極地海洋裝備用鋼發(fā)展方向研究

王曙光,朱 軍

(江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司,上海201913)

0 引言

極地區(qū)域擁有極為豐富的自然資源,對(duì)世界未來經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展有著重要的支撐作用[1-2]。隨著全球氣候變暖、海冰大量融化,極地蘊(yùn)藏的豐富資源和極具價(jià)值的北極航道將極大地提升極地的實(shí)際價(jià)值[3-5],因此,極地海洋裝備的開發(fā)建設(shè)日益增多。極地常年低溫、多冰的環(huán)境對(duì)極地裝備用鋼材料性能提出了更高的挑戰(zhàn)。我國現(xiàn)有船舶材料體系主要針對(duì)常規(guī)海域環(huán)境,在極地環(huán)境方面的材料應(yīng)用研究起步晚、投入少。

為此,本文通過收集目前國外先進(jìn)極地海洋裝備用鋼的研究成果及使用情況,對(duì)比國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀,分析目前國內(nèi)極地海洋裝備用鋼的短板,提出我國極地海洋裝備用鋼的發(fā)展建議。

1 國外極地海洋裝備用鋼研究現(xiàn)狀

2000年,俄羅斯成功開發(fā)出屈服強(qiáng)度為235～690 MPa的新型極地用鋼,最高耐寒級(jí)別可達(dá)F級(jí),工作溫度為-40～-50 ℃,保證在-60 ℃下不發(fā)生脆斷。同時(shí)在F級(jí)耐寒鋼的基礎(chǔ)上開發(fā)了以“ARC”為后綴的極地專用高強(qiáng)鋼,強(qiáng)度級(jí)別范圍涵蓋了315～750 MPa,并已完成了相應(yīng)配套焊接材料的開發(fā),可不受限制地用于任何極地裝備結(jié)構(gòu)。目前,俄羅斯已形成較為完整的極地用鋼材料體系,工作溫度低至-60 ℃,已用于冰區(qū)航行船舶、破冰船、考察船、海上鉆井平臺(tái)等設(shè)計(jì)建造,較好地解決了裝備/結(jié)構(gòu)在高鹽度海冰中的脆斷、疲勞、腐蝕與沖刷磨損問題。同時(shí)正在開展890 MPa和960 MPa級(jí)別的ARC級(jí)耐寒鋼的開發(fā)工作。

20世紀(jì)80年代,日本在EH36鋼基礎(chǔ)上開發(fā)出厚度達(dá)75 mm的極地船舶與海工裝備用EH36-060鋼,屈服強(qiáng)度超過430 MPa、-60 ℃夏比沖擊功超過300 J、50%韌脆轉(zhuǎn)變溫度(FATT)約為-100 ℃,可實(shí)現(xiàn)大線能量焊接。EH36-060鋼已被用于破冰船、極地油船和極地海洋平臺(tái)建造[6-7]。

美國重型破冰船的船體結(jié)構(gòu)采用了HY-80、CG-ASTM 537M、EH36-060(Mod)等鋼種,但高強(qiáng)度等級(jí)的HY鋼容易出現(xiàn)焊接開裂和應(yīng)力腐蝕開裂,導(dǎo)致建造成本過高。HSLA-80和HSLA-100低合金高強(qiáng)鋼雖然碳當(dāng)量較低(0.06%～0.08%),但是焊接接頭在使用過程中容易開裂。

韓國開發(fā)了耐極地低溫鋼FH32、FH36及極地LNG船用EH500、FH500鋼,并應(yīng)用在“Araon”號(hào)科考破冰船與亞馬爾LNG項(xiàng)目的極地油輪和極地LNG運(yùn)輸船上。目前,世界上共有60多種屈服強(qiáng)度超過500 MPa的北極裝備用耐寒鋼。

芬蘭的“芬尼卡”號(hào)與“諾地卡”號(hào)破冰船船體結(jié)構(gòu)采用經(jīng)挪威船級(jí)社認(rèn)證的NVE 500級(jí)高強(qiáng)鋼,單艘破冰船用量約1 300 t,約占總用鋼量的33%。NVE 500級(jí)鋼的規(guī)定屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為500 MPa和610～770 MPa,-40 ℃沖擊功不低于27 J。與常規(guī)的RAEX Polar 鋼相比,RAEX 500E Polar 的合金成分有所優(yōu)化,焊接接頭耐海水腐蝕性能有所增強(qiáng),低碳當(dāng)量使其無需焊接預(yù)熱和高熱量輸入焊接。2016年服役的“北極星”號(hào)破冰船的抗冰加強(qiáng)船體由48 mm厚高強(qiáng)鋼焊接而成,冰帶部位采用高強(qiáng)鋼-耐酸不銹鋼復(fù)合板,不銹鋼覆層厚約5～7 mm,維護(hù)性優(yōu)于常規(guī)的冰帶用復(fù)合鋼板材。

2 極地船舶與海工裝備用鋼評(píng)價(jià)技術(shù)

2.1 極地船舶與海工裝備用鋼技術(shù)指標(biāo)要求

極地地區(qū)低溫、多冰等復(fù)雜工況對(duì)極地地區(qū)運(yùn)行的船舶與海工裝備用鋼的服役性能提出了嚴(yán)苛的要求,具體如下:

(1)需要具有較高的強(qiáng)度,材料屈服強(qiáng)度235～690 MPa,最高可達(dá)890 MPa。

(2)有良好的強(qiáng)度、延展性、抗層狀撕裂性能與低溫韌性,低溫靜態(tài)、循環(huán)及動(dòng)態(tài)載荷條件下,材料均不發(fā)生脆性斷裂。

(3)材料要具有良好焊接性,無需預(yù)熱與后熱處理,或僅需最低預(yù)熱溫度。

(4)有良好的冷加工適應(yīng)性和耐海冰磨蝕性。

因此,各國對(duì)極地船舶與海工裝備用鋼提出較高的技術(shù)指標(biāo)要求,具體如下:

(1)歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 10025-6 對(duì)北極地區(qū)用低合金高強(qiáng)鋼軋制板材(厚度3～50 mm)的力學(xué)性能要求見表1。

表1 EN 10025-6 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定北極用低合金高強(qiáng)鋼板材力學(xué)性能

(2)俄羅斯船級(jí)社對(duì)F級(jí)耐寒鋼的性能要求有專門規(guī)定;2012年又將ARC級(jí)耐寒鋼納入要求,以滿足北極地區(qū)對(duì)鋼材耐寒性、抗裂性及可焊性的額外要求。

2.2 極地船舶與海工裝備用鋼評(píng)價(jià)規(guī)范

國際海事組織(IMO)海上安全委員會(huì)2014年通過了《國際極地船舶水域作業(yè)規(guī)則》,國際船級(jí)社協(xié)會(huì)(IACS)也于2006年發(fā)布了《極地船級(jí)統(tǒng)一要求》(IACS UR)。IMO還分別于2002年和2009年發(fā)布了《在北極冰覆蓋水域內(nèi)船舶航行指南》和《在極地水域內(nèi)船舶航行指南》。IMO規(guī)則和IACS指南構(gòu)成了極地船舶設(shè)計(jì)、建造及航行作業(yè)的主要國際性公約。其中,IMO規(guī)則明確提出“極地船舶必須采用適應(yīng)極地環(huán)境的結(jié)構(gòu)材料及建造工藝,以防止因脆性斷裂而導(dǎo)致的船體結(jié)構(gòu)失效事故”[8-9]。

IACS UR 規(guī)定了各級(jí)冰區(qū)船舶結(jié)構(gòu)用材料分為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三類,最高級(jí)別是50 mm的FH高強(qiáng)鋼,要求-60 ℃沖擊韌性。各國船級(jí)社在IACS UR的基礎(chǔ)上編制了各自的極地船舶規(guī)范,規(guī)定了各級(jí)極地船舶的強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求及所用材料級(jí)別,技術(shù)要求與IACS UR基本一致。中國船級(jí)社首次把極地航行船舶規(guī)定編入《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》(2009)中。但目前極地船舶規(guī)范以船級(jí)社規(guī)范鋼級(jí)要求為依據(jù)進(jìn)行選材,尚無專門的極地船舶材料規(guī)范。而現(xiàn)有船級(jí)社規(guī)范鋼級(jí)以沖擊試驗(yàn)溫度進(jìn)行定義,最高級(jí)別為-60 ℃沖擊溫度的F級(jí),其能否應(yīng)用于評(píng)價(jià)極地船舶所承受冰層的動(dòng)態(tài)、連續(xù)沖擊載荷及溫差變化大的苛刻條件尚未可知。根據(jù)英國勞式船級(jí)社對(duì)近700艘極地船舶長達(dá)40 a的跟蹤調(diào)查,發(fā)現(xiàn)57%的極地船舶在平均13 a船齡后船體鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋或斷裂現(xiàn)象。這表明現(xiàn)有規(guī)范對(duì)斷裂安全性的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則不能反映極地船舶服役環(huán)境。

3 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀及短板分析

3.1 極地用結(jié)構(gòu)鋼及復(fù)合鋼板開發(fā)與應(yīng)用

目前,國內(nèi)鋼廠已開發(fā)出355 MPa和390 MPa的極地用低溫鋼,最大厚度達(dá)到68 mm,并開展了相應(yīng)的低溫服役性能評(píng)價(jià)研究工作,鋼板低溫抗層狀撕裂性能、低溫韌性、低溫抗脆斷性能良好。其中,355 MPa級(jí)鋼板已用于“雪龍”號(hào)破冰船關(guān)鍵設(shè)備的安裝改造。同時(shí)國內(nèi)七二五所聯(lián)合國內(nèi)鋼廠分別開展了極地用355 MPa和390 MPa級(jí)爆炸復(fù)合板(最大厚度68 mm)和軋制復(fù)合板(最大板厚48 mm)的試制工作,初步完成了試制復(fù)合板的應(yīng)用性能評(píng)價(jià)工作,并開展典型破冰結(jié)構(gòu)單元模型建造。

根據(jù)極地用鋼及復(fù)合鋼板的服役性能要求,我國在極地用結(jié)構(gòu)鋼及復(fù)合鋼板性能評(píng)價(jià)方面還存在以下短板:

(1)極地用結(jié)構(gòu)鋼和復(fù)合鋼板強(qiáng)度等級(jí)較低,目前國內(nèi)僅具備355 MPa和390 MPa級(jí)鋼及復(fù)合板生產(chǎn)能力。

(2)極地用結(jié)構(gòu)鋼和復(fù)合鋼板最大板厚規(guī)格較小。目前,國內(nèi)生產(chǎn)的355 MPa和390 MPa級(jí)鋼及復(fù)合鋼板最大板厚規(guī)格僅為68 mm。

(3)極地用結(jié)構(gòu)鋼和復(fù)合鋼板的實(shí)船應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)不足,認(rèn)可度不高。目前,國內(nèi)僅有355 MPa級(jí)極地用鋼用于“雪龍”號(hào)的維修改造。

(4)國內(nèi)極地用結(jié)構(gòu)鋼和復(fù)合鋼板配套焊接材料國產(chǎn)化不足。國產(chǎn)355 MPa和390 MPa級(jí)極地用鋼及復(fù)合鋼板的焊接適應(yīng)性評(píng)價(jià)及典型破冰結(jié)構(gòu)單元建造所用國產(chǎn)焊接材料難以滿足極地服役性能要求,亟需開展極地用配套焊接材料的開發(fā)工作。

3.2 極地用結(jié)構(gòu)鋼和復(fù)合鋼板評(píng)價(jià)體系

極地船舶與海工平臺(tái)等裝備長期面臨惡劣的服役環(huán)境,加之極地生態(tài)環(huán)境脆弱,對(duì)結(jié)構(gòu)安全性能提出嚴(yán)格要求,對(duì)極地用鋼的性能提出以下要求:

(1)材料應(yīng)具有良好的強(qiáng)度、延展性和抗層狀撕裂性能。

(2)材料應(yīng)具有良好的低溫韌性、低溫靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷條件下抗脆斷性能、低溫止裂性能。

(3)材料應(yīng)良好的低溫抗疲勞性能。

(4)材料應(yīng)具有良好的耐海冰磨蝕性能。

我國在極地用結(jié)構(gòu)鋼及復(fù)合鋼板性能評(píng)價(jià)方面還存在以下短板:

(1)拉伸試驗(yàn)一般采用標(biāo)準(zhǔn)小尺寸圓棒拉伸試樣或板狀拉伸試驗(yàn)。由于試樣尺寸較小,不能全面反映極地用鋼的拉伸強(qiáng)度、延展性和抗層狀撕裂性能,需建立原板厚低溫靜強(qiáng)度拉伸性能評(píng)價(jià)技術(shù)。

(2)采用標(biāo)準(zhǔn)斷裂韌性試驗(yàn),尤其是焊接接頭試樣均為去除余高試樣,難以反映焊接接頭結(jié)構(gòu)應(yīng)力及殘余應(yīng)力的影響。而抗脆斷性能試驗(yàn)一般采用標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣,試樣尺寸小,難以反映鋼板的整體抗斷性能,需建立能夠原板厚低溫?cái)嗔秧g性試驗(yàn)和原板厚低溫抗脆斷性能評(píng)價(jià)技術(shù)。

(3)國內(nèi)現(xiàn)有止裂性能評(píng)價(jià)方法主要考核鋼板-10 ℃下的止裂性能,還未能形成有效考核極地用鋼的止裂性能評(píng)價(jià)方法,需建立基于極地服役溫度的止裂性能評(píng)價(jià)技術(shù)。

(4)現(xiàn)有疲勞性能評(píng)價(jià)方法一般為常溫板狀或圓棒狀疲勞試驗(yàn),還未能形成針對(duì)極地環(huán)境服役溫度的原板厚鋼板及焊接接頭疲勞性能評(píng)價(jià)方法。

(5)缺乏有效評(píng)價(jià)極地用鋼及復(fù)合鋼板腐蝕與磨損耦合效應(yīng)的評(píng)價(jià)方法。

因此,建立能夠有效反應(yīng)極地低溫用鋼實(shí)際服役性能的評(píng)價(jià)技術(shù),確定極地用鋼服役性能技術(shù)指標(biāo)體系,確保極地裝備的服役安全是當(dāng)前亟需解決的問題。

4 極地海洋裝備用鋼發(fā)展方向

4.1 建立極地用結(jié)構(gòu)鋼材料體系

(1)推動(dòng)國產(chǎn)極地低溫用鋼在極地裝備上的應(yīng)用。在前期355、390 MPa級(jí)低溫鋼開發(fā)、低溫環(huán)境適應(yīng)性研究的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步優(yōu)化材料的性能,同時(shí)確定能夠有效表征極地低溫鋼低溫抗斷、止裂、耐疲勞和耐磨蝕性能的表征參量,建立相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo),推動(dòng)國產(chǎn)355、390 MPa級(jí)低溫鋼的實(shí)船應(yīng)用[10]。

(2)完善我國極地用鋼材料體系。積極開展460、500 MPa級(jí)低溫鋼的開發(fā)與性能評(píng)價(jià),確定鋼板成分和生產(chǎn)工藝,對(duì)鋼板的低溫應(yīng)用性能進(jìn)行系統(tǒng)的評(píng)價(jià),同時(shí)開展550、620、690 MPa極地低溫鋼的開發(fā)與性能評(píng)價(jià)工作,初步形成我國極地用鋼材料體系[11]。

(3)開發(fā)極地用鋼配套焊接材料。開展極地用焊接材料的開發(fā)工作,初步實(shí)現(xiàn)極地用焊接材料的國產(chǎn)化。

4.2 建立極地用結(jié)構(gòu)鋼評(píng)價(jià)體系

基于現(xiàn)有評(píng)價(jià)技術(shù)難以有效考核極地用鋼實(shí)際服役性能的問題,結(jié)合極地服役環(huán)境,建立工程型低溫靜強(qiáng)度、低溫韌性、低溫抗脆斷性能、低溫止裂性能、低溫耐疲勞及低溫耐磨蝕性能評(píng)價(jià)技術(shù),確定極地低溫用鋼服役性能表征參量,建立極地低溫用鋼服役性能技術(shù)指標(biāo)體系,進(jìn)而確保極地裝備的服役安全性。

4.3 建立極地用結(jié)構(gòu)鋼技術(shù)指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)體系

首先結(jié)合極地低溫用鋼工程型評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法與標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法,確定極地用鋼工程型試驗(yàn)性能表征參量與常規(guī)檢驗(yàn)性能表征參量的相關(guān)性。然后建立適用于極地低溫用鋼的技術(shù)指標(biāo),修訂現(xiàn)有低溫用鋼標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。最終形成適用于極地低溫用鋼的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

5 結(jié)語

本文通過收集目前國外先進(jìn)極地海洋裝備用鋼的研究成果及使用情況,對(duì)比國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn),我國未來需要加強(qiáng)國產(chǎn)復(fù)合鋼材在實(shí)船的應(yīng)用,建立極地用結(jié)構(gòu)鋼材料體系及與之配套的標(biāo)準(zhǔn)體系,支撐我國極地船舶與海洋工程裝備形成體系能力,為維護(hù)我國在極地的安全和利益提供裝備發(fā)展的決策依據(jù)。