海工領(lǐng)域用歐標鋼材的解析

宋立新

(海洋石油工程(青島)有限公司,山東 青島 266520)

1 前 言

隨著海洋裝備制造業(yè)的快速發(fā)展，與之相配套的海洋工程領(lǐng)域用鋼必然會成為鋼材需求的新亮點。掌握海洋工程制造業(yè)用鋼的發(fā)展方向，這對于海洋工程制造和鋼材制造企業(yè)都是十分必要的[1-4]。歐洲是世界上海洋工程發(fā)展較早的地區(qū)之一，大量先進的海洋工程裝備的開發(fā)設(shè)計標準及材料標準都是歐標[5]，中國企業(yè)承攬的大量海外建造項目大多遵循歐洲標準，使用歐標鋼材。因此熟練掌握歐標鋼材分類及標記，并且將其與國標材料進行對比解析，對于指導(dǎo)實際生產(chǎn)具有重要意義。

2 歐標鋼材的分類

按EN 10020:2000[6]標準，根據(jù)鋼材中的化學(xué)成分把鋼材分為：非合金鋼、不銹鋼、合金鋼。非合金鋼：成分達不到EN10020:2000中表1中的合金元素限定值的鋼定義為非合金鋼；不銹鋼：鉻含量至少為10.5%，碳含量最大值為1.2%的鋼為不銹鋼；合金鋼：成分至少達到EN 10020：2000中表1中的合金元素限定值的鋼為合金鋼。合金鋼按照其合金元素的含量，又分成低合金鋼和高合金鋼。低合金鋼，每一個合金元素的平均含量(按質(zhì)量分數(shù))<5%，例如，13CrMo4-5。高合金鋼(包括不銹鋼)，至少有一個合金元素的含量(按質(zhì)量分數(shù))≥5%，例如，X8Ni9(其它高合金鋼)、X5CrNi18-10(不銹鋼)。

3 歐標鋼材的標記

歐標鋼材按EN 10027-1[7]、EN 10027-2標準進行標記。EN10027-2為材料的數(shù)字編號，在此不作重點介紹。EN 10027-1為材料的符號標記，為了表示牌號將鋼材分為兩大組：第1組，按照鋼的用途和性能命名的鋼；第2組，按照化學(xué)成分命名的鋼。

3.1 按照鋼的用途和性能命名的鋼

歐標鋼材包括S結(jié)構(gòu)鋼(非合金結(jié)構(gòu)鋼、耐候鋼、細晶粒結(jié)構(gòu)鋼)、P壓力容器用鋼、L管線用鋼、E機器制造用鋼、B鋼筋用鋼、R鋼軌用鋼、G鑄鋼。

以結(jié)構(gòu)鋼為例，S表示結(jié)構(gòu)鋼；235,355,460等表示最小屈服強度(MPa)；J0，J2,K2表征不同溫度條件下的沖擊功；M-熱機械軋制，N-正火或正火軋制，Q-調(diào)質(zhì)，G-其它特性；C-具有特別的冷變形能力，D-液浸鍍層， H-空心型材，L-用于低溫，W-耐候鋼。表1中總結(jié)了一些結(jié)構(gòu)鋼相關(guān)標準和牌號實例。

表1 結(jié)構(gòu)鋼的標準和牌號實例Table 1 Examples of grades and standards for structure steels

3.2 按照化學(xué)成分命名的鋼

(1)平均含錳量<1%的非合金鋼，例如，C35R，C%=(35/100)%=0.35%。另外，R表示硫含量范圍，D表示用于拉絲線材，S表示用于彈簧，E表示特殊硫最大含量，C表示用于冷成型。表2中總結(jié)了一些平均含錳量<1%的非合金鋼的相關(guān)標準和牌號實例。

表2 平均含錳量<1%非合金鋼的標準和牌號實例Table 2 Examples of grades and standards for non-alloy steels with an average manganese content<1%

(2)平均含錳量≥1%的非合金鋼、非合金易切削鋼和合金鋼(高速鋼除外)，每一個合金元素的平均含量(按質(zhì)量百分比) <5%。例如，13CrMo4-5，C%=(13/100)%=0.13%，Cr%=(4/4)%= 1%，Mo%=(5/10)%= 0.5%。合金元素的合金系數(shù)按照EN 10027-1中表13進行選取。表3中總結(jié)了一些平均含錳量≥1%的非合金鋼的相關(guān)標準和牌號實例。

(3)不銹鋼和其它合金鋼(高速鋼除外)，至少有一個合金元素的含量(按質(zhì)量百分比)≥5%。例如，X5CrNi18-10，X表示至少一種合金元素平均含量≥5%，C%=(5/100)%=0.05%；Cr%=18%，Ni%=10%。其它材料詳見表4中所述規(guī)范。

(4)高錳鋼高速鋼，特殊合金工具鋼。例如，HS2-9-1-8，HS表示高速鋼，后面數(shù)字分別為W，Mo，V，Co的質(zhì)量百分含量。

4 海工領(lǐng)域歐標鋼材的探討

4.1 海工領(lǐng)域的歐標鋼材

一般來說，海工領(lǐng)域用鋼主要分為[8]：① 軋制鋼材，所用到的鋼材類型除鋼板外，還包括H型鋼、扁鋼、圓鋼、角鋼、工字鋼及槽鋼等。最大屈服強度大于690 MPa。其中海洋工程中用量最多的是355～460 MPa的軋制鋼板及H型鋼。② 中空鋼材，包括用于結(jié)構(gòu)、管線、壓力容器、熱交換器及低溫耐蝕等環(huán)境下的無縫鋼管、焊接鋼管及方形鋼管等。③ 鋼鍛件及鋼鑄件，有碳錳鋼、不銹鋼。當(dāng)前常用的海工領(lǐng)域鋼材主要涉及的歐洲標準有EN 10025、EN 10225、EN 10210、EN 10149、EN 10028、EN 10083、EN 10088、EN 573、EN 1173等系列標準。

表3 平均含錳量≥1%的非合金鋼的標準和牌號實例Table 3 Examples of grades and standards for non-alloy steels with an average manganese content≥1%

表4 合金鋼的標準和牌號實例Table 4 Examples of grades and standards for alloy steels

以結(jié)構(gòu)鋼材為例，歐標最常用的規(guī)范是EN 10025、EN 10225，相對應(yīng)的國標為GB/T 700、GB/T 1591、GB 712、GB/T 8162等。EN 10225為固定海洋工程可焊接結(jié)構(gòu)鋼板專用標準，所屬鋼材分為3個組別，共20個牌號，強度等級在355～460 MPa之間。其中海洋工程中最常用的S355級別的鋼材橫跨了3個組別。組別1是在EN 10025鋼材的基礎(chǔ)上限制了硫磷的含量，提高了微量元素的上限值，目的是提升鋼材的純凈度，改善鋼材的塑韌性和焊接性，并且組別1鋼板的最大厚度只能為40 mm。EN 10225的組別2及組別3鋼材與EN 10025皆有實質(zhì)性的區(qū)別，包括冶煉方法、化學(xué)性能、機械性能、探傷、焊接性、交貨狀態(tài)的特殊要求[9]。例如，組別3要求真空脫氧冶煉，降低P、S含量，從而達到減小成分偏析的目的；組別2、3均要求進行產(chǎn)品成分分析，其分析結(jié)果和熔煉分析結(jié)果的要求一致，目的是控制產(chǎn)品的成分偏析；組別2、3的CEV計算也基于產(chǎn)品分析，S355G9、S355G10還要求計算Pcm值；組別2、3只允許正火爐正火的交貨狀態(tài)，在線正火交貨需經(jīng)客戶同意；組別2、3限制屈強比的上限，從而保證材料的塑韌性，且EN 10225中特別對厚度大于40 mm的組別2、3提出了應(yīng)在鋼板1/2厚度處取樣加做一組沖擊實驗的要求。另外，EN 10225中針對板材、型材、中空線材的材料牌號均有定義；并且規(guī)定了成分和機械性能實驗的批重為40 t，相比國標GB 712的50 t，EN 10225的批重更小，取樣量更大。作為海洋工程用鋼的專用標準，EN 10225相對于普通結(jié)構(gòu)鋼在相應(yīng)的質(zhì)量要求上有所提升，分類更加詳細。規(guī)定了30多項用戶可選項，可根據(jù)不同的服役條件進行訂貨，有效地避免了資源浪費。

4.2 海工領(lǐng)域用歐標鋼材替換及思考

結(jié)構(gòu)鋼材替換，需要考慮以下幾個方面[10-12]：材料替換的原則；化學(xué)成分對比；機械性能對比；型鋼截面替換；表面質(zhì)量；供貨條件；探傷要求；尺寸公差。

如果從等成分等強度的原則上考慮海工領(lǐng)域用鋼國標材料和歐標鋼材替換，基于目前國家標準的情況很難實現(xiàn)所有材料的對應(yīng)替代。國標鋼材種類和性能還不能完全滿足歐標市場海工領(lǐng)域用鋼的需要，但是這不代表國內(nèi)鋼鐵企業(yè)不能生產(chǎn)各類歐標鋼材。目前國內(nèi)S355級別及以下的海洋工程用高強度歐標結(jié)構(gòu)鋼材基本實現(xiàn)了國產(chǎn)化，占了海洋工程用鋼量的90%，但關(guān)鍵部位所用超高強度、大厚度鋼板、抗層狀撕裂的Z向鋼和深海天然氣工程用的海底大壁厚深海用管線鋼等，國內(nèi)只有個別鋼廠能夠生產(chǎn)，大多鋼廠還處在研發(fā)試制階段，多數(shù)依賴進口。特別是屈服強度在690 MPa以上、高韌性、耐腐蝕、易焊接的海洋工程用鋼基本依賴進口。國內(nèi)鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)的涉外項目海工用鋼大多采用的是EN10225、NORSOK及API標準。目前，欲將國標材質(zhì)直接應(yīng)用于歐洲項目，只能從設(shè)計源頭著手，在設(shè)計階段就考慮使用國標材料。但是，這種方案很難被國外設(shè)計機構(gòu)所采納，而且設(shè)計難度和項目風(fēng)險都將增大。

需要重點關(guān)注的是我國海洋工程用鋼的專用國家標準GB 712是根據(jù)船體用結(jié)構(gòu)鋼材升級而來，從定義嚴謹性和產(chǎn)品牌號劃分上較EN 10225標準有很大差距，僅依據(jù)強度等級和沖擊韌性分成了3類40個牌號。其中有16個牌號強度是在500～690 MPa，8個牌號小于355 MPa，并且不涉及組別特殊性，也不涉及型材和中空線材，往往造成海工用H型鋼引用JIS標準，小于400 mm的鋼管引用GB/T 8162 結(jié)構(gòu)鋼管標準，大于400 mm鋼管采用鋼板進行卷制。實際上國內(nèi)很多鋼廠可以生產(chǎn)1000 mm以下的S355級別的無縫鋼管，造成了資源的浪費，嚴重制約了國產(chǎn)高強鋼在海工領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。另外，GB 712中材料的化學(xué)成分要求比較寬泛，沖擊功值要求較低，在海洋工程中常用的S355到S460級別的鋼材也不能等效對應(yīng)EN 10225。

5 結(jié) 語

當(dāng)前在海洋工程領(lǐng)域采用國家標準鋼材替換歐標鋼材，依然沒有合適的依次對照關(guān)系。因此熟悉掌握歐洲系列鋼材標準，有利于推動海洋工程裝備制造業(yè)的發(fā)展。同時，國內(nèi)海洋工程制造企業(yè)及鋼材供應(yīng)企業(yè)應(yīng)該積極推動海洋工程用鋼專用國家標準的發(fā)展，這將有利于減小貿(mào)易壁壘，提升國產(chǎn)高強鋼的應(yīng)用范圍。