海洋石油平臺用鋼的現狀與發(fā)展趨勢(二)

杜　偉，李鶴林

(中國石油集團石油管工程技術研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室　陜西　西安　710077)

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·綜述·

海洋石油平臺用鋼的現狀與發(fā)展趨勢(二)

杜偉，李鶴林

(中國石油集團石油管工程技術研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室陜西西安710077)

歸納了海洋石油平臺用鋼的類別品種，包括一般強度鋼、高強度鋼、超高強度鋼，以及耐海水腐蝕低合金鋼、齒條鋼、Z向鋼、適合高熱輸入焊接鋼、高強度系泊鏈鋼、高強度鑄鋼等特殊用途鋼種；分析了海洋平臺用鋼的標準體系，并介紹了歐洲標準、API標準、船級社標準以及國家標準對平臺用鋼的性能要求；綜述了國內外平臺用鋼的產品開發(fā)及應用現狀；最后討論提出了海洋石油平臺用鋼向高強、高韌以及良好低溫韌性與焊接性方向發(fā)展的趨勢。

海洋平臺用鋼；Z向鋼；齒條鋼；適應高熱輸入焊接鋼；耐海水腐蝕鋼

(接2016年第3期)

2　海洋平臺用鋼的標準及性能要求

國際上常用的海洋平臺用鋼標準包括歐洲的EN 10225、BS 7191、NORSOK標準，美國的API、ASTM標準，以及ABS、BV、CCS、DNV、GL、LR、KR、NK、RLNA等九大船級社標準等。其中，BS 7191-1989標準由2001年發(fā)布的EN 10225-2001代替，現行標準為EN 10225-2009《固定近海結構可焊接結構鋼—交貨技術條件》[10]。

國內海洋平臺用鋼標準包括GB 712-2011 《船舶及海洋工程用結構鋼》[11]、YB/T 4283-2012《海洋平臺結構用鋼板》[12]。GB 712-2011是在原船體結構用鋼的基礎上修訂為船舶及海洋工程用結構鋼，成為我國首個海洋平臺用鋼國家標準。YB/T 4283標準作為我國首個海洋平臺用鋼專用標準，2012年由湘鋼牽頭編寫完成，其修改參照了EN 10225-2009標準。

2.1EN 10225

EN 10225標準規(guī)定了用于固定近海岸構架的可焊接結構鋼的要求。涉及產品的強度范圍包括355 MPa(板材最大厚度150 mm)、420 MPa(板材最大厚度100 mm)以及460 MPa(板材最大厚度100 mm)三個強度級別。355 MPa級別鋼交貨狀態(tài)有正火或正火軋制(N)及軋制(M)；420 MPa和460 MPa級別鋼交貨狀態(tài)有M及淬火和回火(QT)。典型牌號包括S355G2+N、S355G3+N、S355G5+M、S355G6+M、S355G7+N、S355G7+M、S355G8+N、S355G8+M、S355G9+N、S355G10+N、S355G9+M、S355G10+M、S420G1+QT、S420G1+M、S420G2+QT、S420G2+M、S460G1+QT、S460G1+M、S460G2+QT、S460G2+M。

EN 10225內容包含了海洋平臺用鋼的分類及名稱、生產過程、尺寸，質量及允許偏差、性能要求、檢測及試驗、標志，包裝及保護涂層等，同時也提供了加嚴成分要求、應變時效試驗、焊后熱處理試驗(PWHT)、Z向性能、CTOD、寬板試驗、焊接性能試驗、成型性能等18項附加要求，供用戶結合鋼板實際用途選擇使用。

EN 10225對S355、S420和S460級鋼板力學性能的要求見表4～表6。其力學性能要求不僅與鋼材的級別有關，同時也受板材厚度影響。同時，不同牌號鋼材的沖擊試驗溫度也存在差別。

表4　S355級鋼材的組別及力學性能要求

注：t為厚度，mm。

表5　S420級鋼材的組別及力學性能要求

注：t為厚度，mm。

表6　S460級鋼材力學性能要求

2.2API Spec 2H、2W 及2Y

海洋平臺用鋼相關的API標準包括：API Spec 2H 《近海結構用碳錳鋼板規(guī)范》[13]、API Spec 2W[14]《海洋結構用熱機械控軋(TMCP)鋼板》和API Spec 2Y 《海洋結構調質鋼板》[15]等。

API Spec 2H規(guī)定了近海焊接結構用厚度≤100 mm(4 in)的2種強度等級鋼板，為42級和50級，依次標識為API 2H-42、API 2H-50。鋼板的交貨狀態(tài)為正火態(tài)，對于厚度超過63.5 mm(2.5 in)的50級鋼板也可采用淬火加回火態(tài)交貨。標準規(guī)定了鋼板的制造、化學成分、力學性能、標識等要求，同時也給出了超聲波檢測、低溫沖擊韌性、Z向性能、應變時效性能以及尺寸偏差等補充技術要求。

API Spec 2H對42級和50級碳錳鋼的性能要求見表7。API Spec 2H在基本性能要求基礎上，也提供了多種供用戶選擇的試驗項目，以滿足不同的應用需求。

表7　API Spec 2H的性能要求

API Spec 2W規(guī)定了用于海洋焊接結構的2種級別的高強度TMCP鋼板，API Spec 2Y則規(guī)定了用于海洋焊接結構的2種級別的高強度調質鋼板。強度級別均為50級和60級，依次標識為API 2W-50、API 2W-60 和API 2Y-50、API 2Y-60。50級鋼板的最大厚度為150 mm(6 in)，60級鋼板的最大厚度為100 mm(4 in)。API Spec 2W、API Spec 2Y標準與API Spec 2H標準的整體結構基本相同，均規(guī)定了包括制造、化學成分、力學性能、標識在內的基本要求及補充要求。而考慮到焊后熱處理對TMCP鋼、淬火回火鋼的影響，API Spec 2W、API Spec 2Y還規(guī)定了關于焊后熱處理(PWHT)的補充技術要求。此外，按照API Spec 2W、API Spec 2Y標準生產的鋼板還需進行試生產鑒定，除進行基本的檢驗、試驗項目外，還包括裂紋尖端張開位移(CTOD)試驗、按API RP2Z進行的包括中等約束水平的可控熱拘束試驗(CTS)和高約束水平V型坡口試驗的可焊性試驗。

API Spec 2W對TMCP鋼以及API Spec 2Y對淬火回火鋼的性能要求參見表8。其中在對CTOD的規(guī)定中，標準考慮了材料厚度的影響，對于大厚度材料，對應更高的CTOD值。

2.3ASTM A 514及A 517

ASTM系列鋼材中，ASTM A 514/A 514M《焊接結構用高屈服強度淬火回火合金鋼》[16]和ASTM A 517/A 517M 《壓力容器用高強度淬火回火合金鋼板》[17]也常被用作海洋平臺用鋼。A514、A517中包含了A、B、E、F、H、P、Q和S等8個鋼材級別，不同級別鋼材的化學成分、最大厚度及適用范圍各不相同。A514中A、B級別鋼材的最大厚度為32 mm，H級別鋼材最大厚度為50 mm，F、S級別鋼材最大厚度為65 mm，E、P和Q級別鋼材最大厚度為150 mm。A517中A、B級別的最大厚度為32 mm，H、S級別最大厚度為50 mm，F級別最大厚度為65 mm，E和Q級別最大厚度為150 mm。A514/A517 Gr.Q在自升式平臺中應用較廣，主要用于制造平臺樁腿的齒條、半弦板等。

表8　API Spec 2W、API Spec 2Y性能要求

ASTM A514和ASTM A517標準對Gr.Q鋼材化學成分和力學性能的規(guī)定(見表9)幾乎相同。區(qū)別在于，A514用于焊接結構件，A517用于鍋爐壓力容器，出于對鍋爐壓力容器安全性的考慮，A517的抗拉強度更高。在實際工程應用中，A514和A517 Gr.Q常用于100 mm厚度以上齒條鋼的生產和訂貨，最大適用厚度為150 mm。為滿足大厚度截面淬透性的要求，加入Mn、Cr、Mo、Ni等合金元素，以提高淬透性。同時加入微合金元素B和V，以提高超厚板心部的性能。鑒于自升式平臺齒條鋼最大厚度達到259 mm，常規(guī)的供貨厚度為178 mm，均超出了A514和A517規(guī)定的壁厚上限。用戶企業(yè)在采購齒條鋼時，常在A514和A517標準的基礎上通過修正，制定相應的產品技術規(guī)格書以滿足工程需求。目前，世界上普遍流行的是阿塞洛集團Indu steel制定的A517Q-MOD技術規(guī)范。

Indu steel根據實際工程需要，對美標A517Gr.Q進行了修正，形成企業(yè)標準A517Q-MOD，見表9。其修訂的內容主要包括：1)為了滿足實際工程需要，突破了厚度150 mm的限制。實際供貨的最大厚度達到210 mm及以上，目前常規(guī)的供貨厚度為178 mm。2)加嚴了對沖擊韌性的要求。3)提高了對屈服強度的要求。ASTM標準對厚度大于65 mm的厚鋼板采用降低屈服強度驗收(Q690按照620 MPa驗收)，而Indu steel則依然要求最低屈服強度690 MPa。4)基于以上對厚度規(guī)格和性能指標的更嚴格要求，Indu steel對A517Gr.Q的成分規(guī)定也作了相應的修改。主要包括：對C、Cr含量的上限進行了更嚴格的限制；為提高大厚度鋼板的淬透性，提高了Mn、Ni含量的要求；考慮低溫沖擊功的要求，提高了Ni的含量水平，并可根據低溫沖擊的考核要求不同靈活選擇；此外，V和B可同時加入，并允許Al的適量加入。

渤海裝備遼河重工訂貨技術條件(見表9)中A517Q-MOD最大厚度達到178 mm；屈服強度提高至690 MPa；沖擊韌性試驗溫度相對于A514/517未變，而沖擊功要求值增加至69 J；在化學成分方面主要降低了C、以及S、P等有害元素的含量上限。

表9　ASTM A514Gr.Q、A517Gr.Q以及相關企業(yè)標準A 517Q-MOD的性能要求

2.4CCS規(guī)范

海洋平臺用鋼在應用前需經船級社認證，ABS、BV、CCS、DNV、GL、LR、KR、NK、RLNA等九大船級社均制定了各自的材料標準，各船級社相關標準的內容及要求基本相同。中國船級社(CCS)的《材料及焊接規(guī)范》[18]適用于船體、機械、鍋爐和受壓容器及海上設施等的材料或產品的制造、試驗和檢驗，包含了對鋼板、扁鋼與型鋼、鋼管、鑄鋼件、鍛鋼件等金屬材料的性能要求及焊接要求。

CCS船級社規(guī)范中涉及的平臺用鋼包括一般強度船體用結構鋼、高強度船體用結構鋼和焊接結構用高強度淬火回火鋼等。CCS規(guī)范對一般強度船體用結構鋼、高強度船體用結構鋼和焊接結構用高強度淬火回火鋼的力學性能要求見表10、表11和表12。一般強度鋼區(qū)分了A、B、D、E 4個等級，相應的沖擊試驗溫度分別為20℃、0℃、-20℃和-40℃；高強度鋼和高強度淬火回火鋼區(qū)分了A、D、E、F 4個等級，沖擊試驗溫度分別為0℃、-20℃、-40℃和-60℃。除A級鋼外，規(guī)范均提出橫向和縱向的沖擊韌性要求，且沖擊功要求值與強度和厚度均有關，強度越高、厚度越大，沖擊功要求值也隨之提高。

針對特殊用途平臺鋼，CCS規(guī)范還提出了對Z向鋼、適應高熱輸入焊接鋼以及錨鏈用軋制圓鋼等的特殊要求。Z向鋼適用于因結構中承受厚度方向拉伸載荷而對鋼材厚度方向有性能要求的厚度不小于15 mm的板材或扁鋼。適應高熱輸入焊接鋼適用于采用熱輸入超過50 kJ/cm焊接工藝的平臺鋼焊接。錨鏈用軋制圓鋼適用于制造船舶錨鏈、海上設施系泊鏈及其附件用的軋制圓鋼。CCS規(guī)范規(guī)定的海上設施系泊鏈用鋼包括OM3、OM3S、OM4、OM4S和OM5共5個級別。

表10　一般強度船體用結構鋼的力學性能要求

注：t為厚度，mm。

表11　高強度船體用結構鋼的力學性能要求

注：t為厚度，mm。

表12　焊接結構用高強度淬火回火鋼的力學性能要求

Z向鋼，CCS規(guī)范要求其化學成分除符合母級鋼規(guī)定外，熔煉分析化學成分中S含量應≤0.008%。對于Z25鋼，3個試樣的厚度方向斷面收縮率平均值應≥25%，單個值≥15%；對于Z35鋼，3個試樣的厚度方向斷面收縮率的平均值應≥35%，單個值≥25%。CCS規(guī)范同時規(guī)定了對Z向鋼的超聲波檢測。

適應高熱輸入焊接鋼是在母級鋼的基礎上，經化學成分少量調整處理的鋼材。適應高熱輸入焊接鋼除滿足特殊要求外，還應符合其母級鋼的所有要求。適應高熱輸入焊接鋼須按要求進行平板對接焊工藝認可試驗，試驗項目包括：焊縫拉伸、焊縫正反彎、焊接接頭沖擊、焊接接頭硬度及斷面宏觀等。

對于系泊鏈用鋼，規(guī)范規(guī)定其化學成分應滿足認可的標準，同時OM4、OM4S和OM5級系泊鏈鋼的鉬含量應不低于0.20%。系泊鏈鋼應進行奧氏體晶粒度檢查；對于OM4S和OM5級鋼需進行非金屬夾雜物檢查、宏觀酸蝕檢查(確認無有害的偏析和氣孔)和淬透性試驗；對于OM3S、OM4、OM4S和OM5級鋼還需進行氫脆試驗，未經烘焙試樣的斷面收縮率與烘焙后試樣的斷面收縮率比應≥0.85。系泊鏈鋼的力學性能要求見表13，不僅包含了對強韌性指標的要求，還有對屈強比及硬度的規(guī)定。其中，OM5級鋼的屈服強度達到760 MPa以上，-20℃沖擊功≥58 J，屈強比≤0.92，硬度≤340 HBW。

表13　系泊鏈及附件用材料的力學性能

2.5GB 712

GB 712《船舶及海洋工程用結構鋼》標準規(guī)定了船舶及海洋工程用結構鋼的分類和牌號、訂貨內容、尺寸、外形、重量及允許偏差、要求、檢驗和試驗、包裝、標志和質量證明書。適用于制造遠洋、沿海和內河航區(qū)航行船舶、漁船及海洋工程結構用厚度不大于150 mm的鋼板、厚度不大于25.4 mm的鋼帶及剪切板和厚度或直徑不大于50 mm的型鋼。GB 712將船舶及海洋工程結構用鋼按強度級別分為：一般強度(≤235 MPa)、高強度(315～390 MPa)和超高強度(420～490 MPa)三類。GB 712對于一般強度及高強度鋼的規(guī)定與船級社規(guī)范基本相同，而在超高強度鋼方面，相對于船級社的淬火回火鋼，GB 712放開了對鋼板交貨狀態(tài)的限制，既可采用QT狀態(tài)交貨，也可TMCP和TMCP+T狀態(tài)交貨。

(待續(xù))

Status and Development Trends of Offshore Platform Steels Ⅱ

DU Wei，LI Helin

(CNPCTubularGoodsResearchInstitute,StateKeyLaboratoryforPerformanceandStructureSafetyofPetroleumTubularGoodsandEquipmentMaterials,Xi′an,Shaanxi710077,China)

The main varieties and specifications of offshore platform steels are summarized, which include general strength steel, high strength steel, ultra-high strength steel and special purpose steeling (seawater corrosion resistant low alloy steel,gear steel, Z-direction steel, high heat input welding steel, mooring chain steel and high strength cast steel, etc.). The standard system of platform steels and the relevant requirements of European standards, API standards, classification society standards and national standards are concluded. Then the R&D status of platform steels are discussed. Lastly, the development trends of offshore platform steels are pointed out.

offshore platform steel；Z-direction steel；gear steel；high heat input welding steel；seawater corrosion resistant low alloy steel

杜偉，男，1982年生，工程師，2008年碩士畢業(yè)于北京科技大學材料學專業(yè)，現主要從事石油管的工程應用與應用基礎研究。E-mail:duw002@cnpc.com.cn

TE5

A

2096-0077(2016)04-0001-05

2016-04-14編輯：屈憶欣)