一、復(fù)合材料

    復(fù)合材料作為新型結(jié)構(gòu)功能材料，具有優(yōu)越的可設(shè)計性，而且具有重量輕、比強度和比模量高、阻尼性能好、耐疲勞、耐化學(xué)腐蝕、耐磨性能好、熱膨脹系數(shù)低以及射線透過性好等特點，并且在海洋濕熱、多鹽的環(huán)境條件下也能夠表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。復(fù)合材料的應(yīng)用情況能夠反映一個國家海洋工程裝備的先進程度和未來的發(fā)展趨勢。

    海洋工程用復(fù)合材料的發(fā)展趨勢

    未來 5-10 年的海洋油氣資源勘探開發(fā)中，海洋平臺、海底管道、系泊系統(tǒng)等的建設(shè)需求旺盛，并且隨著我國海洋強國戰(zhàn)略的進一步實施，包括軍、民用船艇海洋工程裝備面臨前所未有的發(fā)展機遇，同時對材料的性能要求也越來越高。

    復(fù)合材料在替代傳統(tǒng)金屬材料方面還有很多空間。對于海洋工程用復(fù)合材料，尚有很多工作要做。未來將向三個方向發(fā)展：

    （1）向低成本、高性能、集成化生產(chǎn)的方向發(fā)展

    各種規(guī)格的船舶制造商們正尋找提高其競爭力的方法，以較低的成本將產(chǎn)品更快地推出市場是達到這一目標(biāo)的關(guān)鍵所在。設(shè)計和制造質(zhì)量的提高會促進上述目標(biāo)的實現(xiàn)。船舶部件需要在極端氣候條件下具備可靠性、安全性，因此性能在許多應(yīng)用中都是關(guān)鍵因素。速度和穩(wěn)定性是船舶設(shè)計的主要目標(biāo)。例如賽艇、高速巡邏艇和特殊用途船舶以及某些快速渡輪。軍用和商用船艇的上部結(jié)構(gòu)也追求減重目標(biāo)，重心的降低可以提高穩(wěn)定性和安全性。最小化并精確控制復(fù)合材料層壓板的質(zhì)量可以獲得更好的性能。

    （2）向虛擬設(shè)計、制造、驗證一體化的方向發(fā)展

    復(fù)合材料設(shè)計軟件正快速成為多個行業(yè)設(shè)計過程中的主要組成部分。設(shè)計和應(yīng)力分析是設(shè)計過程中的兩大重點，通常這兩個學(xué)科之間的交流并不理想，因此會出現(xiàn)單調(diào)且緩慢的重復(fù)工作。最近幾年，復(fù)合材料設(shè)計軟件和結(jié)構(gòu)分析軟件之間的雙向交流取得了良好的進展。制造商通過開發(fā)出的復(fù)合材料部件或組裝件的完整詳細的三維 CAD 模型，可以對復(fù)合材料模型進行精確性和完整性的定義，帶來了更高的質(zhì)量，并且可以預(yù)測潛在的制造問題，設(shè)計和分析同步進行，部件得以優(yōu)化，不同部件擁有專門的設(shè)計方法。復(fù)合材料部件的設(shè)計越精確，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化也就更好更快。采用復(fù)合材料設(shè)計軟件可以使工程師在開發(fā)過程中大大減少變數(shù)，也讓使用者可以立即記錄下所有設(shè)計上的改變。在設(shè)計初期對復(fù)合材料部件進行完整詳細的三維設(shè)計，制造過程中所有的層壓板、層片和芯材信息都是始終不變的。

    Vistagy 公司的 FiberSIM 軟件被用于此類大型玻璃纖維復(fù)合材料部件大的設(shè)計和開發(fā)。

    （3）向新型可靠生產(chǎn)工藝的方向發(fā)展

    受我國制造業(yè)水平落后的限制，加之采用先進復(fù)合材料進行大規(guī)模、一體化成型的核心技術(shù)被發(fā)達國家所掌握，我國在海洋工程用復(fù)合材料成型工藝方面與發(fā)達國家存在一定差距，材料性能的批次穩(wěn)定性有待提升。自動化生產(chǎn)能力和大規(guī)模、一體化成型方面國內(nèi)技術(shù)相對落后，在建造大型結(jié)構(gòu)件或一體化成型艦船、石油工業(yè)等領(lǐng)域所用大型結(jié)構(gòu)件中存在工藝瓶頸。新型可靠的生產(chǎn)工藝，保證產(chǎn)品不同批次的性能穩(wěn)定，是目前和今后一段時間的主要工作之一。

    二、無機材料

    無機材料（主要是水泥混凝土）是目前海工建筑中使用最多的材料，對全球海洋經(jīng)濟和海洋產(chǎn)業(yè)的發(fā)展影響重大。

    水泥混凝土在海洋環(huán)境應(yīng)用中展示出優(yōu)異的抗海水腐蝕能力，并應(yīng)用于越來越多的海工建筑中，如碼頭、橋梁、海底隧道、防浪堤、海上鉆采平臺等，21 世紀將是水泥混凝土在海洋工程中大規(guī)模應(yīng)用的世紀。

    我國海工混凝土發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)和重點發(fā)展方向推進水泥混凝土在海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用，建立完善的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范體系，完善配套原材料、工藝、技術(shù)、裝備的開發(fā)和應(yīng)用，提高我國的海上資源開發(fā)能力及海洋經(jīng)濟的競爭力是我國海工混凝土發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)。

    重點發(fā)展方向

    （1）海工超高性能混凝土技術(shù)（如高強輕質(zhì)混凝土）及相關(guān)原材料的研究開發(fā)及在海洋工程中的應(yīng)用。高強度輕質(zhì)骨料混凝土是現(xiàn)有海工混凝土材料發(fā)展的核心技術(shù)之一。雖然目前發(fā)達國家的離岸海工建筑如海上油氣平臺、海上風(fēng)電基座等大規(guī)模使用高強度輕質(zhì)骨料混凝土技術(shù)，但混凝土材料本身自重大的缺點無法避免，因而限制了如混凝土 LNG 船、FPSO 等的進一步發(fā)展。目前以挪威為代表的海洋發(fā)達國家重點研究將現(xiàn)有高強度輕質(zhì)骨料混凝土生產(chǎn)技術(shù)進一步提高，容重比力圖達到 1500kg/m 3 （設(shè)計強度 70MPa），現(xiàn)有技術(shù)大約在 1900kg/m 3 （設(shè)計強度 70MPa）。

    （2）海水海砂拌合及珊瑚礁在遠洋人工島礁建設(shè)中的利用技術(shù)。利用海水、海砂、珊瑚礁等代替淡水、河砂等材料配制及應(yīng)用混凝土的技術(shù)，對于在遠離大陸的遠洋、海島等快速修建人工島礁、離岸鉆采平臺及國防安全有著重要的現(xiàn)實意義極高的應(yīng)用價值。

    （3）混凝土鋼復(fù)合材料的研究開發(fā)及在海洋工程中的應(yīng)用。離岸混凝土平臺的自重過大仍然是影響其大規(guī)模推廣的重要原因之一，雖然混凝土材料的進一步輕量化是其可選途徑之一。結(jié)合水泥混凝土耐腐蝕、成本低的優(yōu)點和鋼材高強、自重低的優(yōu)點，制造混凝土鋼結(jié)合的材料用于海洋工程。

    （4）海工混凝土專用的高強高耐蝕鋼的開發(fā)及應(yīng)用。針對水泥混凝土在海洋中的環(huán)境特殊性，開發(fā)專用的高強耐蝕鋼，如通過冶金雙結(jié)合技術(shù)生產(chǎn)復(fù)合耐蝕鋼，提高水泥混凝土在海洋環(huán)境中的耐久性。

    （5）離岸混凝土構(gòu)建物（如油氣鉆采平臺、海上風(fēng)電混凝土基礎(chǔ)）的設(shè)計和生產(chǎn)制造技術(shù)的開發(fā)。離岸平臺的設(shè)計及生產(chǎn)制造技術(shù)是一項技術(shù)難度大、涉及行業(yè)廣、跨領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)，目前在國內(nèi)尚屬空白。

    （6）海上混凝土油氣鉆探平臺及多功能平臺的制造相關(guān)技術(shù)裝備的開發(fā)。國內(nèi)對于海上混凝土施工專用的相關(guān)裝備如泵送、吊裝等機械的開發(fā)研究較少，海上施工環(huán)境及變化性與陸地區(qū)別很大，國內(nèi)應(yīng)加強該領(lǐng)域?qū)Ｓ脵C械裝備的開發(fā)及生產(chǎn)。

    三、鋼鐵材料

    海洋工程用鋼鐵材料主要包括：海洋國土安全領(lǐng)域用鋼、海洋油氣資源開發(fā)領(lǐng)域用鋼、海洋基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域用鋼、海洋交通領(lǐng)域用鋼。

    我國海洋工程用鋼的發(fā)展對策及重點發(fā)展方向

    （1）高強韌、易焊接艦船用納米相強化鋼制造技術(shù)及其科學(xué)基礎(chǔ)

    船體結(jié)構(gòu)鋼材料在艦船建造中用量最大，結(jié)構(gòu)重量約占全船排水量的 40%-50%。船體結(jié)構(gòu)鋼體系是否完整、合理，綜合性能優(yōu)劣直接影響艦船的作戰(zhàn)性能和水平。大型水面水下艦船的抗爆抗沖擊能力是決定艦船生命力的關(guān)鍵因素。為了提高艦船的抗爆抗沖擊能力，一個有效的途徑是增強艦船用結(jié)構(gòu)鋼的強度和韌性。同時，增強艦船用結(jié)構(gòu)鋼的強度和韌性也是艦船減重的最有效途徑。

    隨著鋼材強度級別的提高，鋼中合金元素增多，使得鋼的碳當(dāng)量和裂紋敏感性也隨之大幅增加，這使得鋼的焊接變得十分困難。而焊接對于艦船建造具有重要影響。其中焊接工作量約占船體建造總工作量的 30%-40%，焊接成本約占船體建造成本的 30％ -50％，因此高強度易焊接鋼的開發(fā)對大型艦船性能穩(wěn)定性和艦船經(jīng)濟性、建造周期以及造船量均具有重要影響。

    為了滿足我國大潛深潛艇，尤其是航空母艦建設(shè)的要求，急需大量高強度、高韌性，同時具有高焊接性能和耐候性的低合金結(jié)構(gòu)鋼。

    沉淀強化代替碳強化是開發(fā)新型艦船用鋼的新途徑，現(xiàn)有研究表明，由高數(shù)量密度細小富銅納米相代替碳強化，在較低合金含量的情況下可獲得高強度，同時保持較好的韌性。

    通過大量降低碳含量，并避免使用高碳當(dāng)量的合金元素 Cr 和Mo 等可進一步降低合金中合金元素的總含量，來提高焊接性能；鋼中適量的銅和其他合金元素對提高鋼在海洋環(huán)境條件下的耐腐蝕性能具有良好的作用。美國海軍 HSLA 系列鋼的成分和工藝是公開的，我國有關(guān)單位根據(jù) HSIA 鋼的成分和工藝做了部分探索性工作。但是，銅沉淀強化鋼的核心技術(shù)是通過工藝控制銅沉淀相成分、尺寸、分布等特性來獲得優(yōu)帛的綜合性能。我國目前對于如何控制沉淀相的性能還沒有足夠認識，這嚴重阻礙了我國航母用鋼的研究開發(fā)工作。

    因此，急需開展高強、易焊接艦船用納米相強化鋼生產(chǎn)技術(shù)及其科學(xué)基礎(chǔ)研究項目。

    研究目標(biāo)：掌握高強韌、易焊接納米相強化鋼的合金設(shè)計和冶金技術(shù)；從納米尺度掌握影響鋼材性能穩(wěn)定的機制；掌握熱機械處理等組織控制技術(shù)；掌握鋼材的焊接工藝技術(shù)；掌握納米相的析出行為和機制及其對力學(xué)性能的影響規(guī)律；完成工程示范應(yīng)用。

    （2）深海鉆井平臺用鋼的關(guān)鍵生產(chǎn)技術(shù)及冶金學(xué)原理

    研究充分開發(fā)和利用我國豐富的海洋能源和資源是我國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的命脈之一。深海石油天然氣鉆井平臺是完成海洋深度探測和開采的關(guān)鍵裝備，其工作環(huán)境惡劣、建設(shè)周期長且成本高、維護保養(yǎng)困難，服役時間要求比船舶長 50%，因此深海海洋平臺用鋼既要有高強度和高韌性，又要具有良好的抗疲勞、抗層狀撕裂性能、焊接性能及耐腐蝕性能。目前，我國海洋平臺用鋼級別較低，關(guān)鍵部位所用高強度、大厚度材料依賴進口，是受制于外國的“卡脖子”關(guān)鍵材料。為了滿足我國深海資源開發(fā)的需要，迫切需要研究超高強度海洋平臺用鋼的冶金學(xué)原理并開發(fā)關(guān)鍵生產(chǎn)技術(shù)。

    未來針對高等級海洋平臺用鋼，將著重研究海洋平臺用鋼厚規(guī)格產(chǎn)品的組織與性能控制理論、“大熱輸入”氧化物冶金原理及高耐腐蝕合金與顯微組織結(jié)構(gòu)的設(shè)計機理等方面工作，為我國深海資源開發(fā)利用積累相關(guān)理論并提供關(guān)鍵工藝技術(shù)。

    研究目標(biāo)：開發(fā)出極地條件下應(yīng)用的 50mm 厚、低溫沖擊性能滿足 -60℃條件下 CTOD 實驗要求的海洋平臺用鋼；開發(fā)出超高強海洋平臺用鋼的高效焊接技術(shù)；給出合金元素、組織狀態(tài)對耐腐蝕性能的影響規(guī)律，開發(fā)出高耐蝕海洋平臺用超高強鋼；通過創(chuàng)新軋制及熱處理工藝技術(shù)和裝備，開發(fā)出超薄（4-6mm）及超厚（259mm）規(guī)格海洋平臺用鋼。

    （3）厚規(guī)格高耐蝕易焊接深海管線鋼關(guān)鍵技術(shù)及冶金學(xué)原理

    21 世紀將是海洋的世紀，海洋資源開發(fā)和利用已經(jīng)成為世界各國發(fā)展的重要戰(zhàn)略方向，而海底油氣資源是世界各國爭奪的重要資源。隨著海洋油氣開采走向深海，厚規(guī)格高耐蝕易焊接深海管線鋼需求量巨大，迫切需要厚規(guī)格、易悍接、耐腐蝕和止裂性能良好的深海管線用鋼。

    研究目標(biāo)：掌握 X70 以上級別等厚規(guī)格深海管線鋼組織細化及 DWTT 控制技術(shù)；厚向組織均勻化技術(shù)；適用于厚規(guī)格深海管線鋼大線能量焊接的合金化和組織設(shè)計技術(shù)；大線能量焊接工藝技術(shù)；深海管線腐蝕行為表征；耐油氣介質(zhì)腐蝕的合金化技術(shù)；高塑性組織控制技術(shù)；完成工程示范應(yīng)用。

    （4）耐海水腐蝕特厚板關(guān)鍵制造技術(shù)及其科學(xué)基礎(chǔ)

    海洋工程用鋼是我國海洋開發(fā)的重要鋼種。國內(nèi)外在海洋工程用鋼領(lǐng)域?qū)τ?60-150mm 厚板有很大的市場需求，尤其是高鋼級，具有重要的現(xiàn)實需要和良好的市場前景。

    海洋工程用鋼厚板與特厚板生產(chǎn)的主要技術(shù)難點主要體現(xiàn)在：傳統(tǒng)連鑄坯存在的宏觀和微觀偏析所導(dǎo)致的厚板組織和力學(xué)性能的不均勻性，以及由此造成的產(chǎn)品性能不穩(wěn)定性，尤其是低溫沖擊韌性、Z 向性能和板厚遞減效應(yīng)，低壓縮比軋制特厚板造成的中心疏松、縮孔等，導(dǎo)致特厚板質(zhì)量不能滿足要求，對于武鋼等鋼企新品種的開發(fā)形成嚴重制約，給武船、719 等造船與軍工用戶的使用帶來困難。

    研究目標(biāo)：在鋼鐵企業(yè)現(xiàn)有工藝裝備條件下，優(yōu)化工藝技術(shù)，開發(fā) 20-100mm 海洋工程用鋼厚板與特厚板；提高鋼材質(zhì)量及其穩(wěn)定性；在此基礎(chǔ)上，采用結(jié)晶器喂鋼帶技術(shù)，制造 100-150mm 海洋工程用鋼特厚板。

    四、鈦合金

    形成完整的海洋工程裝備用鈦合金材料設(shè)計、驗證、制造、加工、研究等產(chǎn)業(yè)體系，打造若干具有較強創(chuàng)新能力的海洋工程裝備用鈦合金配套、服務(wù)機構(gòu)，全面掌握海洋工程裝備用鈦金屬材料的設(shè)計技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)和生產(chǎn)加工技術(shù)，具備創(chuàng)新應(yīng)用鈦金屬材料的技術(shù)能力，達到海洋工程裝備鈦合金應(yīng)用技術(shù)和范圍的國際先進水平，使我國海洋工程裝備用鈦及鈦合金量達到 15000-20000t，占全國鈦加工材產(chǎn)量的 10％～ 15％，為全面提升我國海洋工程裝備的技術(shù)水平做出應(yīng)有貢獻。

    專題資料來源：文獻、百度文庫、知網(wǎng)、材料 +、網(wǎng)絡(luò)等綜合整理