海洋耐蝕鋼的國內外進展

張國宏，成 林，李 鈺，伊薩耶夫·歐列格，吳開明

(武漢科技大學國際鋼鐵研究院 耐火材料與冶金省部共建國家重點實驗室，湖北 武漢 430081)

1 前 言

2013年，中國國家海洋局發(fā)布了《國家海洋事業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃》[1]。在規(guī)劃中明確提出：作為發(fā)展中的海洋大國，我國在海洋有著廣泛的戰(zhàn)略利益。隨著經濟全球化的發(fā)展和開放型經濟的形成與深化，海洋作為國際貿易與合作交流的紐帶作用日益顯現，在提供資源保障和拓展發(fā)展空間方面的戰(zhàn)略地位更為突出。“十二五”期間是我國海洋事業(yè)發(fā)展的關鍵時期，未來將向深海和遠海發(fā)展。著力提升海洋開發(fā)、控制和綜合管理能力，統籌海洋事業(yè)全面發(fā)展，是保障國家“走出去”戰(zhàn)略實施的重大舉措，對于促進沿海地區(qū)經濟社會發(fā)展、國民經濟發(fā)展方式轉變，具有重大的戰(zhàn)略意義。以國際海事組織制定的性能標準為主導，世界各國圍繞海洋耐蝕鋼開展了腐蝕機理、腐蝕過程的研究，其中油船貨油艙用耐蝕鋼是近10年來國際上研究和開發(fā)的重要鋼鐵新品種。在該領域，日本走在世界前列，烏克蘭與俄羅斯有其技術特色海洋，中國對海洋耐蝕鋼的研究應用相對滯后。隨著海洋耐腐蝕鋼替代標準不斷得到認可，將逐漸取代涂層鋼成為海洋腐蝕保護方式的主流。本文重點分析了油船貨油艙用耐蝕鋼和耐海水腐蝕鋼這2大類低合金高強度鋼的發(fā)展現狀及需求，不涉及不銹鋼、特種合金等鋼鐵材料。

2 油船貨油艙用耐蝕鋼

2.1 重大需求分析

進入21世紀，中國船舶及海洋石油工業(yè)迎來了高速增長期，成為中國國民經濟發(fā)展的重要支柱。據英國克拉克松研究數據表明，中國已成為世界造船中心[2]。2013年，中國造船3大指標市場份額繼續(xù)保持世界領先，其中造船完工量、新接訂單量、手持訂單量分別占世界總量的40.3%、47.6%和45.8%，如表1所示。

表1 2013年1～12月世界造船3大指標市場份額Table 1 Market share on the three main indexes of global shipbuilding in 2013

“十一五”期間，在海洋石油工業(yè)領域，中國海上油氣開發(fā)投入1 200億元人民幣，建設了15個海洋油氣田、76座鉆井平臺、6座浮式生產儲油船，鋪設了1 400 km海底管線，2010年海洋油氣產量實現了5 000萬t油當量。根據中海油規(guī)劃，“十二五”期間將新建5 000萬t油當量產能。預計“十二五”、“十三五”期間海洋石油工業(yè)投入將分別達到6 700億元和9 500億元人民幣，其中海洋工程裝備市場投資將達到2 500億～3 000億元人民幣[3]。

根據我國《鋼鐵工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》[4]對2015年關鍵鋼材品種消費預測， 未來5年，僅船板用鋼消費量將從2010年的1 300萬 t提高到2015年的1 600萬t，其中油船貨油艙用鋼量占油船用鋼總量的30%～45%。以建造一艘30萬t級的超大型油輪(VLCC)為例，船體結構總用鋼量近4萬t，其中油船貨油艙部分用鋼約1.7萬t。據中國船舶工業(yè)行業(yè)協會對我國目前手持油船訂單統計，油船貨油艙用鋼量每年達200萬t左右。如果能推廣使用到海洋工程領域，其市場需求將更大。

2.2 油船貨油艙用耐蝕鋼概況

油船是原油海洋運輸的主要工具之一。近年來因貨油艙腐蝕造成油船失效事故時有發(fā)生，不僅造成巨大的經濟損失和安全事故，而且對海洋環(huán)境造成嚴重危害。因此油船貨油艙的防腐問題越來越受關注[5]。2006年以前油船都是單甲板、單底結構，因為貨油艙內破損后，油浮在水面上，艙內不至于大量進水，故油船除了在機艙區(qū)域內設置雙層底以外，貨油艙區(qū)域一般不設置雙層底。2006年以后，為了提高海運安全性，防止和減少油輪發(fā)生海損事故造成的污染，國際海事組織(IMO)要求大型油輪必須設置雙層底或雙層船殼。內層為貨油艙，用來承載原油。原油尤其是高硫高酸原油對于鋼結構貨油艙腐蝕影響嚴重，威脅著油船運營安全。

目前針對油船貨油艙腐蝕所采取的防護措施主要有：加注緩蝕劑、采用防腐涂層和耐蝕鋼板。其中，加注緩蝕劑過程復雜，長期投資高；防腐涂層使用過程中存在嚴重的局部腐蝕隱患，每2.5 a就須對油船進行涂層維護和重新涂布，需要耗費高額成本，延長工期，并且貨油艙空間封閉，施工環(huán)境惡劣，也會一定程度上影響施工質量[6]。表2比較了使用涂層和耐蝕鋼造船的成本，安全且低成本的防護措施是使用耐蝕鋼。

表2 使用防腐涂層和耐蝕鋼造船成本比較Table 2 Shipbuilding cost comparison between use of coating and corrosion resistant steel

1995年，國際海事組織對油船貨油艙用耐蝕鋼提出推薦性要求，并推薦各國進行研究。2010年5月14日，國際海事組織海上安全委員會(MSC)第87次會議正式通過了《原油油船貨油艙防腐保護替代方法性能標準》，并于2012年1月1日生效[7]。2013年1月1日及以后簽訂建造合同或2016年1月1日及以后交付的所有5 000 t級以上油船必須從貨油艙保護涂層和耐蝕鋼方案中選擇采用一種。該性能標準附件中對耐蝕鋼的適用范圍、目標壽命、試驗程序及性能標準做了規(guī)范和要求。標準規(guī)定耐蝕鋼的目標使用壽命是25 a，對耐蝕鋼的要求是在貨油艙頂腐蝕環(huán)境中，鋼材25 a后估計腐蝕損耗值(ECL)不超過2 mm；在艙底腐蝕環(huán)境中，年均腐蝕速率(C.Rave)不超過1.0 mm/a。兩種環(huán)境均要求焊縫處放大1 000倍后，母材和焊縫金屬之間不出現階梯狀不連貫表面[7]。

2.3 國內外研究開發(fā)現狀

2.3.1 日本和韓國

目前走在前列、技術較成熟的國家是日本。早在1999年，日本造船協會的SR242項目組利用實船測試、實驗室模擬等手段對超大型油船(VLCC)進行了為期3 a的研究，成功揭示了貨油艙內的腐蝕狀況、腐蝕機理及過程[8-10]。他們通過實驗獲得了貨油艙內部的腐蝕環(huán)境，如圖1所示。在貨油艙頂部，由于原油中的揮發(fā)成分、混入的海水、油田鹽水的鹽分、為防止爆炸而輸入的惰性氣體(5%O2,13%CO2,0.01%SO2,余量為N2，體積分數)以及從原油中揮發(fā)的H2S等腐蝕性氣體會在油輪貨油艙的頂部內表面富集。同時，由于甲板溫度在白天和夜晚的交替變化，上甲板內表面濕度大小會發(fā)生周期性變化。濕的H2S和O2以及SO2等發(fā)生反應，會在上甲板內表面析出單質S：

4H2S+SO2+O2=4H2O+5S

(1)

腐蝕了的鋼板表面的鐵銹也是催化劑，能加速SO2和H2S向單質S的反應。鋼板腐蝕導致新鐵銹的生成以及固體S的析出交替發(fā)生，由于固體單質S層較脆，容易產生剝離、脫落，如圖1b所示。貨油艙內底板有一層油膜，通過分析發(fā)現油膜由原油和混合沉淀物組成，同時包含大量的H2S和氯離子(酸性介質)，具有很強的阻抗作用，比焦油環(huán)氧樹脂涂層的阻抗作用要顯著。因此，油膜的存在可以顯著增強油船貨油艙下底板的耐腐蝕性。但洗艙會造成油膜破損，成為點蝕起源。在破損處會發(fā)生化學反應：

陽極(孔內)：Fe→Fe2++2e；

(2)

陰極(孔外)：O2+2H2O+4e→4OH-

(3)

隨后亞鐵離子發(fā)生水解，使得孔內的pH值大大降低，促進了陽極的進一步溶解。

Fe2++2H2O→Fe(OH)2+2H+

(4)

此外，從上甲板脫落的腐蝕產物S，對底板的點蝕同樣有加速作用，如方程式(5)。圖1c為觀察到的貨油艙下底板典型局部點蝕照片。

S+2H2O→H2S+2OH-

(5)

圖1 油船貨油艙內部腐蝕環(huán)境及實船上下底板的腐蝕形貌[8]Fig.1 Corrosion environment(a) and corrosion morphology of the upper deck(b) and bottom plate(c) of crude oil tank (COT)

通過研究發(fā)現，油船貨油艙上甲板的腐蝕具有如下特征：① 通過檢測分析4艘真實油船貨油艙頂部空間氣體的化學組成發(fā)現，在上甲板和原油之間的空間中含有高濃度的H2S，如表3所示。② 上甲板腐蝕層主要由鐵銹和單質S組成，其中60%是單質S。③上甲板平均腐蝕速率大于0.1 mm/a，速率較低，腐蝕均勻。而油船貨油艙下底板的腐蝕具有如下特征：①在原油和下底板之間貯存有大量的滯留水，通過檢測分析3艘真實油船貨油艙滯留水的化學組成，發(fā)現含有高濃度的Na+和Cl-，約占總質量分數的10%，如表4所示。但是其中不含Mg、K等離子，可以確定滯留水并不是海水[8]。但其存在的位置和含有高濃度的Cl-會降低貨油艙下底板的耐蝕性。②通過水洗、刮擦或酒精擦拭，致密的油膜層由于機械作用或化學溶解而被破壞，導致阻抗明顯下降，增加點蝕速率，急劇地減弱了油膜對貨油艙下底板的保護。 ③通過對6艘真實油船貨油艙中pH值實地檢測，發(fā)現貨油艙底部點蝕坑內的pH值在0.85～1.16之間，顯著低于坑外的pH值，且點蝕速率隨pH值的降低顯著增加，最大可達2～4 mm/a。說明點蝕是強酸環(huán)境下的腐蝕[11-12]。④通過觀察和測量，發(fā)現點蝕坑具有很強的形狀性和規(guī)律性，整個點蝕坑成等軸狀[8]，從點蝕坑的邊緣到底部的腐蝕速率相同，以整體同步向外擴展的，點蝕坑越大則點蝕坑越深。表5綜合比較了油船貨油艙上下底板的腐蝕狀況。

表3 油船貨油艙頂部氣體空間的氣體組成[8]Table 3 Gas composition in vapor space of cargo oil tanks

表4 油船貨油艙底部滯留水的化學組成(%)[8]Table 4 Chemical composition of water sampled from the bottom of cargo oil tanks

表5 油船貨油艙上下底板腐蝕狀況對比Table 5 Comparison of corrosion status between the upper deck and bottom plate of oil tank

基于上述研究，日本新日鐵、JFE、住友金屬3大鋼鐵公司分別開發(fā)了新型油船貨油艙用耐蝕鋼。①新日鐵NSGPTM-1和NSGPTM-2。2003年新日鐵公司與NYK公司合作首次成功開發(fā)了新型耐蝕鋼NSGPTM-1[12-16]。表6給出了NSGPTM-1鋼的化學成分。從表6可知，其所含合金元素較少，成分與傳統船用鋼AH32差別不大，完全符合IACS標準。模擬油船貨油艙下底板點蝕環(huán)境的室內全浸腐蝕掛片實驗表明，這種鋼板及其焊接接頭的耐蝕性比傳統船板鋼AH32高，NSGPTM-1鋼的力學性能和現場使用性能與傳統船用鋼相當甚至更優(yōu)，且焊接、加工工藝完全相同，建造時無需進行特殊的施工治理。為驗證新型耐蝕鋼的性能，這2家公司于2004年將其應用在三菱重工建造的“TAKAMINE”號巨型油船貨油艙下底板，該船運營2.5 a后的考察結果表明，使用NSGPTM-1鋼的貨油艙下底板最大腐蝕孔只有2.8 mm，而采用傳統鋼板的則為6.3 mm。依據國際慣例，腐蝕孔超過4 mm需要重新涂裝船體，超過7 mm則需要焊接維修。因此使用NSGPTM-1鋼的貨油艙無需重新涂裝，不僅可以省卻建造時為防腐而進行的涂裝工序，且在檢修過程中也無需重新涂裝，大大減少維護成本。2007年，NSGPTM-1鋼正式接受訂貨, 截止2010年初，其累計發(fā)貨量已經超過1萬t[14]。2008年，新日鐵公司與NYK公司又開發(fā)了應用于油船貨油艙上甲板的耐蝕鋼NSGPTM-2，經過5 a年的實船試驗，檢測結果表明，NSGPTM-2鋼5 a平均腐蝕速率小于0.07 mm/a，比傳統鋼降低了38%[17]。②住友金屬SMICORE。2004年，住友金屬開發(fā)了SMICORE耐蝕鋼[18-19]，2005年將其應用于“SANKO BLOSSOM”號油船貨油艙上甲板與下底板。經過2.75 a的實船試驗，船塢檢查結果表明，與傳統鋼相比，SMICORE鋼用于貨油艙上甲板時腐蝕速率降低了40%；用于貨油艙下底板時腐蝕速率降低40%～80%，在世界上首次確認了耐蝕鋼用于上甲板和下底板都具有優(yōu)異的耐蝕性。 ③JFE公司NAC5。JFE公司于2004年開發(fā)出一種NAC5耐蝕鋼[20]。與傳統鋼相比，將不涂裝的NAC5用于上甲板，可減少10%的腐蝕量；將涂裝的NAC5用于上甲板，涂層剝離速率降低了40%，涂層剝離壽命提高2倍，上甲板壽命提高5 a以上。NAC5耐蝕鋼的化學成分和力學性能見表7。④JFE公司JFE-SIPTM-OT。2008年，日本JFE鋼鐵公司與三井O.S.K航運公司共同成功研發(fā)了JFE-SIPTM-OT高耐蝕厚鋼板，并于2008年應用于油船貨油艙艙頂與艙底。據三井商船稱，該耐蝕鋼板有以下特點：①抗點蝕性比傳統鋼板提高5倍，甚至可以幫助油船的上甲板耐均勻腐蝕；②與傳統船體用鋼板具有相同的可焊性和機械性能；③減少傳統鋼板每2.5 a的干船塢維護工作[21-22]。

2010年韓國也開始了油船貨油艙用耐蝕鋼的研究工作，并且在技術方面已經達到了相關標準的要求[6]。

2.3.2 烏克蘭與俄羅斯

鋼鐵冶金是烏克蘭經濟中的支柱性產業(yè)之一，工業(yè)部門齊全，產品產量居世界前列，蘇聯解體以前曾達到全國人均1 t鋼的水平。烏克蘭繼承了前蘇聯惟一的航母制造基地，造船業(yè)特別是軍艦制造業(yè)，具有很高的水平，有能力建造包括航空母艦在內的一切艦艇。黑海造船廠作為前蘇聯時代惟一的航母建造總裝廠，集中了很強的艦船科研和生產力量，曾被譽為“前蘇聯大型水面艦艇的搖籃”。前蘇聯幾艘航母——“莫斯科”號、“列寧格勒”號、“基輔”號、“明斯克”號、“戈爾什科夫”號、“庫茲涅佐夫”號、“烏里揚諾夫斯克”號全部在此建造。烏克蘭和俄羅斯的海洋耐蝕鋼制造體系不同于日本和歐美，采用低C、低Mn和微合金化的成分設計，較高的Cr含量，Cu，Ni，P等耐蝕元素較少加入。其核心技術是鋼包精煉、中間包精煉、結晶器電磁制動等，達到有效去除鋼中低熔點有色金屬、非金屬等腐蝕性元素和夾雜物。采用結晶器喂鋼帶等技術有效抑制連鑄坯中心偏析和中心疏松，實現鑄坯均質化。

表6 新日鐵NSGPTM-1耐蝕鋼化學成分(質量分數/%)[14]Table 6 Chemical composition of NSGP-1 corrosion resistant steel developed by Nippon Steel(mass fraction/%)

表7 JFE公司NAC5耐蝕鋼化學成分和力學性能[20]Table 7 Chemical composition and mechanical properties of NAC5 steel developed by JFE

2.3.3 中國

由于日本在該領域具有明顯的技術優(yōu)勢，正在中國設置專利障礙，并作出各種承諾以維持其技術壟斷地位[23]。為了防止國外可能形成的壟斷性供應或技術壁壘，2008年中國提出研發(fā)船用耐蝕鋼。2010年，國家科技部將“大型油輪貨油艙用高品質耐腐蝕鋼”列入國家科技支撐計劃的重點開發(fā)項目，研究高硫、高酸油氣環(huán)境中，低合金鋼在H2S、SO2、Cl-和酸性鹽水介質，以及上述各種復雜混合介質條件下的腐蝕規(guī)律，開發(fā)耐腐蝕合金鋼成分體系、生產工藝及相關配套焊接材料，形成油船用耐蝕鋼的腐蝕評價體系與標準，解決油氣開采、輸送和儲運過程中的鋼鐵材料腐蝕問題，形成具有我國自主知識產權的油氣開采與儲運用耐腐蝕鋼生產技術體系和評價標準規(guī)范。2012年，工信部啟動了“基于IMO標準的船用耐蝕鋼應用技術研究”重大科技創(chuàng)新項目。到目前為止，我國油船貨油艙用耐蝕鋼研究項目已經取得了階段性研究成果，突破了材料研發(fā)的核心技術難關，數家鋼鐵企業(yè)已經進入了工業(yè)試制與實船試驗階段[6]。2010年～2011年，鞍鋼集團公司陸續(xù)開展了兩輪1 000 t以上耐蝕鋼工業(yè)試制，目前已提交船級社認證；2010年，首鋼開始對耐蝕鋼進行前期研究，并聯合開展腐蝕機理研究，研發(fā)油船貨油艙腐蝕環(huán)境耐蝕鋼，到2012年上半年已經成功完成E36級原油船貨油艙用耐蝕鋼及相關焊材的開發(fā)，并形成了配套的焊接工藝技術，各項性能滿足國際海事組織耐蝕鋼標準要求及目前的船板規(guī)范，具備了進一步開展造船應用研究的條件。2012年，武鋼、寶鋼、南鋼及湘鋼等鋼廠相繼開發(fā)成功油船貨油艙用耐蝕鋼。武鋼經過對高硫高酸油氣環(huán)境下耐腐蝕鋼的腐蝕機理、腐蝕條件、合金元素耐蝕性規(guī)律以及鋼的潔凈度、夾雜物、顯微組織對耐蝕性的影響機理等方面的研究，確立了新鋼種合金設計方案以及生產工藝，并將實驗室研究成果運用到工業(yè)試制中，成功實現了油船貨油艙用耐蝕鋼及其腐蝕試驗對比鋼的批量試制，鋼板性能均滿足相關標準要求。南鋼與東北大學、北京科技大學、武漢科技大學等高校進行合作，成功研發(fā)出高效焊接海洋工程用鋼、原油船貨油艙用耐蝕鋼板EH36-NS以及專用焊接材料，并申請了相關專利[24-26]。中國鋼研科技集團有限責任公司鋼鐵研究總院和國家連鑄技術工程研究中心在耐蝕鋼成分設計方面亦取得可喜成果，研制的鋼板的耐均勻腐蝕和耐局部腐蝕性達到或超過了日本NAC5鋼板水平[27]。總之，我國船用耐蝕鋼國產化項目已建設了符合IMO標準的實驗裝置，突破了材料研發(fā)與檢測的核心技術難關，國產船用耐蝕鋼板各項指標滿足IMO標準和船級社規(guī)范要求，造船工藝性能與傳統船板相當，成本增量低于涂層成本，配套的焊接材料、型材、管材等研制工作也已取得初步成果。2014年4月28日[28]，中外運長航吳淞船舶工程有限公司啟動了大慶435號油船改裝工程，其改裝技術方案由中船集團第七〇八研究所制訂，經中國船級社審定，將采用由鞍鋼公司提供的1 100 t船用耐蝕鋼對貨油艙內底板、上甲板進行改裝。同時，將進行耐蝕鋼與常規(guī)船板的對比使用試驗，為后續(xù)相關科研工作提供實船數據和工程管理經驗。這表明，我國鋼企已經掌握了油船貨油艙用耐蝕鋼的關鍵制造技術，即將進入批量生產供貨階段。

2.4 問題與差距

長期以來，由于缺乏對大型油船貨油艙用耐蝕鋼等高品質海洋結構鋼材的前瞻性探索，我國對海洋工程高端鋼鐵材料方面的耐腐蝕機理等研究明顯落后于日本等發(fā)達國家，造成海洋工程用鋼品種規(guī)格少、鋼材性能差、質量不穩(wěn)定、使用壽命短等一系列問題；我國耐蝕鋼產業(yè)集中度低，達不到規(guī)模效益，研發(fā)、生產難度較大，鋼企積極性不高；我國缺乏船用耐蝕鋼國家標準和具有檢測及認證資質的第三方機構；針對焊縫焊材的耐蝕性問題重視不足。以上問題嚴重制約了國家重大工程項目的建設和相關產業(yè)的發(fā)展。

目前，中國船企能建造國際航運界95%所需船型，包括17.5萬 t散貨輪、30萬 t超大型油輪(VLCC)、30萬 t浮式生產儲油船(FPSO)、8530標箱第6代集裝箱船、14.7萬m3LNG船、122 m自升式鉆井平臺JU2 000等。目前在建9座30萬t級造船船塢，并在規(guī)劃50萬 t級和100萬 t級船塢。但是，在中國船企建造的船舶中，60%～70%以低技術含量的散貨船為主，大型油船、高技術含量的鉆井船及液化天然氣船等承接量少，在先進船舶制造及海洋工程裝備設計制造技術、大型油船貨油艙用耐蝕鋼的研究與開發(fā)等方面，才剛剛進入實船驗證階段，與日本等國家相比，還有較大差距。

3 耐海水腐蝕鋼

3.1 重大需求分析

占地球表面積約71%的海洋中蘊藏著豐富的資源，隨著世界人口的日益增長和陸地資源不斷的消耗，未來人類的生存會越來越依賴于海洋，海洋將成為礦產、能源和食品資源的主要供應基地。為此，海洋開發(fā)被列為2l世紀的重點目標之一。我國享有主權和管轄權的海域面積接近300萬km2，但海洋石油和天然氣等資源的平均探明率分別只有12.3%和10.9%，遠遠低于世界73.0%和60.5% 的平均水平[29]。隨著經濟的迅速發(fā)展和科學技術水平的提高，我國海洋開發(fā)事業(yè)有了突飛猛進的發(fā)展。由于技術越來越復雜，制造成本越來越高，人們希望海洋裝備的使用壽命成倍提高，而耐海水腐蝕材料的開發(fā)和應用研究是海洋開發(fā)的基礎和前提，導致耐海水腐蝕鋼材越來越受到人們的重視，用量逐年增加。另外火電廠、核電廠、化工廠和海水淡化工程等項目中也是耐海水腐蝕鋼另一個主要應用領域。有報道稱，到2015年全世界海水淡化能力將增長到6 200萬m3，所增加的投資預計為950億美元。而中國也是一個水資源貧乏的國家，這個新興領域對耐海水腐蝕鋼的需求必定持續(xù)增長[29]。

由于海洋的特定環(huán)境對海洋工程材料有很多特殊要求：最主要的是耐海水腐蝕問題；其次是深海下密封殼體結構的強度問題。因此研究高強、輕質、耐海水腐蝕、低成本的材料以及合理的結構設計和選材，已成為海洋工程的關鍵技術之一。

3.2 耐海水腐蝕鋼的發(fā)展概況

海水中含有大量的以NaCl為主的鹽類，占總含鹽量的88.7%。由于它們易于電離，使海水中的Cl-含量增高，達1.898%(質量分數)；同時提高海水電導率，其平均電導率可為4×10-2s/cm，遠遠超過河水(2×10-2s/cm)和雨水(1×10-2s/cm)。為此，海水中金屬表面難以保持穩(wěn)定的鈍態(tài)，易于發(fā)生電化學腐蝕，極易發(fā)生劣化破壞。目前海洋污染趨于嚴重，海洋環(huán)境更加復雜，從而使得海洋工程用鋼材的腐蝕問題更加突出。大型海洋工程結構在海洋環(huán)境中的腐蝕一般分為5個區(qū)：大氣區(qū)、飛濺區(qū)、潮差區(qū)、全浸區(qū)及海泥區(qū)。在這些不同的區(qū)域，鋼材的腐蝕速率是不同的，圖2是鋼樁在海水不同腐蝕區(qū)域腐蝕速率示意圖[30]。

圖2 鋼樁在海水不同區(qū)域腐蝕速率的示意圖[31]Fig.2 Schematic diagram of the corrosion rate of steel pile in different zones of the seawater

除了海水區(qū)域不同對鋼材腐蝕有不同的影響外，就是在一同區(qū)域的海洋環(huán)境中也含有其他諸多影響因素，如海水的鹽度、pH值、溫度、溶解氣體( O2、CO2等) 流速、微生物以及污染等，這些因素有時交差作用，造成了海洋環(huán)境對鋼材腐蝕的一個極其復雜的過程。

目前鋼鐵材料的防腐蝕方法大致可分為4類：①涂層法；②長效法；③陰極保護；④采用本身具有抗腐蝕能力的不銹鋼。但大規(guī)模使用預防措施所產生的環(huán)境污染大、能耗大、投資大，其成本高得難以承受，并且不銹鋼的力學性能和焊接性能也很難滿足各種工程的需要，因而鋼鐵材料的腐蝕情況一直沒有得到根本的控制。研究表明，通過添加微量合金元素可以在鋼材表面形成含有特定結構、具有離子選擇特性的致密保護層，使鋼材本身具有耐腐蝕性能，并保持優(yōu)良的綜合力學性能及使用性能。

3.3 耐海水腐蝕鋼國內外發(fā)展現狀

國外對耐海水腐蝕鋼的研究始于20世紀30年代，其中最為活躍的國家是美國和日本。美國最先開始耐海水腐蝕鋼的研究，于1951年開發(fā)了Ni-Cu-P系Mariner鋼，含0.5%Ni、0.5%Cu、0.1%P。此類鋼在飛濺區(qū)的耐海水腐蝕性能較好，為普通碳素鋼的2～3倍，但P含量偏高(0.08%～0.15%)，厚度大于20 mm的鋼板不適宜焊接。在此基礎上，世界各國相繼開發(fā)了各種系列的耐海水腐蝕鋼。如日本針對Mariner鋼P含量高、焊接性能差研制了P含量≤0.03%的Mariloy (Cu-Cr-P、Cu-Cr-A1-P、Cu-Cr-Mo)系列低合金耐海水腐蝕鋼[31]。Mariloy系列鋼之所以具有好的耐蝕性， 主要原因有：①鉻、硅共存, 促使在腐蝕過程中形成穩(wěn)定的硫酸鹽膜， 能阻止在污染海水中細菌的生長，從而減緩了鋼的腐蝕；②由于硅、鉻、銅在銹層中富集，并直接作用于金屬表面， 使緊貼基體銹蝕產物變得細小致密，阻礙了海水中溶解氧向鋼表面擴散，減緩了鋼的腐蝕速率。

中國耐海水腐蝕鋼的研究始于1965年，從300多個鋼種中篩選出16個鋼種，并于1978年進行了耐蝕性能的統一評定。4年的試驗周期表明，Cr-Mo-Al系的10Cr2MoAlRE鋼耐蝕性能最好。近期寶鋼借鑒日本耐海水腐蝕鋼成分特點，綜合考慮中國近海海水腐蝕介質的環(huán)境作用因子，通過優(yōu)化調整化學成分及采用合理軋制工藝技術，成功開發(fā)出Cr-Cu-Mo系耐海水腐蝕鋼種Q345C-NHY3[32]。該鋼種具有優(yōu)良的力學性能、焊接性能和耐海水腐蝕性能等，能夠滿足海洋鋼結構的制造要求。已經向東海洋山深水港碼頭二期及三期工程供貨約30萬 t，主要用于加工海底鋼管樁。這是國內首次在工程中大批量應用耐海水腐蝕鋼，整個工程結束預期應用量達50余萬 t。

目前國外生產的低合金耐海水腐蝕用鋼按成分系列可分為Ni-Cu-P系、Cr-Nb系、Cr-Cu系、Cr-Al系、Cr-Cu-Si系、Cr-Cu-Al系、Cr-Cu-Mo 系、Cr-Cu-P系及Cr-Al-Mo系等。我國研制的耐海水腐蝕鋼試驗鋼號近200種，其中10Cr2MoAlRE、08PVRE、09MnCuPTi、10MnPNbRE、10NiCuAs、10CrMoAl等已通過鑒定，但尚未推廣，在大型固定式和移動式海洋結構件上應用較少[33]。

3.4 問題與差距

我國在耐海水腐蝕鋼方面與國外先進國家之間存在較大差距，如表8所示。

表8 我國耐海水腐蝕鋼與國外的差距[31]Table 8 Gap between China and overseas countries in marine corrosion resistant steels

我國在海工鋼和船用耐蝕鋼方面存在以下突出問題[30,34-36]：①海工用鋼需求有限，科研和生產難度較大。我國主要海工總裝制造企業(yè)手持各類海工鉆井平臺不到100座/艘，計劃在3 a內交付。每年交付量在30～40座/艘左右，年均用鋼量僅為60～80萬t。加之海工用鋼的特點為多品種、小批量，達不到規(guī)模效益。②對耐海水腐蝕機理的研究不足。由于各合金元素在不同海洋環(huán)境條件下的耐蝕效果不同、各牌號鋼種在不同海洋環(huán)境條件下的耐蝕性能也有很大的差異，加上因試驗方法不同而造成的誤差等影響，腐蝕試驗結果必然有所不同，而我國缺乏該領域檢測與第三方認證機構。特別對我國南海高濕熱、強輻射、高Cl-海洋環(huán)境下的鋼鐵材料腐蝕問題還未得到研究與驗證，腐蝕數據積累不足。 ③焊縫焊材的耐蝕性問題未得到重視。由于接頭各部分在成分和組織上的不均勻性、殘余應力以及應力集中等因素的影響，使得接頭的耐蝕性往往低于母材，而在整個焊接接頭中焊縫是耐腐蝕性最差的部位。

4 對策與建議

隨著世界安全和環(huán)保意識的提高以及經濟全球化引起的物流量增加，強化對船舶與海工裝備結構安全性、可靠性、及海上運輸高速化、高效化的要求，需進一步提供高性能鋼材。如果國內不能生產而大量進口，不但會推高造船行業(yè)的建造成本；而且，如果船東青睞這種鋼材，而國外不予供貨的話，船企接單也將受到影響。因此，需要國家政策引導支持，造船、海工、鋼鐵、航運等企業(yè)以及高校科研院所緊密協同與合作。建議：①加強政策引導和財政支持，加大研發(fā)投入。在國家層面制定海洋耐蝕鋼的科技發(fā)展規(guī)劃，加大研發(fā)投入。同時，改變資金投入機制，讓有限的資金集中投放到由企業(yè)、高校、研究機構等組成的優(yōu)勢協同創(chuàng)新體。建設我國海洋耐蝕鋼4大區(qū)域中心：即以環(huán)渤海灣(鞍鋼、首鋼、大連造船、北船重工(青島)、中國科學院金屬研究所、中國科學院海洋研究所、東北大學、北京科技大學、大連理工大學、清華大學等)、長江口(寶鋼、南鋼、沙鋼、滬東中華造船、振華港機、上海交通大學、上海大學、南京工業(yè)大學、南京理工大學、浙江大學等)、長江中上游流域(武鋼、重鋼、攀鋼、華菱集團、武船重工、中船重工719研究所、武漢科技大學、華中科技大學、武漢大學、武漢理工大學、重慶大學等)和珠江口(寶鋼集團湛江基地、武鋼集團防城港基地、廣州廣船國際股份有限公司、廣州黃埔造船廠等、華南理工大學、香港科技大學等)為重點的區(qū)域中心。②以海洋耐蝕鋼的協同研發(fā)為切入點，搭建三會一社(中國船舶工業(yè)行業(yè)協會、中國鋼鐵協會、中國船東協會、中國船級社)、造船企業(yè)、鋼鐵企業(yè)、航運企業(yè)、高校科研院所聯合參與的“產、學、研、用、檢”的工作及信息交流平臺，使海洋耐蝕鋼的研發(fā)從臨時協調機制轉變?yōu)殚L期合作機制，并盡快落實船用和海工裝備耐蝕鋼的應用研究和實船考核工作，定期探討船用耐蝕鋼的研發(fā)推進工作，規(guī)范行業(yè)準入和認證管理，建立和完善船用和海工裝備耐蝕鋼標準體系以及船用和海工裝備耐蝕鋼加工配送體系。 ③加強對海洋耐蝕鋼，特別是我國南海高濕熱、強輻射、高Cl-環(huán)境下的腐蝕機理研究。建設海洋耐蝕鋼的檢測機構和第三方認證機構等共同平臺。④加強海洋耐蝕鋼的焊接性研究與評定，研究開發(fā)相配套的焊接材料、焊接工藝。

5 關鍵技術與核心科學問題

5.1 關鍵技術

海洋耐蝕鋼研究與開發(fā)的關鍵技術包括：中厚板與特厚板的純凈度控制技術(尤其是超低S的控制)、腐蝕性夾雜物(MnS和nCaOmAl2O3等)控制技術、鑄坯中心偏析控制技術、特厚板的軋制技術與工藝、中厚板與特厚板的焊接性評定與焊接工藝、以及配套焊接材料的研究與開發(fā)等。

5.2 核心科學問題

海洋耐蝕鋼研究與開發(fā)的核心科學問題主要包括：新型易焊接海洋耐蝕鋼厚板與特厚板的設計理論與原理，海洋耐蝕鋼厚板與特厚板均質化、細晶化、高韌化機理，海洋耐蝕鋼厚板與特厚板高效高可靠性焊接冶金原理，海洋工程厚板與特厚板以及焊接接頭的耐蝕機理，包括在我國南海高濕熱和海洋微生物等特殊環(huán)境下的腐蝕機理等。

致謝感謝中國工程院和國家自然科學基金委員會的支持，感謝周廉院士、翁宇慶院士和薛群基院士的鼓勵與支持，感謝“中國海洋工程材料研發(fā)現狀及發(fā)展戰(zhàn)略初步研究”項目組各位專家提供的相關資料與信息。

參考文獻 References

[1] State Oceanic Administration People’s Republic of China(國家海洋局).WorkingPlanontheNationalMarineAffairsduring“the12thFive-yearPlan” (國家海洋事業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃)[EB/OL].(2013-04-11)[2014-06-23].http://www.soa.gov.cn/zwgk/fwjgwywj/shxzfg/201304/t20130411_24765.html.

[2] China Association of the National Shipbuilding Industry. (中國船舶工業(yè)行業(yè)協會).ThreeIndicatoroftheWorldShipbuildingin2013(2013世界造船三大指標)[EB/OL]. (2014-01-18) [2014-06-23]. http://www.cansi.org.cn/cansitjsj/286670.htm.

[3] Yang Caifu(楊才福)，Su hang(蘇 航).高性能船舶及海洋工程用鋼的開發(fā)[J].IronandSteel(鋼鐵)，2012，47(12):1-4.

[4] China′s Ministry of Industry and Information Technology (中國工業(yè)與信息化部).WorkingPlanontheIronandSteelIndustryduring“the12thFive-yearPlan”(鋼鐵工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃) [EB/OL].(2011-11-07) [2014-06-23].http://www.miit.gov.cn/n11293472/n11293832/n11293907/n11368223/14303771.html.

[5] He Xuehui(赫雪卉)，Dong Junhua(董俊華), Wei Jie(魏 潔)，etal. AH32耐蝕鋼顯微組織對其腐蝕行為的影響[J].ActaMetallurgicaSinica(金屬學報)，2012, 48(5):534-540.

[6] Li Chao(李 超). Tan Guangjie(譚廣杰). 油船貨油艙用耐蝕鋼研究進展[J].Science&TechnologyVision(科技視界), 2012, (34):113-114.

[7] China Classification Society(中國船級社).TestGuideofCorrosionResistantSteelforCargoOilTank(原油油船貨油艙耐腐蝕鋼材檢驗指南)[EB/OL]. (2013-02-07)[2014-06-23].http://www.ccs.org.cn/ccswz/font/fontAction!article.do?articleId=8a8181993c950bf1013cb211c5160047.

[8] Imai S, Katoh K, Funatsu Y，etal.Development of New Anti-Corrosion Steel for Cots of Crude Oil Carrier[C]//ProceedingsofInternationalSymposiumonShipbuildingTechnology(ISST2007). Tokyo:The Japan Society of Naval Architects and Ocean Engineers, 2007:11-18.

[9] Kashima K, Tanino Y, Kubo S,etal. Development of corrosion resistant steel for cargo oil tanks[C]//ProceedingsofInternationalSymposiumonShipbuildingTechnology(ISST2007). Tokyo:The Japan Society of Naval Architects and Ocean Engineers, 2007:5-10.

[10] Feng Xiangyang(馮向陽).Investigation on Corrosion Behaviors of Anti-Corrosion Steels Joints for Cargo Oil Tanks (油船貨油艙用耐蝕鋼焊接接頭耐蝕性的研究)[D]. Xi’an: Xi'an University of Architecture and Technology, 2012.

[11] Sakashita S, Tatsumi A, Imamura H,etal. Development of anti-corrosion steel for the bottom plates of cargo oil tanks [C]//ProceedingsofInternationalSymposiumonShipbuildingTechnology(ISST2007). Tokyo:The Japan Society of Naval Architects and Ocean Engineers, 2007:1-4.

[12] Inohara Y, Komoni T, Kyono K ,etal. Development of New Corrosion Resistant Steel for the Bottom Plate of COT [C]//ProceedingsofInternationalSymposiumonShipbuildingTechnology(ISST2007). Tokyo:The Japan Society of Naval Architects and Ocean Engineers, 2007:33-35.

[13] Imai S, Katoh K, Funatsu Y ,etal. Onboard evaluation results of newly developed anti-corrosion steel for cots of VLCC and proposal for maximum utilization method [C]//ProceedingsofInternationalSymposiumonShipbuildingTechnology(ISST2007). Tokyo:The Japan Society of Naval Architects and Ocean Engineers, 2007:22-26.

[14] Kawasaki H(川崎博史), Satou H(佐藤秀巖). 日本発の國際標準鋼材原油タンー用高耐食性厚鋼板[J].NipponSteelMonthly，2011(7):3-7.

[15] Katoh K， Kaneko M， Usami A ,etal. Development of Highly Corrosion Resistant Steel PlateNSGP-1 for Bottom Plates of Cargo Oil Tanks in Crude Oil Carriers[J].MateriaJapan, 2011, 50 (2):76-79.

[16] Sakashita S, Akihiko T, Imamura H ,etal. Development of Corrosion Resistant Steel for Bottom Plate of Cargo Oil Tanks [J].KobeSteelEngineeringReports，2008, 58(1):32-35.

[17] Yoshida T，Kato J，Ito M，etal. Development of Corrosion-Resistant Steels and Their Application to Crude Oil Tanks [C]//ProceedingsofTankerStructureCooperativeForum2013ShipbuildersMeeting. Shanghai:Tanker Structure Cooper-ative Forum, 2013:1-8.

[18] Shiomi H，Kaneko M，Kashima K，etal. Development of anti-corrosion steel for cargo oil tanks [C]//ProceedingsofTankerStructureCooperativeForum2007ShipbuildersMeeting. Busan:Tanker Structure Cooperative Forum, 2007:1-8.

[19] SMICORE. A Newly Proven High Corrosion-Resistant Steel Plate for Crude Oil Tankers[J].StainlessSteelWorld，2009，21(4):65-66.

[20] Satoshi I, Yasuto I, Tatsushi H. High Performance Steel Plates for Shipbuilding-Life Cycle Cost Reduction Technology of JFE Steel[J] .JFETechnicalReport, 2005, (5):16-23.

[21] Inohara Y, Nishimura K, Nakamura M. Corrosion Resistant Steels for Inner Bottom Plates of Cargo Oil Tank (JFE-SIP-OT) [J] .JFETechnicalReport，2007，(18):53-56.

[22] Wang Yanhong (王艷紅), Liang Huizhi (梁慧智), Feng Shichao (馮士超)，etal.日本四大鋼鐵企業(yè)研發(fā)動向分析[J] .MetallurgicalInformationReview(冶金信息導刊)，2011, (5):23-26.

[23] 國產船用耐蝕鋼研發(fā)取得新進展[J] . Marine Equipment Materials & Marketing(船舶物資與市場)，2012，(2):36.

[24] Yin Yuqun(尹雨群), Wang Jun(王 軍), Zhao Jinbing(趙晉斌) ，etal.TheProductionProcessofaCorrosionResistantSteelPlateforBottomPlatesofCargoOilTanksinCrudeOilCarriers(一種原油船貨油艙用耐腐蝕鋼板的生產工藝):China, 201110294465.9[P].2012-09-13.

[25] Yin Yuqun(尹雨群), Wang Jun(王 軍), Zhao Jinbing(趙晉斌) ，etal.TheGasShieldedWeldingMethodofaCorrosionResistantSteelPlateforBottomPlatesofCargoOilTanksinCrudeOilCarriers(一種原油船貨油艙用耐腐蝕鋼的氣體保護焊焊接方法):China, 201210161914.7 [P].2012-11-14.

[26] Yin Yuqun(尹雨群), Zhao Jinbing(趙晉斌), Li Li(李 麗)，etal.TheSubmergedArcWeldingMethodaCorrosionResistantSteelPlateforBottomPlatesofCargoOilTanksinCrudeOilCarriers(一種原油船貨油艙用耐腐蝕鋼的埋弧焊接方法): China, 201210296170.X [P].2013-01-09.

[27] Dong Tao (東 濤). 我國造船業(yè)發(fā)展的新定位及海工裝備用鋼生產技術趨向[J] .SteelRolling(軋鋼)，2013，30(2):1-5.

[28] Wang Sun (王 孫).China'sMarineCorrosionResistantSteelHasBeenaBigBreakthrough,theFirstShipApplicationEngineeringProjectLaunchedinShanghai(我國船用耐蝕鋼研制獲重大突破，首個實船應用工程項目在滬啟動)[EB/OL]. (2014-05-17)[2014-06-23]. http://www.chinashipnews.com.cn/show.php?contentid=6924.

[29] Li Shenggen(李生根)，Wang Jianjing(王建景)，Gao Lifu(高立福). 耐腐蝕系列鋼板的應用現狀與關鍵技術淺析[J] .LaigangScience&Technology(萊鋼科技). 2013, (2):4-8.

[30] Liu Zhengyu(劉振宇).海洋工程領域用鋼鐵材料研究現狀、發(fā)展趨勢、主要差距及對策[C]//PresentationinWorkshopontheResearch&Developent,ProductionandApplicationofMarineEngineeringMaterials(海洋工程材料研發(fā)、生產及應用研討會).Beijing: Chinese Academy of Engineering, 2013.

[31] Huang Wei(黃 維)，Gao Zhenfeng(高真鳳), He Libo(何立波). 海洋平臺用鋼板品種發(fā)展及研發(fā)概況[J].ShanghaiMetal(上海金屬), 2013, 35(4):53-58.

[32] Qian Yuhai(錢余海), Li Zhigang(李自剛), Qu Chaoxia(屈朝霞)，etal. 寶鋼耐海水腐蝕鋼Q345C-NHY3的研究與應用[C]//ProceedingsoftheSecondBiennialBaosteelAcademicConference(Volume1) (第二屆寶鋼學術年會論文集(第一分冊)) . Shanghai:Baosteel Company, 2008:47-52.

[33] Huang Wei(黃 維)，Zhang Zhiqi(張志勤)，Gao Zhenfeng(高真鳳) ，etal.日本海洋平臺用厚板開發(fā)現狀[J]，SteelRolling(軋鋼)，2012，29(3):38-42.

[34] Tan Naifeng(譚乃芬). 海工用鋼的現狀、問題和發(fā)展方向[C]//PresentationinWorkshopontheResearch&Developent,ProductionandApplicationofMarineEngineeringMaterials(海洋工程材料研發(fā)、生產及應用研討會) . Beijing: Chinese Academy of Engineering, 2013.

[35] Su Hang(蘇 航). 海洋工程用鋼重大技術需求[C]//PresentationinWorkshopontheResearch&Developent,ProductionandApplicationofMarineEngineeringMaterials(海洋工程材料研發(fā)、生產及應用研討會) . Beijing: Chinese Academy of Engineering, 2013.

[36] Feng Xiangyang(馮向陽)，Qi Yanchang(齊彥昌)，PengYun(彭 云)，etal. 貨油艙用耐蝕鋼焊接接頭的耐腐蝕性能[J] .JournalofIronandSteelResearch(鋼鐵研究學報), 2012, 24(3):44-48.