海洋石油平臺用鋼的現狀與發展趨勢(三)

杜 偉，李鶴林

(中國石油集團石油管工程技術研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室 陜西 西安 710077)

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·綜 述·

海洋石油平臺用鋼的現狀與發展趨勢(三)

杜 偉，李鶴林

(中國石油集團石油管工程技術研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室 陜西 西安 710077)

歸納了海洋石油平臺用鋼的類別品種，包括一般強度鋼、高強度鋼、超高強度鋼，以及耐海水腐蝕低合金鋼、齒條鋼、Z向鋼、適合高熱輸入焊接鋼、高強度系泊鏈鋼、高強度鑄鋼等特殊用途鋼種；分析了海洋平臺用鋼的標準體系，并介紹了歐洲標準、API標準、船級社標準以及國家標準對平臺用鋼的性能要求；綜述了國內外平臺用鋼的產品開發及應用現狀；最后討論提出了海洋石油平臺用鋼向高強、高韌以及良好低溫韌性與焊接性方向發展的趨勢。

海洋平臺用鋼；Z向鋼；齒條鋼；適應高熱輸入焊接鋼；耐海水腐蝕鋼

(接2016年第4期)

3 國內外海洋平臺用鋼的研發應用現狀

3.1 國內海洋平臺用鋼的研發及應用

近年來，隨著我國海洋工業的不斷發展，尤其是國家發展海洋戰略的背景下，海洋平臺建設迎來了新的高速發展時期。國內鋼廠充分利用機遇，進行了海洋平臺用鋼的研發、認證及生產應用。2012年我國船舶及海洋工程用中厚板產量為1 080萬噸，其中A、B、D、E一般強度級別產品432萬噸，約占43.6%；高強度級別產品517萬噸，約占53%；超高強度級別產品3.5萬噸，約占0.4%；國外標準系列產品30萬噸，約占3%。主要中厚板企業的船舶與海洋工程用鋼產量見表14。因每個鋼廠的設備能力、工藝特點以及技術儲備等不盡相同，各鋼廠海洋平臺用鋼開發的側重點及其代表性產品各有特色，各具優勢。

寶鋼、鞍鋼、南鋼及首鋼等開發了符合船級社規范的超高強度E690鋼板，其中寶鋼產品最大厚度達到88 mm。寶鋼、舞陽以及興澄特鋼等開發了ASTM A514/A517 Gr.Q系列產品，其中舞陽認證通過了厚度為215 mm的 ASTM A514Gr.Q-MOD鋼板。鞍鋼采用TMCP工藝生產了強度420～690MPa系列產品，其中690 MPa級產品最大厚度50 mm；滿足-60℃沖擊韌性要求的F550產品，最大厚度達80 mm。南鋼采用正火工藝開發了F550鋼板，最大厚度60 mm，-60℃沖擊功超過180 J。湘鋼則通過工藝集成及優化，打破常規成功開發了最大厚度達100 mm的專利產品HYE36。

3.1.1 寶鋼

寶鋼每年生產70～100萬噸的船板及海洋平臺用鋼，品種涵蓋了船級社規范、ASTM、API以及EN標準的鋼種，厚度規格6～180 mm，采用普通軋制AR、N、TMCP/TM、QT等工藝生產，可生產出一般強度、高強度以及超高強度等不同強度級別。近年來，供貨產品中調質超高強鋼、API系列用鋼及TMCP高強度鋼的比例增加。

表14 2012年主要中厚板企業船舶與海洋工程用鋼產量(單位：萬噸)

1)船級社規范產品

EQ系列鋼是海洋平臺中強度等級較高、用量較大的產品系列。EQ43～EQ70系列產品占寶鋼船舶及海洋工程用鋼的10%，采用調質工藝生產的EQ70鋼板最大厚度為178 mm。表15是寶鋼生產的EQ56、EQ70鋼板的主要力學性能，其中厚度為88 mm的 EQ70鋼板屈服強度達到733 MPa，-40℃平均沖擊韌性達到233 J，Z向斷面收縮率為70%，產品指標滿足ABS規范要求。

船級社規范系列產品的主要工程應用包括：2011～2012年，為新加坡勝科海事400 ft(1 ft=304.8 mm)自升式海洋平臺提供了厚度范圍為8～80 mm，級別分別為AQ51、DQ51、EQ51、EQ56、EQ63的鋼板，供貨數量為4 600 t；2011～2013年，為煙臺中集來福士300 ft、400 ft尺自升式海洋平臺提供了厚度范圍為12～80 mm，級別分別為AQ51、DQ51、 EQ51、EQ56、EQ63的鋼板，供貨數量為4 600 t；2011～2013年，為振華重工300 ft自升式海洋平臺提供了厚度范圍為10～80 mm，級別分別為EQ47、EQ56、EQ63、EQ70的鋼板，供貨數量為2 600 t；2011～2013年，為招商局重工的350/400 ft自升式海洋平臺提供了厚度范圍為12～160 mm，級別分別為EQ51、EQ70的鋼板，供貨數量為9 000 t。

表15 寶鋼EQ系列鋼的力學性能[19]

2)API系列

API系列產品約占寶鋼船舶及海洋工程用鋼的7%，其中正火工藝生產的API 2W-50鋼板最大厚度80 mm，化學成分為：0.07% C、1.48% Mn、0.20%Si、0.053%Al以及合適的Ti、Ni 、Nb、Cu添加，碳當量CEPcm為0.17～0.19。API 2W-50鋼板的力學性能見表16。

2012年，寶鋼為PETROBRAS (GUARA AND LULA-NE Project)項目提供了厚度規格為16～51 mm的API 2W-50(Z)的海洋平臺用鋼板4 233 t，用于制造浮箱和基座。

3)ASTM系列

高強度ASTM系列產品(A517Gr.Q/A514Gr.Q)約占寶鋼船舶及海洋工程用鋼的3%。采用連鑄坯生產的ASTM鋼板最大厚度為88 mm，模鑄坯生產的鋼板最大厚度為178 mm。寶鋼A517Q-MOD鋼的化學成分及力學性能分別見表17和表18。其中，178 mm規格鋼板以30 kJ/cm熱輸入焊接后，焊縫熱影響區-40℃沖擊功為134 J。

表16 寶鋼API 2W-50鋼的力學性能[19]

表17 寶鋼ASTM A517Q-MOD鋼的主要化學成分

表18 寶鋼ASTM A517Q-MOD的力學性能[19]

2009年，寶鋼為中海油提供厚度為127～152.4 mm的A517Q鋼板1 500 t，用于制造200 ft自升式平臺923和924的樁腿齒條。2011年，寶鋼為渤海裝備遼河重工提供厚度為127 mm、152.4 mm的 A517Q鋼板987 t，用于制造300 ft自升式海洋平臺的樁腿齒條。2013年，寶鋼為渤海裝備遼河重工提供86.5 mm厚A517Q鋼板1 284 t，用于制造400 ft自升式海洋平臺的樁腿半圓板。自2013年開始，寶鋼為大連船舶重工提供27～86mm A517Q鋼板，用于制造300 ft、350 ft以及400 ft自升式海洋平臺的樁腿半圓板。

4)EN系列

寶鋼開發的EN10225系列產品約占寶鋼船舶及海洋工程用鋼的2%。其中代表性的產品為EN10225 S355G10+M，其典型力學性能指標見表19。2012年，寶鋼為TOTAL (OFON 2 Project)項目的固定式海洋平臺提供了厚度范圍為20～63.5 mm，級別為S355KT-40/P、S355KT-20、S355KL+20的厚板，共計1 400 t。

表19 寶鋼EN10225 S355G10+M的力學性能[19]

3.1.2 鞍鋼

鞍鋼擁有4條中厚板生產線，其中包括世界上最寬的5500中厚板生產線，年生產能力達到600萬噸，其中船板和平臺用鋼比例占70%左右。海洋平臺用鋼產品種類包括厚度6～100 mm 的A、B、D、E一般強度級別，厚度6～100 mm 的32、36、40高強度級別以及厚度6～80 mm的420、460、500、550和690等超高強度級別。

TMCP海洋平臺用鋼具有高強度、高韌性以及焊接性能優良等優點，被國際上稱譽為21世紀綠色環保鋼種。鞍鋼借助于多年的技術進步和設備改造升級，重點進行了TMCP系列海洋平臺用鋼的研制，并于2006年初通過了 ABS、 CCS 、DNV、LR 等九大船級社的認可，取得了市場準入許可。通過優化合金化設計和控軋控冷工藝，鞍鋼可生產50～80mm的厚板，強度達到420、460、500、550、690MPa。420～690MPa級厚板的合金設計為0.03%～0.08%C-Mn-Nb，并根據鋼板的強度和厚度加入了Cu-Cr-Ni等元素。代表性產品F550鋼板的力學性能見表20，顯微組織如圖4所示。可見，鞍鋼生產的F550鋼板力學性能及組織均勻；屈服強度達到580 MPa以上，沖擊韌性良好，達到F級鋼板韌性要求，其中50 mm鋼板-60℃下沖擊功均在250 J以上，80 mm鋼板-60℃沖擊功在100～303 J范圍內。

目前，鞍鋼已為大船重工的300～400 ft自升式海洋平臺和中集來福士、中船重工等的海洋平臺提供了TMCP 系列鋼板，相關產品有EH36、DH36、F420、EQ56、EQ70等。

表20 鞍鋼F550鋼板的力學性能[20]

圖4 鞍鋼F550鋼板顯微組織

3.1.3 湘鋼

湘鋼注重Nb元素微合金化技術的開發和應用，相繼開發了多種適應市場需求的含鈮系列海洋平臺用鋼，已批量供貨中海油、中國船舶等客戶，應用于海洋鉆井平臺、生產平臺及相關裝備結構的制造[21]。

1)低CEⅡW、低CEPcm海洋平臺用DH36/EH36

另外，通過合金元素鈮的加入，在不增加CEⅡW和CEPcm值的前提下，鋼板強度和韌性有了較大提高，且焊接過程中阻止熱影響區晶粒粗化，有利于平臺的焊接使用。2010年12月至2013年10月，湘鋼共生產低CEⅡW、低CEPcm海洋平臺用DH36/EH36鋼近20萬噸。

2)大線能量焊接用高強度高韌性海洋平臺鋼板

通過采用低碳高錳、Nb-Ni-Ti多元微合金化成分設計，LF+VD復合精煉，連鑄動態輕壓下，高溫大壓下以及TMCP控軋控冷等工藝技術，湘鋼開發了以細針狀鐵素體或細針狀鐵素體+ 珠光體組織的大線能量焊接用高強度高韌性的海洋平臺鋼板。其代表鋼種F40的屈服強度≥400 MPa，抗拉強度≥530 MPa，低溫-60℃沖擊韌性達到200 J以上，厚度方向斷面收縮率在35%以上，埋弧焊與直立焊熱輸入可達到50～200 kJ/cm，符合大線能量焊接要求。可批量生產的含Nb平臺用鋼包括A27S、D27S、E27S、A32、D32、E32、A36、D36、E36、A40、D40、E40、F32、F36、F40等，還包括相應級別的Z向鋼。其中正火鋼鋼板最大厚度達到了100 mm；TMCP、CR鋼種的最大厚度為40 mm。該系列鋼種已被中國船舶、中海油和韓國大宇等用戶采購使用。

3)超厚海洋石油平臺用鋼板

采用高錳、Nb-Ni-Ti多元微合金化成分設計，通過系列的工藝集成與優化，湘鋼打破特厚鋼板傳統軋制比不小于5.0的技術要求，在國內首次采用300 mm厚度連鑄板坯軋制100 mm厚度的特厚HYE36鋼板，成功開發了擁有自主知識產權的系列超厚高強度高韌性的HY系列海洋石油平臺用鋼板。其代表性鋼種HYE36的最大厚度達100 mm，屈服強度在360 MPa以上，抗拉強度在490 MPa以上，低溫-40℃沖擊韌性達到200 J以上，厚度方向性能達35%以上。湘鋼目前已有10萬噸以上HYE36產品投入市場，應用于各種類型深海海洋石油平臺的建造。

3.1.4 舞陽

舞陽依靠先進的裝備與技術優勢，采用淬火+回火生產工藝，開發了符合 ABS、DNV、GL和CCS船級社規范的A420～F690(AQ56～FQ70)系列高強鋼；開發了符合ASTM A514Gr.Q、A517Gr.Q及Modified要求的系列齒條和半圓板用鋼。產品先后供貨給振華重工、大連船舶、武漢船用機械廠等國內知名海工裝備制造廠。其中，厚壁齒條鋼作為舞陽的代表性產品，部分規格鋼板也實現了工程應用，解決了該類鋼板長期依賴進口的問題，為替代進口奠定了基礎。

舞陽自升式平臺用調質高強度鋼的供貨業績見表22，合計向大連船舶重工、振華重工等供貨達24 520 t。

圖5 177.8 mm厚A517GrQModified金相組織

規格/mm位置屈服/MPa強度/MPa伸長率/%夏比沖擊溫度方向位置沖擊功/J123硬度/HB114.3y83088520.0-27℃縱y176104160-37℃縱y111111121273127y75584523.0-37℃橫y179141167-27℃縱y150184110265152.4y74584021.0-27℃縱y134148122-37℃縱y129155133266177.8y82088026.0-27℃縱y136125136-37℃縱y155133141271

表22 舞鋼自升式平臺樁腿用調質高強鋼板供貨業績[22]

3.1.5 南鋼

南鋼有中厚板材生產線三條，其中2 800 mm中板軋機一套，3 500 mm爐卷軋機一套，新建成投產4 700 mm寬厚板產線一條。2010年南鋼60 mm厚及以下超高強度A420～F550鋼(含Z向鋼)取得了DNV、ABS、CCS等九家船級社認證；2013年南鋼60～80 mm厚高強度A32～E36(鋼含Z向鋼)取得了DNV、ABS、CCS等八家船級社證書；2013年更高級別的80 mm厚及以下超高強度A620～E690鋼(含Z向鋼)通過八家船級社認證。

南鋼生產的超高強度E690-Z35鋼力學性能見表23，產品性能滿足相應標準的要求。南鋼海洋平臺用鋼的主要業績見表24。

表23 南鋼E690-Z35鋼的力學性能[23]

表24 南鋼海洋平臺用鋼的主要業績[23]

續表

3.2 國外海洋平臺用鋼的研發及應用

20世紀50～60年代，美國、日本和歐洲各國就開始了海洋石油平臺用鋼的研究。目前，日本的新日鐵、JFE及德國的迪林根鋼鐵公司在海洋平臺用鋼方面的研發較為成熟。國外鋼廠結合自身設備和工藝優勢，開發了多種海洋平臺用鋼。此外，日本的住友金屬(現并入新日鐵)、韓國的浦項也開發了各自的海洋平臺用鋼產品，并得以工程應用。

3.2.1 JFE

JFE開發的主要海洋平臺用鋼的規格及強度范圍見表25。550 MPa及以下強度級別產品可通過TMCP工藝生產，典型的產品包括API 2W-50、API 2W-60及E500等，具有良好的沖擊韌性和焊接性。相應產品的力學性能見表26，焊接性能見表27。JFE開發的海洋平臺用鋼C含量約0.07%左右，碳當量CEPcm最大約0.19，較低的C含量和碳當量保證了產品優異的沖擊韌性和焊接性能。所開發產品的韌脆轉變溫度均在-60℃以下，

-60℃下沖擊功達到440 J，表現出良好的低溫韌性。E500級別鋼材在-60℃下的焊接接頭沖擊韌性達到150 J左右，API 2W-50級別鋼材-60℃下HAZ沖擊韌性超過360 J，均表現出優異的焊接性能。目前，JFE生產的API 2W-50、API 2W-60 級別鋼材已用于TLP和SPAR平臺的甲板和殼體部位。

表25 JFE平臺用鋼的強度及規格范圍

表26 JFE平臺用鋼的力學性能

表27 JFE平臺用鋼焊接接頭性能

另外，JFE也開發了適應大線能量焊接鋼，其生產的YP460級別鋼，厚度達到60 mm，采用EGW焊接方法，在364 kJ/cm的焊接熱輸入下，HAZ在-20℃下的沖擊功達到200 J，-10℃下CTOD約0.6 mm。

JFE主要采用TMCP+Super-OLAC(在線加速冷卻)工藝技術進行API 2W-50、API 2W-60系列產品的生產。Super-OLAC技術采用新的水流控制技術使冷卻速度達到理論極限速度，水冷能力大大提高，實現鋼板在上下表面、寬度和長度方向的冷卻均勻性，同時保證了冷卻溫度的精確控制(Super- OLAC 技術與傳統冷卻工藝的比較如圖6所示)[24]。冷卻溫度的均勻化使鋼板獲得了均勻的組織和性能，通過相變強化和組織細化使鋼板的強度和韌性大幅提高。

圖6 Super-OLAC與常規加速冷卻工藝冷卻能力的對比

針對適應高熱輸入焊接鋼，JFE采用專用的JFE-EWEL工藝技術。JFE-EWEL技術是JFE公司為發展新一代的先進大熱輸入焊接用船舶、橋梁和建筑等高強度、高韌性的厚規格鋼板而開發的新冶金工藝。

JFE EWEL新技術包含了三項基本內容[25]：

1)熱影響區(HAZ)γ晶粒細化技術

JFE利用高溫穩定的氮化物和氧化物來抑制奧氏體晶粒的粗化。在工業生產中通過控制鋼中形成大量彌散的TiN來實現奧氏體晶粒的細化，這種方法是通過控制鋼中的Ti含量、N含量、Ti/N的比值以及微合金化，來提高TiN的固溶溫度，使TiN的固溶溫度由原來的不足1400℃，提高到1450℃以上。

2)HAZ晶內組織控制技術

一方面，是通過降低碳當量來改變晶內組織。由于在高強度鋼中，合金碳當量增加，在HAZ區域會形成大量上貝氏體(UB)或側板條鐵素體(FSP)，使HAZ韌性顯著惡化。降低Ceq值，會使HAZ區域的上貝氏體組織變成鐵素體+貝氏體組織(F+B)或鐵素體+珠光體組織(F+P)，同時還能夠抑制M-A組織的形成，有益于HAZ韌性。另一方面，靈活使用B、N和Ca系夾雜物，使其在α→γ相變過程中，作為晶內鐵素體的形核質點。

3)最優成分設計和生產方法的優化技術

一般情況下，隨著鋼板的強度和厚度的增加，通常提高C含量和添加其它合金元素，但這將導致碳當量增加、熱影響區韌性降低。基于Super-OLAC生產工藝，可以得到理論上的極限冷卻速率，能夠抑制碳當量的增加，在鋼板具有最低限度的碳當量情況下，獲得高的抗拉強度和良好的韌性，同時HAZ區域上貝氏體的形成大部分被抑制，韌性也得到大幅度提高。

3.2.2 新日鐵

新日鐵開發生產的海洋平臺用鋼包括：高鋼級高韌性平臺用鋼、適應高熱輸入焊接鋼以及大規格齒條鋼等。代表性產品有500 MPa級高韌性鋼、YP390級適應高熱輸入焊接鋼以及210 mm厚、690 MPa級專用齒條鋼。

新日鐵開發了厚度16～70 mm、屈服強度500 MPa的系列平臺用鋼產品，16 mm≤t<25 mm鋼板的平均沖擊功(-40℃)達到196 J，25 mm≤t≤40 mm鋼板的平均沖擊功(-40℃)達到218 J，40 mm

新日鐵研發的厚度為65 mm、YP390級適應高熱輸入焊接鋼的碳當量約為0.36，屈服強度達到433 MPa，-40℃沖擊功為300 J。通過2P-VEGA焊接方法，在390 kJ/mm焊接熱輸入下熱影響區沖擊功超過150 J。

另外，新日鐵還開發了厚度為210 mm、屈服強度達到686 MPa的高強度齒條鋼，-60℃的沖擊功大于150 J，50%FATT低于-55℃。

近年來，新日鐵主要采用HTUFF工藝技術進行高韌性、易焊接高性能海洋平臺用鋼的生產。1994年，新日鐵啟動了作為第三代的HTUFF技術的研發。HTUFF技術的開發，是以該公司1990年初期內部積蓄的前人的研究成果為契機，自HAZ的晶粒微小化控制的基礎研究開始的。這種HTUFF鋼是通過對母材進行微量的Ca、Mg處理，使其在鋼中形成Ca、Mg的氧化物和硫化物粒子。采用HTUFF技術的開發，使鋼中含有適量的鎂和鈣時，微米級的粗大氧化物和硫化物在超高溫度下可轉化為納米級的超微小粒子。利用這些高溫熱穩定的細小彌散的粒子釘扎大熱輸入條件下焊接CGHAZ的奧氏體晶界，細化奧氏體晶粒。同時利用這些氧化物作為晶內針狀鐵素體IAF(Intra Acicular Ferrite)的形核點，使焊接CGHAZ(Coarse Grain Heat Affected Zone)內形成強韌性較好的IAF組織，進而顯著提高大熱輸入焊接CGHAZ的韌性。其原理如圖7所示。

圖7 通過HTUFF技術控制HAZ組織的原理

HTUFF工藝的核心技術是利用新一代氧化物冶金新工藝，獲得尺寸在10～100 nm級微細夾雜物粒子，利用Mg、Ca或REM等元素的原子形成氧化物和硫化物，如圖8所示。這些粒子能在1 400℃以上的高溫保持不溶解，并使之大量均勻地分散在鋼中，會對原奧氏體晶粒產生強烈的釘扎作用而抑制了熱影響區(HAZ)的晶粒粗化，進而有效地保證了在大熱輸入焊接HAZ的低溫韌性與母材相當。

圖8 在HTUFF中釘扎的粒子類型

3.2.3 迪林根

迪林根擁有先進的TMCP生產技術，TMCP鋼板最大厚度可達120 mm，通過配合MUPLC多功能間歇式噴射冷卻系統，迪林根開發了多種高性能的TMCP海洋平臺用鋼。典型的產品包括S500M3Z、450EMZ和690E級鋼板。S500M3Z級鋼板在Valhall近海平臺中得以應用。鋼板厚度80 mm，碳當量約0.42%，采用直接淬火加自回火的工藝生產，心部位置-40℃沖擊功平均大于250 J。厚度90 mm 450EMZ級鋼板已在庫頁島Ⅱ近海平臺中應用。庫頁島Ⅱ項目，由于服役環境惡劣，對鋼板性能的要求較為嚴格，要求鋼板中心位置-60℃的韌性不低于60 J，并要求CTOD試驗溫度為-39℃。鋼材采用TMCP工藝，為提高韌性，適當加入Ni元素。迪林根開發的MUPLC設備，可實現在高速冷卻和直接淬火加自回火過程所需的高冷速，保證工藝的實現，以得到細小的晶粒組織，確保鋼板具備良好的強韌匹配。

(待續)

Status and Development Trends of Offshore Platform Steels Ⅲ

DU Wei，LI Helin

(CNPCTubularGoodsResearchInstitute,StateKeyLaboratoryforPerformanceandStructureSafetyofPetroleumTubularGoodsandEquipmentMaterials,Xi′an,Shaanxi710077,China)

The main varieties and specifications of offshore platform steels are summarized, which include general strength steel, high strength steel, ultra-high strength steel and special purpose steeling (seawater corrosion resistant low alloy steel,gear steel, Z-direction steel, high heat input welding steel, mooring chain steel and high strength cast steel, etc.). The standard system of platform steels and the relevant requirements of European standards, API standards, classification society standards and national standards are concluded. Then the R&D status of platform steels are discussed. Lastly, the development trends of offshore platform steels are pointed out.

offshore platform steel；Z-direction steel；gear steel；high heat input welding steel；seawater corrosion resistant low alloy steel

杜 偉，男，1982年生，工程師，2008年碩士畢業于北京科技大學材料學專業，現主要從事石油管的工程應用與應用基礎研究。E-mail:duw002@cnpc.com.cn

TE5

A

2096-0077(2016)05-0001-09

2016-04-14 編輯：屈憶欣)