乔伟光哪的人 征服大海的第一件利器:我国海洋工业的钢铁够硬么? 青岛黑社会乔伟光

从古至今,人类征服大海的决心从没有动摇,而体现在实际行动中,就是对海洋资源的不断探索拓展。2017 年 2 月 13 日,全球最先进超深水双钻塔半潜式钻井平台 " 蓝鲸 1 号 " 在烟台命名交付,其整体用钢约 40000 多吨,其中 10% 为超强超厚钢。" 蓝鲸 1 号 " 是我国船厂在海洋工程超深水领域的首个 " 交钥匙 " 工程,具有里程碑意义。

钢铁作为海洋工程装备的关键结构材料,广泛应用于钻井平台、生产平台以及海底管道等。由于服役时间长,要长期抵抗恶劣的风浪条件,水下修理维护的成本极高,其采用的钢板逐渐向高强度、高韧性、易焊接性、良好的耐腐蚀性以及大厚度、大规格化方向发展。今天带大家了解船舶及海洋工程用钢。

船舶及海洋工程用钢发展史

二战以后,由于推行海洋发展战略以及苏美两大阵营对抗的军事需求,以美国、俄罗斯、日本、德国等为代表海洋强国开展了大规模的舰船、海洋运输、海洋油气开发、海洋建筑等领域用钢研究,形成了相应的合金标准与技术体系。

典型的美国舰船用钢经历了由普通碳钢(40 年代)- 高强钢(50 年代)- 易焊高强钢(80 年代)- 易焊耐蚀钢(90 年代)等几代的发展,支撑起了包括深水潜艇、核动力航母在内的美国庞大的现代化海军舰队。

在海洋油气开采领域,日本、德国、法国等已经掌握适用各种深度海洋钻井平台、作业平台、油气运输船等海工装备适用的大厚规格、高性能钢材。目前国外已能够生产 3000 米深水区域使用的塑性、强韧性、耐蚀性、抗疲劳性要求苛刻的油气管线钢。

美国潜艇、航母用钢的发展历程及其典型应用

我国在舰船用钢、海工用钢等方面,经过几十年的发展取得了巨大进步,初步建立了我国自己的舰船及海工钢铁材料体系以及具有较强生产能力的钢铁企业。我国海工用钢的国产化率已达到 90% 以上,有力的支撑了海洋经济及国防建设需求。

海洋工程用钢国内外研究现状

1. 国外研究现状

目前海洋平台用钢遵循的四大国际标准,即 En10225 和 BS7191 ( 欧洲标准 ) ,API ( 美国标准 ) ,Norsok ( 北海标准 ) ,对海洋平台用钢的力学性能及设计制造等都有明确的规定,但对耐腐蚀性能的规范较为欠缺。

国际海洋平台用钢主要由德国的迪林根和日本的新日铁、JFE 和住友金属生产。迪林根生产的 355MPa 级正火钢可以在保证焊接性能的条件下厚度达到 120mm;420MPa 级的调质钢的厚度可以达到 100mm;采用 TMCP 工艺生产的厚度规格一般不超过 90mm。

JFE 开发出了厚度为 140mm、屈服强度为 700MPa、抗拉强度 800MPa 的含 Ni 海洋平台用钢。

新日铁采用 TMCP 生产了厚度为 16~70mm,屈服强度为 500MPa,抗拉强度为 650MPa,-40 ℃冲击功大于 200J 的平台用钢,用于帝汶岛海 Bayu Undan、北海 Grane 和 Kvitebjorn、里海的 ACG、墨西哥湾 Thunder Horse、地中海 Western Libya 等工程。

世界海洋平台用高强度钢的主要级别为屈服强度 355、420、460、500、550、620、690MPa,并对低温性能要求至少 -40 ℃,甚至 -60 ℃,抗层状撕裂性能达 Z 向 35%,耐腐蚀性能良好,主要交货方式为 TMCP、正火以及调质。

日本对海洋平台用钢的研究较早,已开发出耐海水腐蚀、大线能量焊接及低温用等系列的高强钢板,强度级别已达 980MPa。JFE 公司形成了自己的企业标准系列,海洋平台的钢板抗拉强度为 360~980MPa,品种主要有 JFE-HITEN 系列高强钢板等。

利用微合金化元素的析出,新日铁开发了 HTUFF 技术,其用于海洋平台的钢板主要有 WEL-TEN 系列高强钢板、NAW-K 及 COR-TEN 系列无涂层焊接结构用耐蚀钢板、MARILOY 系列焊接结构用耐海水腐蚀钢板及 NAW-TEN 系列含 Ni 耐候钢板等品种。

此外,新日铁公司还按 API2W,EN10225,NORSOK 及 BS7191 标准生产屈服强度在 315~550MPa 之间的 A,D,E,F 级别的钢板,最高强度达到 950MPa。

欧洲作为海洋资源开发较早的区域,其海洋平台用钢的研发、应用、品种系列化及标准化处于领先地位,已可生产 A,B,D,E 级的屈服强度在 235~690MPa 之间的各种钢板。目前欧洲用于海洋平台建设的钢种应用最广泛的为 S355,S420,S460 及 S690,耐腐蚀性能良好。挪威埃科菲斯克Ⅱ号海洋钻井平台是欧洲第 1 座使用改进韧性 S690Q 钢板的海洋平台。

俄罗斯 Arkticheskaya 自升式钻井平台用于北极地区的油气钻探,最大钻探深度 6500m。当前 S690 级高强钢在海洋平台中的应用越来越多,但仍需解决高强钢板焊接处易开裂及耐蚀性差等问题。现今在海洋平台建设中也应用了更高强度级别的钢板,其高强钢板主要通过调质工艺生产,钢板屈服强度可达 1100MPa,但由于焊接困难和耐腐蚀开裂问题,超高强钢在海洋建设中应用较少。

当前国外海洋工程用钢生产主要具有以下特点:

(1) 品种的多功能化: 海洋平台用钢板都可成系列供货,如高强钢板、大线能量焊接钢板、低温及耐海水腐蚀钢板等系列品种,实现了全系列供货;

(2) 焊接热影响区韧化技术: 国外钢铁企业都开发了自己独有的焊接热影响区韧化技术,如 JFE 公司的 JFE-EWEL 技术和新日铁公司的 HTUFF 技术等;

(3) 形成企业独有的标准: 国外钢铁企业除能按通用的标准生产海洋平台用钢板外, 还形成了性能要求更加严格、应用环境更加特殊的企业标准;

(4) 实施专利保护战略: 国外钢铁企业积极进行海洋平台用钢的国际专利布局, 特别重视在中国申请专利, 意图对我国钢铁企业形成技术壁垒,达到降低我国海洋平台用钢竞争力的目的。

2. 国内研究现状

船舶用钢主要是船体结构用钢板,经过多年的发展,我国已经建立了比较完备的船舶与海工用钢体系,并以相关规范及国家标准的形式颁布,主要包括 CCS 船级社规范和 GB712《船舶及海洋工程用钢》,钢级涵盖了早期大型船体采用的一般强度钢和现在海工设备常采用的焊接结构用超高强度钢,如表 1 所示 [ 1,2 ] 。

等级   最小屈服强度 /MPa   牌号   一般强度   ≥ 235   A、B、D、E   高强度   ≥ 315   AH32、DH32、EH32、FH32   ≥ 355   AH36、DH36、EH36、FH36   ≥ 390   AH40、DH40、EH40、FH40   超高强度   ≥ 420   AH420、DH420、EH420、FH420   ≥ 460   AH460、DH460、EH460、FH460   ≥ 500   AH500、DH500、EH500、FH500   ≥ 550   AH550、DH550、EH550、FH550   ≥ 620   AH620、DH620、EH620、FH620   ≥ 690   AH690、DH690、EH690、FH690  

表 1 船舶及海工用钢

由于船舶与海工用钢需要取得船级社的认证才能生产使用,虽然船级社标准中涵盖了这 40 个钢级,但不同的钢铁企业通过认证级别不同,如表 2 所示。