從古至今，人類征服大海的決心從沒有動搖，而體現(xiàn)在實(shí)際行動中，就是對海洋資源的不斷探索拓展。2017年2月13日，全球最先進(jìn)超深水雙鉆塔半潛式鉆井平臺“藍(lán)鯨1號”在煙臺命名交付，其整體用鋼約40000多噸，其中10%為超強(qiáng)超厚鋼。“藍(lán)鯨1號”是我國船廠在海洋工程超深水領(lǐng)域的首個“交鑰匙”工程，具有里程碑意義。

鋼鐵作為海洋工程裝備的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料，廣泛應(yīng)用于鉆井平臺、生產(chǎn)平臺以及海底管道等。由于服役時間長，要長期抵抗惡劣的風(fēng)浪條件，水下修理維護(hù)的成本極高，其采用的鋼板逐漸向高強(qiáng)度、高韌性、易焊接性、良好的耐腐蝕性以及大厚度、大規(guī)格化方向發(fā)展。今天材料+小編帶大家了解船舶及海洋工程用鋼。

船舶及海洋工程用鋼發(fā)展史

二戰(zhàn)以后，由于推行海洋發(fā)展戰(zhàn)略以及蘇美兩大陣營對抗的軍事需求，以美國、俄羅斯、日本、德國等為代表海洋強(qiáng)國開展了大規(guī)模的艦船、海洋運(yùn)輸、海洋油氣開發(fā)、海洋建筑等領(lǐng)域用鋼研究，形成了相應(yīng)的合金標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)體系。典型的美國艦船用鋼經(jīng)歷了由普通碳鋼（40年代）-高強(qiáng)鋼（50年代）-易焊高強(qiáng)鋼（80年代）-易焊耐蝕鋼（90年代）等幾代的發(fā)展，支撐起了包括深水潛艇、核動力航母在內(nèi)的美國龐大的現(xiàn)代化海軍艦隊(duì)。

在海洋油氣開采領(lǐng)域，日本、德國、法國等已經(jīng)掌握適用各種深度海洋鉆井平臺、作業(yè)平臺、油氣運(yùn)輸船等海工裝備適用的大厚規(guī)格、高性能鋼材。目前國外已能夠生產(chǎn)3000米深水區(qū)域使用的塑性、強(qiáng)韌性、耐蝕性、抗疲勞性要求苛刻的油氣管線鋼。

美國潛艇、航母用鋼的發(fā)展歷程及其典型應(yīng)用

我國在艦船用鋼、海工用鋼等方面，經(jīng)過幾十年的發(fā)展取得了巨大進(jìn)步，初步建立了我國自己的艦船及海工鋼鐵材料體系以及具有較強(qiáng)生產(chǎn)能力的鋼鐵企業(yè)。我國海工用鋼的國產(chǎn)化率已達(dá)到90%以上，有力的支撐了海洋經(jīng)濟(jì)及國防建設(shè)需求。

海洋工程用鋼國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.國外研究現(xiàn)狀

目前海洋平臺用鋼遵循的四大國際標(biāo)準(zhǔn)，即En10225和BS7191（歐洲標(biāo)準(zhǔn)），API（美國標(biāo)準(zhǔn)），Norsok（北海標(biāo)準(zhǔn)），對海洋平臺用鋼的力學(xué)性能及設(shè)計(jì)制造等都有明確的規(guī)定，但對耐腐蝕性能的規(guī)范較為欠缺。

國際海洋平臺用鋼主要由德國的迪林根和日本的新日鐵、JFE和住友金屬生產(chǎn)。迪林根生產(chǎn)的355MPa級正火鋼可以在保證焊接性能的條件下厚度達(dá)到120mm；420MPa級的調(diào)質(zhì)鋼的厚度可以達(dá)到100mm；采用TMCP工藝生產(chǎn)的厚度規(guī)格一般不超過90mm。

JFE開發(fā)出了厚度為140mm、屈服強(qiáng)度為700MPa、抗拉強(qiáng)度800MPa的含Ni海洋平臺用鋼。

新日鐵采用TMCP生產(chǎn)了厚度為16~70mm，屈服強(qiáng)度為500MPa，抗拉強(qiáng)度為650MPa，-40℃沖擊功大于200J的平臺用鋼，用于帝汶島海Bayu Undan、北海Grane和Kvitebjorn、里海的ACG、墨西哥灣Thunder Horse、地中海Western Libya等工程。

世界海洋平臺用高強(qiáng)度鋼的主要級別為屈服強(qiáng)度355、420、460、500、550、620、690MPa，并對低溫性能要求至少-40℃，甚至-60℃，抗層狀撕裂性能達(dá)Z向35%，耐腐蝕性能良好，主要交貨方式為TMCP、正火以及調(diào)質(zhì)。

日本對海洋平臺用鋼的研究較早，已開發(fā)出耐海水腐蝕、大線能量焊接及低溫用等系列的高強(qiáng)鋼板，強(qiáng)度級別已達(dá)980MPa。JFE公司形成了自己的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)系列，海洋平臺的鋼板抗拉強(qiáng)度為360～980MPa，品種主要有JFE-HITEN系列高強(qiáng)鋼板等。

利用微合金化元素的析出，新日鐵開發(fā)了HTUFF技術(shù)，其用于海洋平臺的鋼板主要有WEL-TEN系列高強(qiáng)鋼板、NAW-K及COＲ-TEN系列無涂層焊接結(jié)構(gòu)用耐蝕鋼板、MARILOY系列焊接結(jié)構(gòu)用耐海水腐蝕鋼板及NAW-TEN系列含Ni耐候鋼板等品種。此外，新日鐵公司還按API2W，EN10225，NORSOK及BS7191標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)屈服強(qiáng)度在315～550MPa之間的A，D，E，F(xiàn)級別的鋼板，最高強(qiáng)度達(dá)到950MPa。

歐洲作為海洋資源開發(fā)較早的區(qū)域，其海洋平臺用鋼的研發(fā)、應(yīng)用、品種系列化及標(biāo)準(zhǔn)化處于領(lǐng)先地位，已可生產(chǎn)A，B，D，E級的屈服強(qiáng)度在235～690MPa之間的各種鋼板。目前歐洲用于海洋平臺建設(shè)的鋼種應(yīng)用最廣泛的為S355，S420，S460及S690，耐腐蝕性能良好。挪威埃科菲斯克Ⅱ號海洋鉆井平臺是歐洲第1座使用改進(jìn)韌性S690Q鋼板的海洋平臺。

俄羅斯Arkticheskaya自升式鉆井平臺用于北極地區(qū)的油氣鉆探，最大鉆探深度6500m。當(dāng)前S690級高強(qiáng)鋼在海洋平臺中的應(yīng)用越來越多，但仍需解決高強(qiáng)鋼板焊接處易開裂及耐蝕性差等問題。現(xiàn)今在海洋平臺建設(shè)中也應(yīng)用了更高強(qiáng)度級別的鋼板，其高強(qiáng)鋼板主要通過調(diào)質(zhì)工藝生產(chǎn)，鋼板屈服強(qiáng)度可達(dá)1100MPa，但由于焊接困難和耐腐蝕開裂問題，超高強(qiáng)鋼在海洋建設(shè)中應(yīng)用較少。

當(dāng)前國外海洋工程用鋼生產(chǎn)主要具有以下特點(diǎn)：

（1） 品種的多功能化： 海洋平臺用鋼板都可成系列供貨，如高強(qiáng)鋼板、大線能量焊接鋼板、低溫及耐海水腐蝕鋼板等系列品種，實(shí)現(xiàn)了全系列供貨；（2） 焊接熱影響區(qū)韌化技術(shù)： 國外鋼鐵企業(yè)都開發(fā)了自己獨(dú)有的焊接熱影響區(qū)韌化技術(shù)，如JFE 公司的 JFE-EWEL技術(shù)和新日鐵公司的HTUFF 技術(shù)等；（3） 形成企業(yè)獨(dú)有的標(biāo)準(zhǔn)： 國外鋼鐵企業(yè)除能按通用的標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)海洋平臺用鋼板外， 還形成了性能要求更加嚴(yán)格、應(yīng)用環(huán)境更加特殊的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；（4） 實(shí)施專利保護(hù)戰(zhàn)略： 國外鋼鐵企業(yè)積極進(jìn)行海洋平臺用鋼的國際專利布局， 特別重視在中國申請專利， 意圖對我國鋼鐵企業(yè)形成技術(shù)壁壘，達(dá)到降低我國海洋平臺用鋼競爭力的目的。

2.國內(nèi)研究現(xiàn)狀

船舶用鋼主要是船體結(jié)構(gòu)用鋼板，經(jīng)過多年的發(fā)展，我國已經(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)范及國家標(biāo)準(zhǔn)的形式頒布，主要包括CCS船級社規(guī)范和GB712《船舶及海洋工程用鋼》，鋼級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。

表1 船舶及海工用鋼

等級	最小屈服強(qiáng)度/MPa	牌號
一般強(qiáng)度	≥235	A、B、D、E
高強(qiáng)度	≥315	AH32、DH32、EH32、FH32
	≥355	AH36、DH36、EH36、FH36
	≥390	AH40、DH40、EH40、FH40
超高強(qiáng)度	≥420	AH420、DH420、EH420、FH420
	≥460	AH460、DH460、EH460、FH460
	≥500	AH500、DH500、EH500、FH500
	≥550	AH550、DH550、EH550、FH550
	≥620	AH620、DH620、EH620、FH620
	≥690	AH690、DH690、EH690、FH690

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

表2 我國超高強(qiáng)鋼的認(rèn)證

鋼鐵企業(yè)	認(rèn)證最大級別	交貨狀態(tài)	最大厚度/mm
寶鋼	F690	QT	160
沙鋼	F690-Z35	QT	100
鞍鋼	F690	TM	80
舞鋼	E690-Z35	QT	140
南鋼	F550-Z35,E690	QT	80

我國開發(fā)海洋石油起步比較晚，到20世紀(jì)80年代才建成自己的海洋石油平臺。目前我國海洋平臺主要使用屈服強(qiáng)度為355～460MPa的D，E及F級鋼板，基本實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。我國首次自主設(shè)計(jì)建造的3000m深水半潛式鉆井平臺“海洋石油981”所用鋼的強(qiáng)度已達(dá)到690MPa；北海油區(qū)海洋自升式平臺固定結(jié)構(gòu)已使用500MPa以上，甚至750MPa高強(qiáng)度鋼，但我國海洋平臺用鋼強(qiáng)度不高、規(guī)格不全、耐腐蝕性能較差、配套工藝不完善等問題，仍限制了我國自主開發(fā)海洋資源的能力。

海工用鋼由于其特殊性，用戶在建造海洋平臺時，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。

按照ASTM（美國）、EN（歐洲）、各船級社以及API（美國石油協(xié)會）的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)來劃分，寶鋼擁有四大系列海洋平臺用厚板產(chǎn)品。寶鋼集團(tuán)浦鋼公司采用正火工藝開發(fā)了DH36－Z35、EH36－Z35等海洋石油平臺鋼板，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。采用調(diào)質(zhì)工藝試制了屈服強(qiáng)度690MPa高強(qiáng)度海洋平臺用齒條鋼，同時自主研發(fā)的自升式海洋平臺樁腿用最大厚度為178mm的厚板。

舞鋼成功開發(fā)了A、B、D、E、AH32-EH32、AH36-EH36級海洋平臺用鋼和EH40、FH40、E500、E550、E520、E690、A514GrQ和A517GrQ等高強(qiáng)度鋼板。其生產(chǎn)的D36-Z35海工鋼，被用于我國第一個世界級深水項(xiàng)目——位于南海東部1500m深海區(qū)域的“荔灣3－1”氣田中。生產(chǎn)的A514GrQ齒條鋼最大厚度達(dá)215mm，比國外最大厚度還超出5mm，解決了自升式平臺升降機(jī)構(gòu)齒條鋼、半圓板國產(chǎn)化的急需。

鞍鋼的鋼板級別涵蓋了普通強(qiáng)度A、B、D、E級和高強(qiáng)度AH32～EH32、AH36～EH36、AH40～EH40級的大線能量焊接用船體及海洋采油平臺用鋼系列，產(chǎn)品最大厚度為100mm，焊接線能量為100kJ/cm。其強(qiáng)度、低溫韌性、規(guī)格等指標(biāo)均達(dá)到國際先進(jìn)水平，大大超過一般鋼廠能達(dá)到的厚度40mm、焊接線能量50kJ/cm的水平。

依托熱軋板帶鋼新一代控軋控冷技術(shù)，東北大學(xué)自主研制出系列首臺套熱軋鋼材先進(jìn)快速冷卻裝備與控制系統(tǒng)，這套裝備已成為我國熱軋鋼材生產(chǎn)線主力機(jī)型，覆蓋了鞍鋼、首鋼等50%以上大型鋼企，實(shí)現(xiàn)了高品質(zhì)節(jié)約型熱軋鋼材4000萬噸/年的生產(chǎn)規(guī)模，所研發(fā)的產(chǎn)品在西氣東輸、海洋平臺、跨海大橋、第三代核電站、大型水面艦艇等國家戰(zhàn)略性工程中廣泛應(yīng)用，為我國鋼材由“中低端”向“中高端”升級換代作出了巨大貢獻(xiàn)。

海洋工程用鋼的成分及性能要求

海洋工程用鋼對化學(xué)成分的要求

影響鋼材性能的因素有：化學(xué)成分、溶煉與澆鑄、軋制以及熱處理工藝等，以化學(xué)成分為主；其中硫、磷含量直接影響著鋼板厚度方向的性能。硫是連鑄坯中偏析最為嚴(yán)重的元素。硫會造成鋼的熱脆，使鋼在高溫鍛壓時產(chǎn)生裂紋。在焊接時產(chǎn)生很多疏松和氣孔[3]。

磷是僅次于硫在鋼的連鑄坯中偏析度高的元素，而且磷在鐵固溶體中擴(kuò)散速率很小，因而磷的偏析很難消除，從而嚴(yán)重影響鋼的性能。磷是以固溶體的形式溶解于鐵素體中，這種固溶體很脆，形成的富磷區(qū)促使鋼變脆，降低鋼的塑性、韌性及可焊性。在熱加工時易導(dǎo)致鋼的開裂，在焊接中容易產(chǎn)生裂紋。磷是降低鋼的表面張力的元素，隨著磷含量的增加，鋼液的表面張力降低顯著，從而降低了鋼的抗裂性能。

因此，海洋平臺用鋼板對硫、磷的含量有嚴(yán)格的要求，其中對硫的含量控制較嚴(yán)。

海洋工程用鋼的性能要求

海洋平臺由于常年浸泡在海水中，要承受各種惡劣海況，因此，海洋平臺用鋼的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求極高，不僅要有很高的耐大氣腐蝕和耐海水腐蝕性能，還要求良好的力學(xué)和加工性能等。海洋平臺用鋼的性能要求包括：

（1）具有較高的強(qiáng)度，抵抗水面以上的風(fēng)流沖擊。具有良好的抗層狀撕裂能力，避免鋼材在受到厚度方向外力時，發(fā)生撕裂；（2）具有良好的低溫沖擊性能，有的海洋平臺用鋼需要在-60℃環(huán)境下具有良好的沖擊性能，可以在極寒環(huán)境下服役；（3）具有良好的焊接性能，焊接接頭性能具有和母材相同或相近的力學(xué)性能，保證海洋平臺整體結(jié)構(gòu)的安全性；（4）鋼質(zhì)純凈度要求。鋼材需具有很低的P、S等雜質(zhì)元素含量，并對夾雜物的形貌、類型和分布均有很高的要求，避免海洋平臺在受到臺風(fēng)和水流運(yùn)動影響時發(fā)生疲勞失效，保障人生和財(cái)物安全。

（5）耐腐蝕性能的要求。由于海洋用鋼結(jié)構(gòu)長期處于鹽霧、潮氣和海水等環(huán)境中， 受到海水及海生物的侵蝕作用而產(chǎn)生劇烈的電化學(xué)腐蝕， 漆膜易發(fā)生劇烈皂化、老化， 產(chǎn)生非常嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)腐蝕， 不僅降低了結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能， 縮短其使用壽命， 而且又因遠(yuǎn)離海岸， 不能像船舶那樣定期進(jìn)行維修、保養(yǎng)。所以對其耐腐蝕性能的要求更高。

（6）針對海洋結(jié)構(gòu)設(shè)施所發(fā)生的一系列的結(jié)構(gòu)件斷裂災(zāi)難事故，國際工程領(lǐng)域提出了生產(chǎn)和應(yīng)用止裂性性能鋼板的要求，且正在形成并推廣相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)。

海洋工程用鋼的發(fā)展趨勢

隨著我國不斷加大海洋開發(fā)力度， 對高性能海洋平臺用鋼的需求量將不斷增加， 海洋平臺用鋼也將成為未來幾年國內(nèi)鋼鐵企業(yè)重點(diǎn)研發(fā)和生產(chǎn)的產(chǎn)品。綜合分析我國海洋工業(yè)的市場需求及現(xiàn)有海洋平臺用鋼與國外產(chǎn)品的差距，可以看到，目前海洋平臺用樁腿、懸臂梁及半圓板等結(jié)構(gòu)件急需升級換代，特厚規(guī)格齒條用鋼、極地低溫用鋼等均需開展細(xì)致的研究工作，具體發(fā)展趨勢體現(xiàn)在以下幾方面。

1、加快開發(fā)高強(qiáng)度、高韌性的海洋平臺用鋼從海洋平臺

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度出發(fā)， 采用高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度鋼可以有效減輕平臺結(jié)構(gòu)自重， 增加平臺可變載荷和自持能力， 提高總排水量與平臺鋼結(jié)構(gòu)自重比。 國內(nèi)的海洋平臺用鋼多集中在E550 級別以下，而國外的同類產(chǎn)品多集中在 E690級別以上，且使用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國內(nèi)水平。 另外，隨著深海及極地海洋平臺建設(shè)的快速發(fā)展， 海洋工程用鋼的低溫韌性更顯重要， 同系列的E級和F級鋼板的需求量逐漸增加，高強(qiáng)度、高韌性海洋平臺用鋼將是今后重點(diǎn)研發(fā)的品種。

2、研發(fā)低成本高附加值產(chǎn)品

海洋平臺是由鋼結(jié)構(gòu)焊接而成， 其中高強(qiáng)鋼所占比例高達(dá) 60%～90%，如果在高強(qiáng)鋼合金設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)減量化， 將會大大降低海洋平臺的建設(shè)成本。 國內(nèi)現(xiàn)有的 690 級高強(qiáng)鋼均采用添加大量的Ni、Mo 等貴重合金元素，如能通過合金設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)“以 Mn/C 代 Ni”的成分設(shè)計(jì)思路，可以大幅度降低成本。首先，Mn 是一種強(qiáng)奧氏體穩(wěn)定元素，其價格只是 Ni 的 1/5~1/20，其次，高 Mn 鋼具有優(yōu)異的強(qiáng)度和塑性的綜合性能以及優(yōu)異的低溫韌性。 高M(jìn)n 鋼本身的優(yōu)異綜合性能可以解決目前海洋平臺用 690 MPa 級超高強(qiáng)鋼的低溫韌性差、屈強(qiáng)比高等問題， 能夠滿足未來深海和極地海洋平臺對超高強(qiáng)鋼安全性能和建造成本需求， 這也是今后高強(qiáng)、高韌海洋平臺用鋼的重要發(fā)展方向。

3、良好成形性能的低屈強(qiáng)比海洋平臺用鋼開發(fā)

從海洋平臺底部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)， 如果采用先進(jìn)的樁腿（包括樁靴）結(jié)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)，將會增加平臺的承重能力、抗沖擊能力及耐久性。目前，升降齒條用鋼采用了 690 MPa 級超高強(qiáng)鋼， 但其他樁腿結(jié)構(gòu)用鋼一般僅為 550 MPa 級別高強(qiáng)鋼。 主要原因在于， 其他結(jié)構(gòu)用鋼不僅要求具有較高的強(qiáng)度，同時需要良好的成形性能，因而對屈強(qiáng)比進(jìn)行了嚴(yán)格限制， 海洋平臺安全設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)件用鋼的屈強(qiáng)比不允許超過 0.85， 以確保塑性失效前有足夠的延展性來防止發(fā)生災(zāi)難性的脆性斷裂。

4、止裂性能高強(qiáng)鋼開發(fā)

針對船舶、建筑、儲油罐、海洋結(jié)構(gòu)、管線等結(jié)構(gòu)設(shè)施所發(fā)生的一系列的結(jié)構(gòu)件斷裂災(zāi)難事故，國際工程領(lǐng)域提出了生產(chǎn)和應(yīng)用止裂性性能鋼板的要求，且正在形成并推廣相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)。 鋼中存在一定量的殘余奧氏體時， 在裂紋擴(kuò)展時可以使其沿殘余奧氏體發(fā)生偏轉(zhuǎn)， 或者因裂紋尖端的應(yīng)力集中引發(fā) “殘余奧氏體→馬氏體” 相變的TRIP 效應(yīng)而產(chǎn)生相變韌化，從而提高鋼材的止裂性能。由于“Mn/C”合金化可以有效調(diào)控鋼中殘余奧氏體含量， 因此通過合理的成分設(shè)計(jì)以及組織性能控制，實(shí)現(xiàn)鋼中殘余奧氏體含量、大小、分布的精確控制，從而有效提高鋼材的止裂性能，這是高強(qiáng)韌海洋平臺用鋼的又一重要發(fā)展趨勢。