我國(guó)船舶與海工用特種鋼材的發(fā)展

蘆曉輝 高珊 張才毅

我國(guó)船舶與海工用特種鋼材的發(fā)展

蘆曉輝 高珊 張才毅

【摘要】在介紹我國(guó)船舶與海工用鋼發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析了國(guó)內(nèi)船舶與海工用特種鋼材的性能特點(diǎn)與發(fā)展現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了低溫用鋼、大熱輸入焊接用鋼、耐蝕鋼、高止裂性能鋼以及海洋平臺(tái)用超高強(qiáng)鋼，指出隨著我國(guó)船舶與海洋工業(yè)的發(fā)展，船舶與海工用特種鋼材具有廣闊的發(fā)展前景。

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)

表1　船舶及海工用鋼

表2　我國(guó)超高強(qiáng)鋼的認(rèn)證

（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?，其貨油艙主要采用耐蝕性較差的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1 000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 RE、08PVRE、09MnCuPTi、0Mn PNb RE、10Ni Cu As、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≥6 000N/mm3/2。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?/p>

（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～ 1 050t，400ft自升式平臺(tái)，每座平臺(tái)需EQ70鋼2 300～2 400t，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。

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20150228

作者簡(jiǎn)介：蘆曉輝等，寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院。