zhàn)略目標，還有大量關(guān)鍵技術(shù)需要突破，其中的核心問題之一就是高品質(zhì)造船及海洋工程用鋼的研發(fā)和推廣應(yīng)用。

船舶及海洋石油工業(yè)的飛速發(fā)展給造船及海洋工程用鋼提出了高強度、高韌性、大線能量焊接及耐腐蝕性的要求，同時還需要具備大厚度及大尺寸規(guī)格的要求。采用 Ｍｇ－Ｔｉ復(fù)合處理技術(shù)，開發(fā)出了適合１００～２００ｋＪ／ｃｍ 的 大 線 能 量 焊 接 船 體 鋼，其 在２００ｋＪ／ｃｍ 的大線 能 量 焊 接 時，焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)－２０℃沖擊 功 高 達３５０Ｊ。通 過 超 純 凈 度 冶 煉 及添加增加耐蝕性能合金元素的方法開發(fā)出了 ＮＳ－Ｄ３２及 ＮＳ－Ｄ３６船板 鋼，在下底板環(huán)境下的腐蝕速率僅為傳統(tǒng) 鋼 的１／１３。采 用 釩 氮 微 合 金 化＋碳 氮化釩控制析出軋制工藝開發(fā)出了性能優(yōu)異的４３號極限大規(guī)格 Ｄ４０球扁鋼。此外，齒條鋼已由過去的１００、１２７ｍｍ 發(fā)展為 主 力 船 型 用 的１７８ｍｍ，并 逐 步增加２１０ｍｍ 齒 條 鋼 的 使 用，個 別 工 況 的 最 大 厚 度達到２５９ｍｍ。服役工況更為苛刻，強韌性匹配的要求也更高。油氣儲運設(shè)備的大型化趨勢也使用戶對Ｎｉ系低溫鋼的安全裕量的考核更加重視。２０萬 ｍ３和２５萬 ｍ３ 巨型 ＬＮＧ 儲罐的設(shè)計和建造促進了超級９Ｎｉ鋼 的 研 究 和 開 發(fā)，產(chǎn) 品 厚 度 達 到 ５０ｍｍ 以上，在保持強度水平的情況下，—１９６℃的沖擊功由１５０～２２０Ｊ提高至２５０Ｊ以上，—１６３℃的 ＣＴＯＤ 值達到０.３ｍｍ 以上。