不同標(biāo)準(zhǔn)下幾種高強(qiáng)度船板的化學(xué)成分及力學(xué)性能對(duì)比分析

陳欣

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

隨著海洋石油勘探工作快速推進(jìn)，在我國(guó)僅海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)板材的鋼需求量每年就達(dá)30萬噸以上，高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)板材的需求也逐年增大。海洋平臺(tái)作為長(zhǎng)期深處海洋復(fù)雜作業(yè)條件下的特殊平臺(tái)，其服役期往往大于船舶類50%以上，由于長(zhǎng)期受到低溫、日照、海風(fēng)及海浪的侵蝕，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料必須具備高強(qiáng)度、高韌性、抗沖撞、抗撕裂、抗侵蝕和抗疲勞和較優(yōu)良的焊接性能。目前，我國(guó)水下生產(chǎn)設(shè)備的制造和研發(fā)也已快速發(fā)展至深水水平，為進(jìn)一步適應(yīng)深水海洋工程開發(fā)和國(guó)際市場(chǎng)需求，迫切需要對(duì)高強(qiáng)度船板性能進(jìn)行研究，以實(shí)現(xiàn)板材選型和工程質(zhì)量保障。以下就不同規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的高強(qiáng)度船用板材進(jìn)行化學(xué)成分和力學(xué)性能對(duì)比分析。

1 規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)概述

目前，世界造船業(yè)及船用鋼材參照?qǐng)?zhí)行的主要船級(jí)社規(guī)范有中國(guó)船級(jí)社CCS、美國(guó)船級(jí)社ABS、德國(guó)船級(jí)社GL、法國(guó)船級(jí)社BV、挪威船級(jí)社DNV、日本船級(jí)社NK、英國(guó)船級(jí)社LR、韓國(guó)船級(jí)社KR及意大利船級(jí)社RINA等。隨著海洋石油勘探及造船業(yè)的快速發(fā)展，噸位更大的海洋平臺(tái)及大型貨船不斷出新，對(duì)船體板材的厚度要求及性能要求也越來越高，為此十幾年間各國(guó)均對(duì)本國(guó)的船級(jí)社規(guī)范進(jìn)行了一定的規(guī)范調(diào)整和改動(dòng)。我國(guó)船體用結(jié)構(gòu)鋼標(biāo)準(zhǔn)GB/T 712頒布與實(shí)施已有10年多時(shí)間。

2 高強(qiáng)度船板的性能及軋制工藝

高強(qiáng)度船板在海洋工程中應(yīng)用于大型船舶、海洋平臺(tái)及水下設(shè)備。高強(qiáng)度船板板材較一般板材更厚、耐腐蝕性能、力學(xué)性能更好，同時(shí)，要求其低溫韌性和焊接性能更高，因此對(duì)其加工工藝要求更高，加工技術(shù)也相應(yīng)較為繁雜。生產(chǎn)廠家對(duì)冶煉工藝和內(nèi)在質(zhì)量的技術(shù)研發(fā)，極大地降低了高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼材中的有害元素及雜質(zhì)含量。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)高強(qiáng)度船板主要以熱軋或控軋?zhí)娲鸬姆绞缴a(chǎn)船板。厚度小于35mm的采取二階段控軋的方式生產(chǎn)，厚度大于35mm的多以熱軋加正火的方式生產(chǎn)。

3 不同標(biāo)準(zhǔn)下高強(qiáng)度船板的化學(xué)成分及力學(xué)性能對(duì)比分析

本節(jié)將結(jié)合GB/T 712船體用結(jié)構(gòu)鋼標(biāo)準(zhǔn)、挪威船級(jí)社DNV-OS-B101、法國(guó)船級(jí)社BV NR216、美國(guó)材料與實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)ASTM A131/A131M及中國(guó)船級(jí)社CCS規(guī)范，主要對(duì)比分析D、E系列高強(qiáng)度船板性能及要求。

3.1 化學(xué)成分

國(guó)外所產(chǎn)的鋼材其實(shí)物的質(zhì)量通常均高于標(biāo)準(zhǔn)水平且性能較為穩(wěn)定，為此當(dāng)前入級(jí)的其他國(guó)外船級(jí)社對(duì)鋼內(nèi)在成分質(zhì)量的配比元素，沒有進(jìn)行較為嚴(yán)格的規(guī)定，但我國(guó)由于鋼材的性能波動(dòng)較大，為此對(duì)鋼材質(zhì)量和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行化學(xué)成分的上下限應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格明確的控制和調(diào)整。

為確保所生產(chǎn)的高強(qiáng)度船板的技術(shù)性能要求，多會(huì)應(yīng)用微合金化技術(shù)，即在鋼中添加Nb、V、Ti等合金元素，并結(jié)合所需控軋工藝達(dá)到細(xì)化晶粒，以提高船板的強(qiáng)韌性；對(duì)Mn和Si的上下限進(jìn)行規(guī)定可以保證其力學(xué)性能的穩(wěn)定；對(duì)鋼中的S、P、N、0、H等含量要求應(yīng)結(jié)合船級(jí)社的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行嚴(yán)格控制，確保鋼坯鋼質(zhì)純凈度。見表1。

表1 不同標(biāo)準(zhǔn)下高強(qiáng)度鋼的化學(xué)成分對(duì)比

由上表可見，僅在ASTM規(guī)范中對(duì)Si含量的下限值，在其他規(guī)范中均為對(duì)Si的上限進(jìn)行規(guī)定。從上表中還可以明顯看出，GB/T 712中的P和S元素的含量與其他標(biāo)準(zhǔn)有較大差別，其余元素在各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中的要求是一致的。除上表中對(duì)元素組分的規(guī)定，在標(biāo)準(zhǔn)中還說明了供方可以全部或部分用鈮、釩代替鋁，表中規(guī)定有鋁、鈮、釩等元素，或單獨(dú)加某一種或同時(shí)加幾種元素，如混合加入幾種元素其含量可以小于表中規(guī)定的下限。GB/T 712與其他規(guī)范中對(duì)碳當(dāng)量最大值的要求是一致的（BV和ASTM規(guī)范中不涉及厚度100～150mm的船板）。

船級(jí)社規(guī)范規(guī)定：鋼應(yīng)含有鋁、鈮、釩或其他合適的晶粒細(xì)化元素，可以是一種或任意幾種配合，當(dāng)只用一種時(shí)，鋼應(yīng)含有規(guī)定的最低含量晶粒細(xì)化元素，當(dāng)幾種元素配合使用時(shí)，對(duì)其中任一元素規(guī)定的最小含量就不再適用。

在三國(guó)船級(jí)社規(guī)范中，對(duì)鋼種的脫氧方法明確規(guī)定：厚度大于25mm的D級(jí)鋼和所有E級(jí)鋼，須鎮(zhèn)靜處理并用鋁作為細(xì)化晶粒元素。

3.2 力學(xué)性能

目前，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中已將高強(qiáng)度鋼的抗拉強(qiáng)度σb的上限由490N/mm2擴(kuò)大為660N/mm2，見表2。

在抗拉強(qiáng)度要求中，ASTM規(guī)范中各級(jí)別的抗拉強(qiáng)度最大值與其他規(guī)范要求不同，32公斤級(jí)材料抗拉強(qiáng)度最大值大于其他規(guī)范20MPa，但36公斤和40公斤級(jí)抗拉強(qiáng)度最大值小于其他規(guī)范10MPa。

最小伸長(zhǎng)率除ASTM規(guī)范中均為20%外，其他規(guī)范要求一致。

BV及ASTM規(guī)范對(duì)沖擊功的要求適用于100mm以下板厚，其他規(guī)范適用于150mm以下板厚。在GB/T 712規(guī)范中，≤50mm鋼板的縱橫向沖擊功要求均大于其他規(guī)范。

另外，從表1可知，將標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中增加了100厚度及≤100mm的鋼板，另外，鋼種方面增加了F級(jí)和40公斤級(jí)，由于近年來我國(guó)海上作業(yè)平臺(tái)及大型船舶需求日益增大，深海油氣田項(xiàng)目也日漸增多，因此，對(duì)萬噸以上船舶、水下產(chǎn)品等需求增加，對(duì)船板厚度和強(qiáng)度要求也增加，所以市場(chǎng)對(duì)40kg級(jí)的鋼材需求越來越大。

3.3 交貨狀態(tài)

目前，基于GB/T 712交貨狀態(tài)比較可見：交貨中熱軋、控軋和正火三種形式基礎(chǔ)上已增加了與入級(jí)船級(jí)社規(guī)范中的熱機(jī)械控制軋制方式（TMCP)，經(jīng)過熱機(jī)械軋制的軋件可獲得正火或其他熱處理后的性能。并經(jīng)由沖擊試驗(yàn)可以獲得較為穩(wěn)定的試驗(yàn)效果，經(jīng)船檢相關(guān)部門同意后，方可按熱軋狀態(tài)進(jìn)行交貨。與其他規(guī)范不同的是，在DNV規(guī)范各級(jí)別材料中均有淬火加回火的交貨狀態(tài)。此外，對(duì)于在厚度不大于50mm的材料，僅ASTM規(guī)范在EH40牌號(hào)中未標(biāo)注有淬火加回火狀態(tài)。

目前，所有供方鋼材的交貨狀態(tài)均參照各國(guó)船級(jí)社的規(guī)范對(duì)細(xì)化晶粒方法、鋼板厚度以及沖擊試驗(yàn)頻數(shù)一并考慮；由于海洋平臺(tái)及大型船舶常年處于海洋運(yùn)行環(huán)境中，因此，基于安全視角，各國(guó)船級(jí)社標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中均對(duì)鋼材交貨狀態(tài)進(jìn)行了明確的規(guī)定，且越來越細(xì)化和具體。為了確保我國(guó)鋼材生產(chǎn)廠家在執(zhí)行GB/T 712 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)不出現(xiàn)和其他船級(jí)社規(guī)范發(fā)生沖突，未來應(yīng)針對(duì)性在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中對(duì)交貨狀態(tài)參照國(guó)外船級(jí)社規(guī)范進(jìn)行修訂。

3.4 表面質(zhì)量

GB/T 712標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中明確規(guī)定了所有鋼板的表面不得出現(xiàn)分層，不允許有氣泡、結(jié)疤、裂紋、拉裂、折疊、夾雜和壓入氧化鐵皮等，但對(duì)允許的缺陷也有具體的規(guī)定，即：允許有且不妨礙檢測(cè)表面的薄層氧化鐵皮、鐵銹，但對(duì)軋輥所造成的不明顯的粗糙、劃痕及其他局部缺陷，但應(yīng)保證其深度不得大于相應(yīng)的負(fù)差范圍，且應(yīng)保證鋼板的最小厚度。

入級(jí)的其他的船級(jí)社規(guī)范中，沒有針對(duì)性的規(guī)定出現(xiàn)不允許的缺陷；但規(guī)定了鋼板的任何部位其厚度均不能低于公稱厚度的93%，并確定了任何情況下其厚度均不得高于3mm的厚度減小值；進(jìn)行表面研磨面積不高于0.25mm2；進(jìn)行檢測(cè)過程中的鋼板的局部研磨面積的總和應(yīng)不得高于總面積的2%。

4 結(jié)語

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是大國(guó)裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)，也是構(gòu)建供求雙方的市場(chǎng)關(guān)系紐帶；持續(xù)修訂更高水平的鋼材標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于提升我國(guó)鋼材質(zhì)量及品牌形象具有重要的推動(dòng)作用，隨著我國(guó)GB/T 712標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)水平持續(xù)提升，對(duì)我國(guó)造船行業(yè)整體水平和提升國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)份額具有積極的正向作用。