我國船舶與海工用特種鋼材的發展

蘆曉輝 高珊 張才毅

我國船舶與海工用特種鋼材的發展

蘆曉輝 高珊 張才毅

【摘要】在介紹我國船舶與海工用鋼發展現狀的基礎上，分析了國內船舶與海工用特種鋼材的性能特點與發展現狀，重點介紹了低溫用鋼、大熱輸入焊接用鋼、耐蝕鋼、高止裂性能鋼以及海洋平臺用超高強鋼，指出隨著我國船舶與海洋工業的發展，船舶與海工用特種鋼材具有廣闊的發展前景。

船舶和海工是海洋鋼結構物的兩大體系，其建造都需要大量的鋼鐵產品，鋼材占其建造成本的20%～30%，船體用鋼量占其總質量的60%。目前，我國船舶與海工用鋼已能滿足國內市場的大部分需求，但部分高級別的特種鋼材仍大量依賴進口。特殊用鋼主要指具有高強度、大厚度、抗層狀撕裂、大熱輸入焊接、耐腐蝕、超低溫韌性、高止裂性能的鋼板，其生產工藝嚴格，對設備穩定性要求高，開發難度大。

本文將在介紹普通船舶及海工用鋼的基礎上，對國內特殊鋼的發展現狀及性能特點進行論述。

1. 我國船舶與海工用鋼的發展現狀

船舶用鋼主要是船體結構用鋼板，經過多年的發展，我國已經建立了比較完備的船舶與海工用鋼體系，并以相關規范及國家標準的形式頒布，主要包括CCS船級社規范和GB712《船舶及海洋工程用鋼》，鋼級涵蓋了早期大型船體采用的一般強度鋼和現在海工設備常采用的焊接結構用超高強度鋼，如表1所示。

由于船舶與海工用鋼需要取得船級社的認證才能生產使用，雖然船級社標準中涵蓋了這40個鋼級，但不同的鋼鐵企業通過認證的級別不同，如表2所示。

海工用鋼由于其特殊性，用戶在建造海洋平臺時，除采用船標外，還采用ASTM標準、API以及EN規范。例如，A517Q、A514Q經常用于制造自升式海洋平臺樁腿，EN10025鋼及API 2W、2Y、2Z鋼在海洋結構及海洋風電中應用廣泛。

2. 船舶與海工用特種鋼板的開發及性能特點

表1　船舶及海工用鋼

表2　我國超高強鋼的認證

（1）液化氣體運輸船用低

溫鋼液化氣作為一種天然資源，地區間分布不均，國際間運輸主要通過液化氣體專用運輸船進行，包括LPG船和LNG船。CCS《材料與焊接規范》規定了建造液化氣體運輸船的液貨艙及其相鄰船體結構用的低溫韌性鋼。包括使用溫度在-55℃以上的C-Mn鋼和使用溫度在-60～-196℃的Ni合金鋼，其中9Ni鋼是建造自撐式LNG船儲罐最主要的鋼種，國內的鞍鋼、南鋼、太鋼、寶鋼都具備了生產能力，南鋼生產的船用9Ni鋼板通過了多家船級社的認證。

另一個重要的低溫用鋼是LNG船用Invar合金，Invar合金薄帶是薄膜型LNG船的必備材料，應用于貨艙圍護系統。Invar合金wNi=36%，熱膨脹系數極低，能在很寬的溫度范圍內保持固定尺寸，適合常溫至-163℃的溫度變化。由于我國滬東中華、大連船廠都接受了多艘LNG船訂單，所以對Invar合金的國產化提出了迫切需求。

（2）大熱輸入焊接用船板的開發 焊接是船體制造的關鍵環節，約占船舶制造成本的17%。隨著船板厚度規格的增加，開發具有高焊接熱輸入適應性的鋼板以提高焊接效率成為船體建造需重點解決的問題。大熱輸入焊接用鋼是指焊接熱輸入在400kJ/cm以上的鋼種。

提高焊接熱輸入，必須解決焊接熱影響區（HAZ）韌性降低的問題。提高HAZ韌性的方法包括采用低碳當量的合金設計、細化HAZ晶粒尺寸及改善HAZ晶內組織。TiN粒子在焊接過程中能阻礙奧氏體晶粒長大，因此被首先應用于大熱輸入焊接技術。但隨著焊接熱輸入的提高，TiN粒子會發生粗化、重熔，失去對奧氏體晶粒長大的抑制作用。若使焊接熱輸入達到400kJ/cm，需采用氧化物冶金技術，通過Ti-O、Mg-O、Ti-B等處理技術，利用鋼液中形成的氧化物質點阻止焊接熱循環過程奧氏體晶粒的長大，促進晶內針狀鐵素體的形核，從而細化HAZ組織，改善其韌性。

CCS《材料與焊接規范》規定了適應高熱輸入焊接的船體結構鋼，在某一等級船舶與海工用鋼的基礎上，經過化學成分的少量調整，獲得高的焊接熱輸入。除了要滿足母級鋼的全部性能要求外，還要求距熔合線5mm 和10mm兩處熱影響區的沖擊試驗。

（3）耐蝕鋼 隨著深海開發和遠洋航運的發展，對船板及海洋結構的耐腐蝕性提出了越來越高的要求，包括耐大氣腐蝕、耐海水腐蝕以及耐原油腐蝕。其中，油船貨油艙耐蝕鋼是近十年來國際上研究開發的重點。

油船是國際間原油運輸的重要工具，其貨油艙主要采用耐蝕性較差的AH32、AH36鋼板，采用涂層方式進行腐蝕防護。對于涂層保護形式，需定期進行涂層維護，耗費高、工期長，且施工環境惡劣。2010年，國際海事組織（IMO）將使用耐蝕鋼認定為保護涂層的可替代方案，2013年，IMO船用耐蝕鋼性能標準正式實施。在工信部的組織下，我國寶鋼、鞍鋼等企業開展了基于IMO標準的船用耐蝕鋼應用技術研究。目前，已基本完成了E36級別耐蝕鋼及相關焊材的開發。鞍鋼鋼板已經申報船級社認證，并向3.8萬t級大慶435油輪示范改裝船貨油艙內底板和上甲板供貨1 000多t。

此外，為了提高海洋結構物的壽命，需要開發耐海水腐蝕性以及耐海洋微生物腐蝕性良好的鋼板，特別是在南海海域高濕熱、強輻射、高Cl-海洋環境中。我國耐海水腐蝕鋼已經過了多年發展，開發了Cr-Mo-Al、Cr-Cu-Mo等多種成分體系的耐海水腐蝕鋼，但一般都應用于近海。如寶鋼開發的Q345C—NHY3向東海洋山深水港碼頭供貨30萬t以上。其他鋼種，如10Cr2MoAl RE、08PVRE、09MnCuPTi、0Mn PNb RE、10Ni Cu As、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。

（4）高止裂性能鋼板大型集裝箱船普遍采用高強度和大厚度的鋼板，大厚度使得鋼板的受力狀態發生改變，抗開裂性能下降，一旦在極厚板中出現裂紋，該裂紋將會沿著焊縫不斷傳播，即使進入母材，裂紋也不會停止擴散。為保證船體結構的安全可靠，對材料的止裂性能提出了更高的要求。

目前評價船用鋼止裂性能的試驗方法主要有ESSO 試驗和雙重拉伸試驗。日本船級社提出采用梯度溫度型 ESSO 試驗方法測定止裂韌性 Kca作為止裂性能表征參量，并提出了相應的技術指標值，要求-10℃的止裂

韌性Kca≥6 000N/mm3/2。國內，七二五所采用雙重拉伸試驗方法為寶鋼提供了EH47鋼止裂性能試驗報告，已通過了法國船級社的審核，雙重拉伸試驗也被編入了CCS《船用高強度超厚板應用指南》。2014年1月國際船級社協會（IACS）“統一要求”正式生效后，寶鋼、沙鋼先后與七二五研究所簽訂了EH47鋼80mm厚板止裂性能檢測及相關技術服務合同。

（5）海洋平臺用超高強度鋼 在開發海洋油氣資源，建造海洋平臺的過程中，為了減輕平臺自重，提高平臺安全性，超高強鋼的應用越來越普遍，且強度也越來越高。在自升式平臺及半潛式平臺的建造中，超高強鋼的使用量越來越大。

自升式平臺具有用鋼量少、造價低及效率高等優點，在近海開發中發揮了巨大作用。升降系統是自升式平臺的關鍵技術，多采用齒輪齒條的升降方式。隨著平臺工作水深的增加，齒條鋼的厚度不斷增大，性能要求也越來越嚴格。齒條是樁腿的核心部件，樁腿所承受的各種載荷最終都會直接或間接的作用在齒條上，因此齒條材料必須具有較高的強度和韌性，齒條及半圓板用鋼主要采用ASTM標準中的A517Q/A514Q。A517Q屈服強度為690MPa，要求-40℃低溫沖擊韌性。其厚度一般在150mm以上，具有沖擊韌性高、抗層狀撕裂好、耐海水腐蝕等優異性能。目前舞鋼、寶鋼都具有供貨實績。

此外，在我國第六代深水半潛式鉆進平臺海洋石油981平臺的建造中，局部采用36mm以上56kg及70kg級超高強度鋼EQ56/ EQ70，共200t，全部從國外進口。目前，寶鋼等已能夠生產EQ70鋼種，且向振華重工、招商局重工等300～400ft（英尺）（1ft=304.8mm）自升式海洋平臺供貨。

3. 船舶與海工用鋼板的加工難點

對于船舶與海工用鋼，其加工重點及難點都在焊接成形方面。焊接的難易及焊接質量的好壞，決定了海洋鋼結構物的最終使用性能。此外，鋼板在切割過程中也容易形成裂紋，需加以注意。

（1）超高強鋼焊接 隨著強度級別的提高，碳及合金元素加入量增大，容易引起焊接熱影響區的脆化和形成冷熱裂紋。此外，焊接接頭熱影響區軟化也是細晶粒鋼焊接時普遍存在的問題，因此解決高強度船體結構鋼的焊接成形問題，已經成為高強度船板鋼是否能得到有效應用的關鍵。

A517Q屬于船舶與海工用鋼中強度級別最高的鋼種，目前國內多家鋼廠已通過了船級社認證且有了生產實績。作為齒條板制造材料，A517Q必須具有較高的強度和韌性和焊接性。A517Q的碳當量及冷裂紋敏感性系數較高，焊接性較差，具有較大的淬硬傾向，易產生冷裂紋。在船級社認證過程，需對母材進行焊接性能試驗。為了獲得強度、塑性及韌性的最佳匹配，焊接過程中應綜合采用焊前預熱、最佳熱輸入控制、焊后緩冷、層間溫度控制等措施。

（2）大熱輸入焊接技術作為船舶建造中最長的工序，焊接效率的高低決定了船舶建造的成本和交貨周期。為了提高焊接效率，需提高焊接熱輸入。目前船廠多采用多絲埋弧焊、氣電立焊、電渣焊等高效焊接方法，與傳統焊條電弧焊相比，焊接效率可以提高10倍以上。船級社規定，焊接熱輸入超過50kJ/cm即為大熱輸入焊接。對于船板，厚度規格達到80mm，很多情況下要求一次焊接成形，焊接熱輸入可達到500kJ/cm。對于該工藝，關鍵是采用具有大熱輸入焊接適應性的鋼板，此外，還應開發相應的焊材，采用適當的焊接方法。

（3）特厚板切割技術 海洋平臺樁腿用鋼主要采用690MPa級別的Z向鋼，最大厚度可達到210mm。高強度、大厚度板材的切割是一個復雜的熱加工過程。目前，厚度＞100mm的高強鋼板主要采用氧乙炔氣體切割。切割后的邊隨著鋼板的自然冷卻會產生收縮應力，嚴重時將產生較復雜的變形，甚至產生裂紋。另一方面，作為焊接生產的前工序，切割引起的殘余應力和應變將直接影響焊接裝配的質量。

以自升式平臺齒條用鋼為例，A517Q厚板經切割后可直接應用于升降齒條，無需再加工，為此對切割技術提出了極高的要求。切割過程要保證切割表面的光潔性，同時還要防止鋼板的變形，為此需要采用合適的切割工

藝和技術，如采用雙頭對稱的切割技術等。此外，可以在切割前對大厚度鋼板進行預熱以清除鋼板表面水分。

4. 船舶與海工用特種鋼材的應用前景

21世紀是海洋的世紀，隨著世界經濟的發展，不論是海洋運輸還是海洋資源開發都將進入高速發展期，由此帶動船舶與海洋工程制造的快速增長。船舶的大型化、海洋資源開發的深海化，將大量采用具有特殊性能的船舶與海工用鋼。

在船舶方面，隨著人類環保意識的提高，清潔能源如石油氣和天然氣在能源消耗方面的比重將逐漸提升，液化石油氣和液化天然氣在國際上的運輸將變得更加頻繁，催生LPG船與LNG船的大量應用，這就需要大量低溫鋼，如9Ni鋼和Invar合金等。原油輪，貨油艙耐腐蝕板用鋼量占到總用鋼量的40%～45%，以建造一艘30萬t級超大型油輪為例，船體結構總用鋼量近4萬t，其中貨油艙部分用鋼量約1.7萬t，占整個船體結構總用鋼量的42%，耐原油腐蝕鋼板具有巨大的市場需求。對于高止裂船板，在集裝箱船方面，主要應用于艙口圍欄；對于散貨船，可應用于艙口蓋和甲板裝置，以及有側肋骨的船側板；對于油輪，可應用于船舷側板，船底側板。目前，多家船級社標準已對船板的止裂性能提出要求。

未來幾年，在海工方面我國將有30多個油氣田待開發，需建造70多座平臺，300ft自升式平臺，每座平臺需EQ70鋼950～ 1 050t，400ft自升式平臺，每座平臺需EQ70鋼2 300～2 400t，特殊高強度鋼的需求量在10萬t以上。

5. 結語

本文總結了船舶與海工用特種鋼的發展現狀，分析了此類鋼的性能特點、加工難點以及應用前景。船舶與海工用特種鋼是海洋結構物建造中的關鍵材料，目前國內還大量進口，是國內造船行業急需的鋼材。推進我國高技術船舶與海洋工業的發展，大量關鍵技術需要突破，核心問題之一就是船舶與海工用特種鋼的推廣與應用，需要冶金企業與造船業共同努力，早日實現多品種、多規格的工業化供貨。

參考文獻：

[1] 趙耕賢.我國海洋石油鉆采裝置（平臺）用鋼的情況[C].海洋平臺用鋼國際研討會文集，2013：22-38.

[2] 劉湃.大熱輸入焊接高強船板鋼氧化物冶金技術的新進展[J].世界鋼鐵，2012（1）：20-28.

[3] 楊才福，柴鋒.大熱輸入焊接船體鋼的研究[J]. 上海金屬，2010，32（1）：1-10.

[4] 張國宏，成林.海洋耐蝕鋼的國內外進展[J].中國材料進展，2014，33（7）：426-433.

[5] 陶乃旺，黃淑珍.IMO油船貨油艙涂層及耐蝕鋼試驗方法及性能要求[J].中國涂料，2011，26（10）：23-25.

[6] 郭慧英，張宇.低合金耐海水腐蝕鋼的開發[J].鋼鐵，2013，48（9）：71-76.

[7]徐博文，徐科.船用鋼止裂性能評價技術發展與現狀[J].材料開發與應用，2012 （12）：63-68.

[8]瞿榮澤，潘志遠.超大型集裝箱船舶工藝設計分析[J].船海工程，2013，42（5）：68-71.

[9]薛鋼，宮旭輝.船體鋼止裂性能表征參量止裂溫度和止裂韌性的對比分析[J].材料開發與應用，2014（2）：9-12.

[10]吳松林.七二五所成為國內唯一船用高強鋼厚板止裂性能檢測單位[J].材料開發與應用，2014（4）：4.

[11] 高珊，李冰，章傳國.海洋平臺用高強度齒條鋼的研制[J].寶 鋼 技 術，2012（5）：1-8.

[12]李超.齒條板A517GrQ焊接性研究及工藝評定[J].金屬加工：焊接與切割，2014 （8）：72-75.

[13]李敏，鄭香增.大熱輸入焊接用鋼的研究概況[J].山東冶金，2008，130（3）：8-11.

[14]周宏.高強度樁腿齒條厚板切割數值仿真研究[J].中國造船，2013，54（3）：105-112.

[15]鐘文君.中國海洋工程發展對鋼鐵材料的需求及展望[C].海洋平臺用鋼國際研討會文集，2013：82-92.

20150228

作者簡介：蘆曉輝等，寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院。