CTOD 性能優良的海工鋼技術研發現狀及發展方向

許 營 陳 妍

1.前言

近年來，隨著能源需求的不斷增加，海洋油氣資源的開采區域向深海和低溫區域擴展，海工鋼向高強、高韌性方向發展，即以屈服強度460MPa以下為主體的鋼材使用量向500MPa～690MPa增加。在要求-40℃～-60℃夏比沖擊功的基礎上還增加了對脆性斷裂性能（即CTOD值）的要求。本文介紹了國內外海洋工程用厚板CTOD性能的研發情況，對具有優良CTOD性能的海洋工程用厚板技術發展概況以及研發思路進行梳理，找出技術發展特點，為海洋工程用厚鋼板的研發和生產夯實基礎，提供支撐。

2.CTOD特性優良的海工鋼技術研發現狀

2.1 國內外CTOD 海工鋼供貨級別

目前國內外可供貨的CTOD海工鋼品種見表1。可以看出，日本制鐵公司、JFE公司對CTOD特性優良海工鋼的研發處于領先地位，500MPa及以上級別的CTOD海工鋼可以實現供貨。

表1 國外可供貨的CTOD海工鋼品種

2.2 國外CTOD 海工鋼基本研發思路

（1）JFE鋼鐵公司

JFE鋼鐵公司利用其獨特的控制冷卻技術Super-OLAC以及提高焊接熱影響區韌性技術JFE-EWEL，生產出CTOD特性優良的海工鋼。為了確保海工鋼HAZ（焊接熱影響區）具有優良的CTOD特性，JFE在生產中主要采用低C、低Ceq、適當添加Ni的成分體系，煉鋼工序中，降低鋼中的P、S、N，進行Ca-Ti處理或REM-Ti處理。見圖1(1)。

圖1 JFE提高HAZ韌性的基本思路

（2）日本制鐵公司

日本制鐵利用其獨特的CLC-μ冷卻技術和HAZ高韌性HTUFF技術，在保證焊接接頭CTOD特性方面，已經開發出了Ti-N鋼、Ti-O鋼、Mg-O鋼和Cu析出強化鋼，其基本的成分體系為低Si和無Al，并且強調Ti-N最佳配比，從而減少MA島形成以及避免TiC脆化。日本制鐵提高HAZ韌性的主要措施包括降低HAZ硬度、減少脆化相以及HAZ晶粒細化。見表2。

表2 日本制鐵提高HAZ韌性的基本思路

（3）POSCO公司

韓國POSCO的基本思路包括：（1）通過夾雜物形成致密的針狀鐵素體，同時抑制MA產生；（2）減少C、Si、Mn、Mo、Als、Nb等元素的添加量，減少MA產生；（3）加入Ni確保低溫韌性；（4）焊后將HAZ再加熱至200℃～650℃，降低硬度。

2.3 國外CTOD 海工鋼研發實例

國外鋼鐵公司研發500MPa級、保證焊接接頭-10℃CTOD性能的海工鋼的典型化學成分（2-3）、力學性能見表3、表4。JFE開發的500MPa級CTOD海工鋼的焊接性能見表5。

表3 國外鋼鐵公司500MPa級CTOD海工鋼典型化學成分

表4 國外鋼鐵公司500MPa級CTOD海工鋼典型力學性能

表5 JFE鋼鐵公司500MPa級CTOD海工鋼焊接性能

3. CTOD特性優良海工鋼的發展方向

3.1 CTOD 海工鋼的發展特點

（1）品種系列化

從CTOD供貨和研發情況看，國外CTOD特性海洋平臺用鋼板可成系列供貨，先進鋼鐵公司焊接接頭CTOD溫度-10～-40℃的海工鋼均可實現批量供貨。

（2）獨特的焊接熱影響區韌化技術

國外鋼鐵企業都開發了自己獨有的焊接熱影響區韌化技術，如JFE公司的JFE-EWEL技術和新日鐵公司的HTUFF技術等，在先進的TMCP技術的驅使下，實現了焊接接頭優良的韌性。

（3）國內外差距明顯

近年來，我國在海工裝備用鋼的生產方面取得了很大的進步，國產海工裝備用鋼被廣泛采用。CTOD特性優良的海工鋼的研究也越來越多，也形成了自己獨有的技術特點。但無論從供貨的系列化、產品性能穩定性以及實際應用角度，國內外同類產品還存在一定的差距。也沒有類似國外鋼鐵企業的系統性理論研究。日本制鐵、JFE目前均已經成功開發出符合NORSOK標準的500MPa級CTOD-10℃的低溫韌性海工鋼，處于世界領先地位。

3.2 研發發展方向

CTOD特性海洋工程用鋼的具體研究方向體現在以下方面：

（1）研發向更高強度級別（550MPa以上）、更大厚度（100mm以上）、更低溫度（-40℃以下）方向發展，并且隨著鋼板厚度的不斷提高，沿板厚方向性能的均勻性成為研發重點，以確保海洋結構安全服役。

（2）研發從元素偏析、夾雜物形態和數量控制向鋼板全厚度顯微組織研究轉變，在不增加貴重合金元素（如Cu、Ni、Mo等）前提下，通過合金組合設計優化和革新的TMCP工藝技術獲得更好的組織匹配，從而得到更高的強韌性和更優良的焊接性。

（3）確保CTOD性能的前提下，具備止裂性等復合性能，并可實現大線能量焊接。

4. 結語

海洋油氣開發由淺水區向深水區，由常規溫和環境向極地高寒環境發展，推動了海洋石油平臺的不斷升級換代，對具有良好CTOD特性的低溫韌性海洋工程用鋼的需求量將不斷增加，CTOD特性鋼作為海洋工程用鋼的重要品種，也將成為未來幾年國內鋼鐵企業重點研發和生產的產品。