CTOD 性能優(yōu)良的海工鋼技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀及發(fā)展方向

許 營 陳 妍

1.前言

近年來，隨著能源需求的不斷增加，海洋油氣資源的開采區(qū)域向深海和低溫區(qū)域擴(kuò)展，海工鋼向高強(qiáng)、高韌性方向發(fā)展，即以屈服強(qiáng)度460MPa以下為主體的鋼材使用量向500MPa～690MPa增加。在要求-40℃～-60℃夏比沖擊功的基礎(chǔ)上還增加了對(duì)脆性斷裂性能（即CTOD值）的要求。本文介紹了國內(nèi)外海洋工程用厚板CTOD性能的研發(fā)情況，對(duì)具有優(yōu)良CTOD性能的海洋工程用厚板技術(shù)發(fā)展概況以及研發(fā)思路進(jìn)行梳理，找出技術(shù)發(fā)展特點(diǎn)，為海洋工程用厚鋼板的研發(fā)和生產(chǎn)夯實(shí)基礎(chǔ)，提供支撐。

2.CTOD特性優(yōu)良的海工鋼技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀

2.1 國內(nèi)外CTOD 海工鋼供貨級(jí)別

目前國內(nèi)外可供貨的CTOD海工鋼品種見表1?？梢钥闯?，日本制鐵公司、JFE公司對(duì)CTOD特性優(yōu)良海工鋼的研發(fā)處于領(lǐng)先地位，500MPa及以上級(jí)別的CTOD海工鋼可以實(shí)現(xiàn)供貨。

表1 國外可供貨的CTOD海工鋼品種

2.2 國外CTOD 海工鋼基本研發(fā)思路

（1）JFE鋼鐵公司

JFE鋼鐵公司利用其獨(dú)特的控制冷卻技術(shù)Super-OLAC以及提高焊接熱影響區(qū)韌性技術(shù)JFE-EWEL，生產(chǎn)出CTOD特性優(yōu)良的海工鋼。為了確保海工鋼HAZ（焊接熱影響區(qū)）具有優(yōu)良的CTOD特性，JFE在生產(chǎn)中主要采用低C、低Ceq、適當(dāng)添加Ni的成分體系，煉鋼工序中，降低鋼中的P、S、N，進(jìn)行Ca-Ti處理或REM-Ti處理。見圖1(1)。

圖1 JFE提高HAZ韌性的基本思路

（2）日本制鐵公司

日本制鐵利用其獨(dú)特的CLC-μ冷卻技術(shù)和HAZ高韌性HTUFF技術(shù)，在保證焊接接頭CTOD特性方面，已經(jīng)開發(fā)出了Ti-N鋼、Ti-O鋼、Mg-O鋼和Cu析出強(qiáng)化鋼，其基本的成分體系為低Si和無Al，并且強(qiáng)調(diào)Ti-N最佳配比，從而減少M(fèi)A島形成以及避免TiC脆化。日本制鐵提高HAZ韌性的主要措施包括降低HAZ硬度、減少脆化相以及HAZ晶粒細(xì)化。見表2。

表2 日本制鐵提高HAZ韌性的基本思路

（3）POSCO公司

韓國POSCO的基本思路包括：（1）通過夾雜物形成致密的針狀鐵素體，同時(shí)抑制MA產(chǎn)生；（2）減少C、Si、Mn、Mo、Als、Nb等元素的添加量，減少M(fèi)A產(chǎn)生；（3）加入Ni確保低溫韌性；（4）焊后將HAZ再加熱至200℃～650℃，降低硬度。

2.3 國外CTOD 海工鋼研發(fā)實(shí)例

國外鋼鐵公司研發(fā)500MPa級(jí)、保證焊接接頭-10℃CTOD性能的海工鋼的典型化學(xué)成分（2-3）、力學(xué)性能見表3、表4。JFE開發(fā)的500MPa級(jí)CTOD海工鋼的焊接性能見表5。

表3 國外鋼鐵公司500MPa級(jí)CTOD海工鋼典型化學(xué)成分

表4 國外鋼鐵公司500MPa級(jí)CTOD海工鋼典型力學(xué)性能

表5 JFE鋼鐵公司500MPa級(jí)CTOD海工鋼焊接性能

3. CTOD特性優(yōu)良海工鋼的發(fā)展方向

3.1 CTOD 海工鋼的發(fā)展特點(diǎn)

（1）品種系列化

從CTOD供貨和研發(fā)情況看，國外CTOD特性海洋平臺(tái)用鋼板可成系列供貨，先進(jìn)鋼鐵公司焊接接頭CTOD溫度-10～-40℃的海工鋼均可實(shí)現(xiàn)批量供貨。

（2）獨(dú)特的焊接熱影響區(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，在先進(jìn)的TMCP技術(shù)的驅(qū)使下，實(shí)現(xiàn)了焊接接頭優(yōu)良的韌性。

（3）國內(nèi)外差距明顯

近年來，我國在海工裝備用鋼的生產(chǎn)方面取得了很大的進(jìn)步，國產(chǎn)海工裝備用鋼被廣泛采用。CTOD特性優(yōu)良的海工鋼的研究也越來越多，也形成了自己獨(dú)有的技術(shù)特點(diǎn)。但無論從供貨的系列化、產(chǎn)品性能穩(wěn)定性以及實(shí)際應(yīng)用角度，國內(nèi)外同類產(chǎn)品還存在一定的差距。也沒有類似國外鋼鐵企業(yè)的系統(tǒng)性理論研究。日本制鐵、JFE目前均已經(jīng)成功開發(fā)出符合NORSOK標(biāo)準(zhǔn)的500MPa級(jí)CTOD-10℃的低溫韌性海工鋼，處于世界領(lǐng)先地位。

3.2 研發(fā)發(fā)展方向

CTOD特性海洋工程用鋼的具體研究方向體現(xiàn)在以下方面：

（1）研發(fā)向更高強(qiáng)度級(jí)別（550MPa以上）、更大厚度（100mm以上）、更低溫度（-40℃以下）方向發(fā)展，并且隨著鋼板厚度的不斷提高，沿板厚方向性能的均勻性成為研發(fā)重點(diǎn)，以確保海洋結(jié)構(gòu)安全服役。

（2）研發(fā)從元素偏析、夾雜物形態(tài)和數(shù)量控制向鋼板全厚度顯微組織研究轉(zhuǎn)變，在不增加貴重合金元素（如Cu、Ni、Mo等）前提下，通過合金組合設(shè)計(jì)優(yōu)化和革新的TMCP工藝技術(shù)獲得更好的組織匹配，從而得到更高的強(qiáng)韌性和更優(yōu)良的焊接性。

（3）確保CTOD性能的前提下，具備止裂性等復(fù)合性能，并可實(shí)現(xiàn)大線能量焊接。

4. 結(jié)語

海洋油氣開發(fā)由淺水區(qū)向深水區(qū)，由常規(guī)溫和環(huán)境向極地高寒環(huán)境發(fā)展，推動(dòng)了海洋石油平臺(tái)的不斷升級(jí)換代，對(duì)具有良好CTOD特性的低溫韌性海洋工程用鋼的需求量將不斷增加，CTOD特性鋼作為海洋工程用鋼的重要品種，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。