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钢结构如何打造优质的海洋工程？
作者：广州钢构 来源：本站 发表时间：2016/3/14 13:59:23 查看：次
目前，我国高技术船舶及海洋工程的国产化建立在高端材料和技术大量依赖进口的基础之上。要推进我国船舶工业及海洋石油工业的发展，保障我国能源、运输等行业的安全，大量关键技术有待突破，其中的核心问题之一就是高品质造船及海洋工程用钢的研发和推广应用。
钢材是造船及海洋工程结构建造的主要原材料，占据了船体及海洋工程建造成本的20%～30%。涉及的钢材品种主要包括钢板、型钢（船用球扁钢、h型钢、角钢等）、铸锻钢以及配套焊接材料等。其中船体建造耗用钢材量约占全船重量的60%左右，其中板材又占88%左右。
高强度、高韧性是造船及海洋工程用钢的基本要求。目前，在大型散装货船和集装箱船中，390mpa级的高强度钢已占主导地位，而tmcp（控制轧制和控制冷却技术）工艺生产的船体钢的强度级别已经达到550mpa级以上，在海洋平台等大型海洋结构中获得广泛应用。而海洋工程中自升式钻井平台的桩腿结构，如齿条板、半圆板和无缝支撑管等部位，均要求屈服强度在690mpa以上的高强度低合金钢，同时对低温冲击韧性的要求也极为苛刻，即使在普通工况条件也要求考核-40℃（e级）的低温冲击性能，在寒冷或极寒条件下考核-60℃（f级）甚至-80℃的低温冲击性能。
焊接性也是船体结构钢关注的重点问题之一。近年来，为降低建造成本、提高造船的生产率，造船厂强烈要求采用大线能量焊接。国外广泛采用100kj/cm～500kj/cm大线能量焊接。为此，各国开发了一系列大线能量焊接船体钢，如日本于上世纪80年代初期研制的yp335钢、90年代中期研制的yp390和目前正在研制的yp460钢等。目前，在海洋工程用钢领域如平台用e36等，均要求采用大线能量焊接以提高施工建造效率。
船舶及海洋工程结构的耐腐蚀性越来越受到人们的关注。近年来，国际海事组织（imo）先后通过了压载舱涂层防护标准（pspc）和货油舱用耐腐蚀钢性能标准（msc87），这使得相关的研究工作变得更加紧迫。jfe钢铁开发出了可抑制船舶压载舱涂膜劣化的新型高耐腐蚀性压载舱用钢jfe-sip-bt，由于找到了可抑制涂装后涂膜劣化的元素，提高了基于腐蚀生成物的钢材保护性能，可将涂膜膨胀及剥离等涂膜的劣化速度减慢到原钢材的一半左右。新日铁等通过提高钢材的纯净度，添加ni、cu、w、mo等耐蚀合金元素的方法研制开发的d36货油舱用耐腐蚀钢，将船体结构的使用寿命从15年延长到25年，开发的货油舱用耐腐蚀钢腐蚀速率约为传统钢的1/4。
厚度与尺寸规格也是船体钢技术水平的重要标志之一。gb 5313-2010对有厚度方向性能要求的钢板进行了规定，其中最高级别的z35钢要求断面收缩率35%。大型船体结构不仅对钢板提出了厚规格要求，也对船用型钢提出了厚规格要求。30万吨级大型船舶舭龙骨部位要求使用43号大规格d40球扁钢，腹板厚度最大达20mm，是目前研制型钢中强韧性要求最高、截面尺寸最大的型材。
船舶用钢板应具有良好的止裂特性。近年来，散装货船的破损事故和巨型油轮（vlcc）的触礁事故不断增多，除从设计上进行改进外，在造船用钢方面，则要求船的碰撞和触礁产生较大塑性变形（10%）时，造船用钢板必须具有良好的抗脆性裂纹传播的止裂特性。采用tmcp工艺可生产出表层具有超细晶粒组织的钢板，厚度方向性能均匀，具有良好的阻止脆性裂纹扩展的能力。这种船板已成功用于液化石油气（lpg）船和散装货船剪切应力最大的部位。
高品质造船及海洋工程用钢的开发现状
大线能量焊接船板钢及平台用钢。船板用钢要求采用200kj/cm以上大线能量焊接，从而实现18mm~36mm厚钢板一次焊接成型。研究人员采用氧化物冶金的技术思路开展了大线能量焊接用钢的研究开发工作，研究了ti处理、zr处理、复合ti-mg处理、复合ti-zr处理对船体钢大线能量焊接性的影响。结果表明，ti-mg、ti-zr复合处理后，钢中获得了大量细小的复合含ti氧化物粒子，其直径为1m～2m。比较各种脱氧处理条件下焊接热影响区的低温韧性可以看出，普通未进行任何处理的c-mn钢焊后热影响区的整体低温韧性水平较低，其中线能量大于50kj/cm时低温韧性显著降低，仅为10j左右。经过不同合金脱氧处理后模拟焊接粗晶区的低温韧性显著提高。其中经ti-mg处理（低mg）后粗晶区的低温韧性水平最高，各种线能量下的低温冲击功值均在300j以上，且随线能量的变化不敏感。对比焊接热影响区的组织可以看出，al处理钢中主要得到大量平行排列的侧板条铁素体组织，ti-mg复合处理钢中主要得到大量交错排列的晶内铁素体组织。研究人员采用ti-mg复合脱氧处理的方法，在工业大生产条件下研制开发了100kj/cm～240kj/cm大线能量焊接用钢，钢板最大厚度为80mm。
对于海洋平台用e36钢，由于采用正火态交货，无法有效利用tmcp及微合金化等技术，目前普遍采用50kj/cm以下焊接线能量。平台用钢具有以下特点：碳含量及碳当量高、厚度规格大（30~100mm）、正火态交货。因此，必须在现有平台钢设计基础上通过降低碳含量及碳当量，大幅度提高焊接性，并采用其它方式弥补强度损失。通过采用v-n-ti合金设计，利用v（cn）的析出强化弥钢的强度损失，能大幅度降低钢碳含量和碳氮量。复合析出的v-n-ti粒子还能起到细化原始奥氏体晶粒，并最终提高大线能量焊接热影响区低温韧性的作用。目前，工业试制50mm以上平台钢可以实现100kj/cm以上的大线能量焊接。
油船货油舱用耐腐蚀钢。研究结果显示，在内底板腐蚀环境下，微量合金元素对船板钢的耐蚀性存在显著影响。观察腐蚀后的形貌可以看出，在imo货油舱内底板腐蚀环境下，传统钢表面主要形成大量直径大而深的腐蚀点蚀坑，而开发的耐蚀钢表面则出现少量小而浅的点蚀坑，点蚀坑的深度/直径比显著降低。根据上述结果研制开发的工业钢（nsd32、nsd36）内底板腐蚀速率均低于1mm/年的标准腐蚀速率要求，其中nsd36钢腐蚀速率最低可以达到0.38mm/年的超低水平，约为传统钢的1/13。
大规格船用球扁钢。研究者综合利用新型的钒氮微合金化设计 碳氮化钒控制析出轧制工艺（pcrp），集成创新开发出高韧性、大规格船用球扁钢品种技术。依靠奥氏体中析出的碳氮化钒促进晶内铁素体形核，显著地细化最终铁素体晶粒尺寸，获得显著的细晶强化效果；依靠铁素体中弥散析出的碳氮化钒的析出强化作用，显著提高钢的强度—利用这一技术思路，可以在传统孔型轧制条件下研究开发出屈服强度355mpa、390mpa、440mpa级系列高韧性船用球扁钢品种。
高止裂韧性船用钢板。大型集装箱船等在海上航行时，受波浪影响会产生弯曲，在船体舱口围强度甲板上产生较大的应力集中。为了便于装卸货物，集装箱船通常采用大的舱口开口设计，这就需要集装箱船具有大型商船中最高的纵向强度。为了保证船舶安全性，防止脆性断裂的产生，舱口围板、上甲板等部位要求使用51mm~100mm具有高止裂韧性的厚钢板。
使用新型的trrp轧制工艺（temperature reverting rolling process），可以在厚钢板表层获得超细晶组织。与传统tmcp工艺相比，其特点是在两阶段轧制间将钢板加速冷却到ac1以下，出水后钢板内部的热量加热表层，表层处在两相区时进行控制轧制，在表层得到超细晶组织。这样轧制的厚钢板产生断裂时，通常表层不发生脆性断裂，而是产生与应力方向垂直面成45°角的塑性变形，能够吸收裂纹传播的能量，从而达到阻止裂纹传播的效果，有效提高止裂性能。表层超细晶钢板就是应用这个原理，通过增加剪切唇的形成来增强止裂性能的。
海洋平台特厚齿条钢。海洋石油工业的深入开展和钻采难度的加大，对自升式钻井平台用齿条钢提出了大厚度、高强度、高韧性的发展需求，这类产品一般使用调质热处理状态交货。但是，随着齿条钢厚度的增加，截面厚度方向上组织、性能差异增大，提高特厚齿条钢的淬透性成为这类产品开发的难点。研究人员研究了不同合金元素复合处理对齿条钢淬透性的影响，结果表明，采用微b和固n元素的复合处理可以在获得良好强韧性的条件下大幅度提高齿条钢的淬透性。同时，采用微ti处理或稍过量的al处理，均可使微量b的固溶比例达到50%以上，且偏聚于奥氏体晶界处，有效延缓了高温相变，显著提高齿条钢的淬透性。
9%ni低温钢。随着液化天然气（lng）工业的迅猛发展，9ni低温钢的研究和开发热度持续升温。lng的储存温度为-163℃，要求lng储罐内壁用9ni钢具有较高的强度、良好的低温韧性和较小的波动。研究发现，采用qlt热处理（在qt调质处理中增加一道两相区淬火），可在强度略微降低的情况下，显著提高9ni钢的低温韧性，同时大大扩展9ni钢的热处理工艺窗口，提高9ni钢的性能稳定性。
进一步研究显示，9ni钢的良好低温韧性与其中形成的一定含量的逆转变奥氏体有密切关系。在9ni钢中形成5%~15%热稳定性高的逆转变奥氏体，可韧化马氏体基体，在受载变形过程中吸收能量，提高相变诱导塑性能力。在一定范围内，9ni钢的逆转变奥氏体含量越高，低温韧性越好。9ni钢逆转变奥氏体的形成和稳定性，与c、ni、mn等奥氏体稳定元素的显著富集具有密切的关系。理论计算和实验结果显示，采用适当的工艺处理，9ni钢中的c、ni、mn元素的最高含量可分别达到0.5%、25%和2%左右，使热处理过程形成的奥氏体可稳定保持到室温，即使冷却至液氮温度也不发生转变。逆转变奥氏体的控制技术，也是改善和提高9ni钢低温断裂韧性尤其是止裂韧性的关键工艺技术之一。 目前，我国高技术船舶及海洋工程的国产化建立在高端材料和技术大量依赖进口的基础之上。要推进我国船舶工业及海洋石油工业的发展，保障我国能源、运输等行业的安全，大量关键技术有待突破，其中的核心问题之一就是高品质造船及海洋工程用钢的研发和推广应用。
造船及海洋工程用钢的新要求
钢材是造船及海洋工程结构建造的主要原材料，占据了船体及海洋工程建造成本的20%～30%。涉及的钢材品种主要包括钢板、型钢（船用球扁钢、h型钢、角钢等）、铸锻钢以及配套焊接材料等。其中船体建造耗用钢材量约占全船重量的60%左右，其中板材又占88%左右。
高强度、高韧性是造船及海洋工程用钢的基本要求。目前，在大型散装货船和集装箱船中，390mpa级的高强度钢已占主导地位，而tmcp（控制轧制和控制冷却技术）工艺生产的船体钢的强度级别已经达到550mpa级以上，在海洋平台等大型海洋结构中获得广泛应用。而海洋工程中自升式钻井平台的桩腿结构，如齿条板、半圆板和无缝支撑管等部位，均要求屈服强度在690mpa以上的高强度低合金钢，同时对低温冲击韧性的要求也极为苛刻，即使在普通工况条件也要求考核-40℃（e级）的低温冲击性能，在寒冷或极寒条件下考核-60℃（f级）甚至-80℃的低温冲击性能。
焊接性也是船体结构钢关注的重点问题之一。近年来，为降低建造成本、提高造船的生产率，造船厂强烈要求采用大线能量焊接。国外广泛采用100kj/cm～500kj/cm大线能量焊接。为此，各国开发了一系列大线能量焊接船体钢，如日本于上世纪80年代初期研制的yp335钢、90年代中期研制的yp390和目前正在研制的yp460钢等。目前，在海洋工程用钢领域如平台用e36等，均要求采用大线能量焊接以提高施工建造效率。
船舶及海洋工程结构的耐腐蚀性越来越受到人们的关注。近年来，国际海事组织（imo）先后通过了压载舱涂层防护标准（pspc）和货油舱用耐腐蚀钢性能标准（msc87），这使得相关的研究工作变得更加紧迫。jfe钢铁开发出了可抑制船舶压载舱涂膜劣化的新型高耐腐蚀性压载舱用钢jfe-sip-bt，由于找到了可抑制涂装后涂膜劣化的元素，提高了基于腐蚀生成物的钢材保护性能，可将涂膜膨胀及剥离等涂膜的劣化速度减慢到原钢材的一半左右。新日铁等通过提高钢材的纯净度，添加ni、cu、w、mo等耐蚀合金元素的方法研制开发的d36货油舱用耐腐蚀钢，将船体结构的使用寿命从15年延长到25年，开发的货油舱用耐腐蚀钢腐蚀速率约为传统钢的1/4。
厚度与尺寸规格也是船体钢技术水平的重要标志之一。gb 5313-2010对有厚度方向性能要求的钢板进行了规定，其中最高级别的z35钢要求断面收缩率35%。大型船体结构不仅对钢板提出了厚规格要求，也对船用型钢提出了厚规格要求。30万吨级大型船舶舭龙骨部位要求使用43号大规格d40球扁钢，腹板厚度最大达20mm，是目前研制型钢中强韧性要求最高、截面尺寸最大的型材。
船舶用钢板应具有良好的止裂特性。近年来，散装货船的破损事故和巨型油轮（vlcc）的触礁事故不断增多，除从设计上进行改进外，在造船用钢方面，则要求船的碰撞和触礁产生较大塑性变形（10%）时，造船用钢板必须具有良好的抗脆性裂纹传播的止裂特性。采用tmcp工艺可生产出表层具有超细晶粒组织的钢板，厚度方向性能均匀，具有良好的阻止脆性裂纹扩展的能力。这种船板已成功用于液化石油气（lpg）船和散装货船剪切应力最大的部位。
高品质造船及海洋工程用钢的开发现状
大线能量焊接船板钢及平台用钢。船板用钢要求采用200kj/cm以上大线能量焊接，从而实现18mm~36mm厚钢板一次焊接成型。研究人员采用氧化物冶金的技术思路开展了大线能量焊接用钢的研究开发工作，研究了ti处理、zr处理、复合ti-mg处理、复合ti-zr处理对船体钢大线能量焊接性的影响。结果表明，ti-mg、ti-zr复合处理后，钢中获得了大量细小的复合含ti氧化物粒子，其直径为1m～2m。比较各种脱氧处理条件下焊接热影响区的低温韧性可以看出，普通未进行任何处理的c-mn钢焊后热影响区的整体低温韧性水平较低，其中线能量大于50kj/cm时低温韧性显著降低，仅为10j左右。经过不同合金脱氧处理后模拟焊接粗晶区的低温韧性显著提高。其中经ti-mg处理（低mg）后粗晶区的低温韧性水平最高，各种线能量下的低温冲击功值均在300j以上，且随线能量的变化不敏感。对比焊接热影响区的组织可以看出，al处理钢中主要得到大量平行排列的侧板条铁素体组织，ti-mg复合处理钢中主要得到大量交错排列的晶内铁素体组织。研究人员采用ti-mg复合脱氧处理的方法，在工业大生产条件下研制开发了100kj/cm～240kj/cm大线能量焊接用钢，钢板最大厚度为80mm。
对于海洋平台用e36钢，由于采用正火态交货，无法有效利用tmcp及微合金化等技术，目前普遍采用50kj/cm以下焊接线能量。平台用钢具有以下特点：碳含量及碳当量高、厚度规格大（30~100mm）、正火态交货。因此，必须在现有平台钢设计基础上通过降低碳含量及碳当量，大幅度提高焊接性，并采用其它方式弥补强度损失。通过采用v-n-ti合金设计，利用v（cn）的析出强化弥钢的强度损失，能大幅度降低钢碳含量和碳氮量。复合析出的v-n-ti粒子还能起到细化原始奥氏体晶粒，并最终提高大线能量焊接热影响区低温韧性的作用。目前，工业试制50mm以上平台钢可以实现100kj/cm以上的大线能量焊接。
油船货油舱用耐腐蚀钢。研究结果显示，在内底板腐蚀环境下，微量合金元素对船板钢的耐蚀性存在显著影响。观察腐蚀后的形貌可以看出，在imo货油舱内底板腐蚀环境下，传统钢表面主要形成大量直径大而深的腐蚀点蚀坑，而开发的耐蚀钢表面则出现少量小而浅的点蚀坑，点蚀坑的深度/直径比显著降低。根据上述结果研制开发的工业钢（nsd32、nsd36）内底板腐蚀速率均低于1mm/年的标准腐蚀速率要求，其中nsd36钢腐蚀速率最低可以达到0.38mm/年的超低水平，约为传统钢的1/13。
大规格船用球扁钢。研究者综合利用新型的钒氮微合金化设计 碳氮化钒控制析出轧制工艺（pcrp），集成创新开发出高韧性、大规格船用球扁钢品种技术。依靠奥氏体中析出的碳氮化钒促进晶内铁素体形核，显著地细化最终铁素体晶粒尺寸，获得显著的细晶强化效果；依靠铁素体中弥散析出的碳氮化钒的析出强化作用，显著提高钢的强度—利用这一技术思路，可以在传统孔型轧制条件下研究开发出屈服强度355mpa、390mpa、440mpa级系列高韧性船用球扁钢品种。
高止裂韧性船用钢板。大型集装箱船等在海上航行时，受波浪影响会产生弯曲，在船体舱口围强度甲板上产生较大的应力集中。为了便于装卸货物，集装箱船通常采用大的舱口开口设计，这就需要集装箱船具有大型商船中最高的纵向强度。为了保证船舶安全性，防止脆性断裂的产生，舱口围板、上甲板等部位要求使用51mm~100mm具有高止裂韧性的厚钢板。
使用新型的trrp轧制工艺（temperature reverting rolling process），可以在厚钢板表层获得超细晶组织。与传统tmcp工艺相比，其特点是在两阶段轧制间将钢板加速冷却到ac1以下，出水后钢板内部的热量加热表层，表层处在两相区时进行控制轧制，在表层得到超细晶组织。这样轧制的厚钢板产生断裂时，通常表层不发生脆性断裂，而是产生与应力方向垂直面成45°角的塑性变形，能够吸收裂纹传播的能量，从而达到阻止裂纹传播的效果，有效提高止裂性能。表层超细晶钢板就是应用这个原理，通过增加剪切唇的形成来增强止裂性能的。
海洋平台特厚齿条钢。海洋石油工业的深入开展和钻采难度的加大，对自升式钻井平台用齿条钢提出了大厚度、高强度、高韧性的发展需求，这类产品一般使用调质热处理状态交货。但是，随着齿条钢厚度的增加，截面厚度方向上组织、性能差异增大，提高特厚齿条钢的淬透性成为这类产品开发的难点。研究人员研究了不同合金元素复合处理对齿条钢淬透性的影响，结果表明，采用微b和固n元素的复合处理可以在获得良好强韧性的条件下大幅度提高齿条钢的淬透性。同时，采用微ti处理或稍过量的al处理，均可使微量b的固溶比例达到50%以上，且偏聚于奥氏体晶界处，有效延缓了高温相变，显著提高齿条钢的淬透性。
9%ni低温钢。随着液化天然气（lng）工业的迅猛发展，9ni低温钢的研究和开发热度持续升温。lng的储存温度为-163℃，要求lng储罐内壁用9ni钢具有较高的强度、良好的低温韧性和较小的波动。研究发现，采用qlt热处理（在qt调质处理中增加一道两相区淬火），可在强度略微降低的情况下，显著提高9ni钢的低温韧性，同时大大扩展9ni钢的热处理工艺窗口，提高9ni钢的性能稳定性。
进一步研究显示，9ni钢的良好低温韧性与其中形成的一定含量的逆转变奥氏体有密切关系。在9ni钢中形成5%~15%热稳定性高的逆转变奥氏体，可韧化马氏体基体，在受载变形过程中吸收能量，提高相变诱导塑性能力。在一定范围内，9ni钢的逆转变奥氏体含量越高，低温韧性越好。9ni钢逆转变奥氏体的形成和稳定性，与c、ni、mn等奥氏体稳定元素的显著富集具有密切的关系。理论计算和实验结果显示，采用适当的工艺处理，9ni钢中的c、ni、mn元素的最高含量可分别达到0.5%、25%和2%左右，使热处理过程形成的奥氏体可稳定保持到室温，即使冷却至液氮温度也不发生转变。逆转变奥氏体的控制技术，也是改善和提高9ni钢低温断裂韧性尤其是止裂韧性的关键工艺技术之一。
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