高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用鋼在海洋工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究

王 飛 高爾維

中海油田服務(wù)股份有限公司 河北廊坊 065201

高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用鋼是現(xiàn)代社會(huì)工程建設(shè)中應(yīng)用的一種主要材料，具有強(qiáng)度高、韌性好的特點(diǎn)。海洋工程中應(yīng)用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用鋼不僅是海洋工程建設(shè)的必然需求，同時(shí)也是海洋工程質(zhì)量提升的主要途徑。海洋工程建設(shè)與陸地工程建設(shè)有所不同，海洋中結(jié)構(gòu)所承受外力，所處環(huán)境不同，尤其是風(fēng)力作用較大，海水腐蝕比較嚴(yán)重，都影響到了海洋工程穩(wěn)定性，所以采用更高強(qiáng)度的鋼材，能夠有效地提升海洋工程結(jié)構(gòu)質(zhì)量，提升海洋工程使用壽命，對(duì)于我國(guó)海洋探索以及海洋科技開發(fā)都有關(guān)鍵的作用。

1 高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用鋼材料

高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用鋼具有良好的焊接性能，塑性，韌性和加工工藝性，較好的耐蝕性，同時(shí)在較高強(qiáng)度的性能之下，高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼在應(yīng)用過程中，冷脆的轉(zhuǎn)換溫度也比較低，從而使高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用鋼材料的使用壽命增加。在當(dāng)前，高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用鋼材料主要包括Q295、Q345、Q390、Q420、Q460 以及Q500 等。不同的高強(qiáng)度鋼材性能不同，同時(shí)應(yīng)用方向也有所不同。例如，Q345（16Mn）具有良好的綜合力學(xué)性能、低溫沖擊韌性、冷沖壓、切削加工性、焊接性能等，但缺口敏感性較大，廣泛用于受動(dòng)荷載作用的焊接結(jié)構(gòu)，如橋梁、車輛、船舶、管道、鍋爐、大容器、油罐、重型機(jī)械設(shè)備，礦山機(jī)械和－40℃低溫壓力容器。再如，Q420 鋼材也適合應(yīng)用與大型船舶、海洋橋梁以及海洋工程建設(shè)，對(duì)于海洋工程建設(shè)有重要的意義。

2 高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用鋼在海洋工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用探討

2.1 必要性

海洋資源豐富，以北冰洋為例，蘊(yùn)藏資源超過2000億噸油氣。所以，在陸地資源瀕臨枯竭的背景之下，資源探測(cè)開采開始進(jìn)入到海洋領(lǐng)域。所以，現(xiàn)代海洋工程逐漸增加，而海洋工程建設(shè)中，鋼筋材料又是不可或缺的材料。在海洋工程中，海洋工程平臺(tái)基建，海洋船舶建造、海洋油氣開發(fā)管道等材料都是鋼筋材料，所以在海洋工程建設(shè)過程中，繼續(xù)使用高強(qiáng)度鋼材。海洋工程建設(shè)過程中，對(duì)于鋼材的屈服強(qiáng)度要求非常高。主要原因是海洋環(huán)境特殊，海洋風(fēng)浪較大，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)臺(tái)風(fēng)等高強(qiáng)度災(zāi)害，同時(shí)海水作用力較強(qiáng)，也給傳統(tǒng)鋼材帶來(lái)挑戰(zhàn)。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)分析顯示，海洋工程固定式平臺(tái)結(jié)構(gòu)對(duì)鋼材到屈服強(qiáng)度要求為355MPa、420MPa 及690MPa，普通鋼材難以達(dá)到強(qiáng)度要求，所以使用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼非常重要。

2.2 重要意義

從工程本身而言，其作用是提升了海洋工程結(jié)構(gòu)的使用壽命。論述中體積，高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用鋼的耐蝕性、強(qiáng)度性能都全面優(yōu)于普通鋼材，所以其應(yīng)用于海洋工程結(jié)構(gòu)當(dāng)中，就具有耐久性優(yōu)勢(shì)，給予海洋工程更高強(qiáng)度的保護(hù)作用。從海洋工程角度而言，采用高強(qiáng)度鋼，提升了海洋工程的強(qiáng)度和使用壽命，對(duì)于后續(xù)的海洋資源開發(fā)以及海洋工程建設(shè)也有重要的意義。

3 高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用鋼在海洋工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用方向

海洋領(lǐng)域擁有著廣闊的空間資源，所以海洋工程建設(shè)非常必要，我國(guó)海洋資源也非常豐富，在海洋工程建設(shè)過程中，采用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用鋼，有利于海洋工程質(zhì)量提高。在當(dāng)前，高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用鋼已經(jīng)廣泛應(yīng)用于海洋工程建設(shè)中，以下是對(duì)海洋工程結(jié)構(gòu)中高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的具體應(yīng)用。

3.1 海洋船體結(jié)構(gòu)用鋼

海洋工程建設(shè)中，海洋船舶也是工程使用船只非常關(guān)鍵，主要作用包括科學(xué)考察、運(yùn)輸物資等，所以在海洋工程建設(shè)中，相關(guān)專家也提出了采用高強(qiáng)度用鋼建造船只的思路，以提升海洋船舶質(zhì)量。如，現(xiàn)代海洋船舶船體結(jié)構(gòu)建造過程中，也使用四中級(jí)別的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，鋼材的屈服強(qiáng)度（不小于235N/ mm2）和抗拉強(qiáng)度（400～520N/ mm2）一樣。另外，高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)施工過程中，也設(shè)計(jì)了A、D、E、F1 等不同的級(jí)別。當(dāng)前，在海洋船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用過程中，EQ56 是常見的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用鋼材料，同時(shí)也包括EQ56- Z15、EQ56- 125 等。該高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼材料應(yīng)用過程中，抗拉強(qiáng)度為798MPa、屈服強(qiáng)度達(dá)到579MPa、延伸率為17，非常適合應(yīng)用于海洋船舶制造。

3.2 海洋工程平臺(tái)結(jié)構(gòu)用鋼

海洋工程平臺(tái)結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代海洋工程建設(shè)中非常重要的結(jié)構(gòu)，也是海洋工作開展，海洋探索作業(yè)的特殊場(chǎng)所，與海洋船舶相比，海洋平臺(tái)的使用具有時(shí)間的長(zhǎng)的特點(diǎn)。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)研究表示，海洋平臺(tái)的服役使用時(shí)間比海洋船舶的使用時(shí)間多1/ 2 以上，所以要求海洋工程平臺(tái)結(jié)構(gòu)用鋼質(zhì)量性能要比船只結(jié)構(gòu)鋼性能更高。在海洋工程建設(shè)過程中，要求海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)用鋼其抗沖擊屈服強(qiáng)度應(yīng)該在690MPa 以上，同時(shí)平臺(tái)的鋼下部分要與海水直接聯(lián)系，所以其下部分結(jié)構(gòu)鋼材在使用過程中，要求具有更優(yōu)化的抗腐蝕性能，以確保平臺(tái)的使用壽命。如，當(dāng)前適合應(yīng)用于海洋平臺(tái)工程的高強(qiáng)度用鋼材料主要包括AQ51、DQ51、EQ51、EQ56、EQ63 等不同級(jí)別鋼材，不同級(jí)別鋼材的良好使用，適合不同的平臺(tái)位置，對(duì)于海洋平臺(tái)工程建設(shè)也有重要的意義。

3.3 海底管線中高強(qiáng)度用鋼

海底管線也是海洋工程建設(shè)的重要組成部分，在海上油氣開發(fā)過程中，管線的應(yīng)用十分重要，承擔(dān)著油氣資源的承載和傳輸作用，管線鋼材的設(shè)計(jì)應(yīng)用符合海洋區(qū)域內(nèi)的壓力和沖擊力情況，具有良好的耐腐蝕以及抗沖擊能力，才能夠提升海底管線的使用壽命，也能夠有效地預(yù)防海底管線泄露等問題。高強(qiáng)度用鋼材料的耐腐蝕性正適合應(yīng)用與海底管線工程建設(shè)。同時(shí)，也要高強(qiáng)度鋼材具有良好的水滴焊接能力。如，現(xiàn)代海底管線研發(fā)中，應(yīng)用的鐵素體X70 級(jí)別管線鋼材，就是一種新研發(fā)的海底管線高強(qiáng)度鋼材料，該材料在設(shè)計(jì)過程中采用超低碳元素設(shè)計(jì)理念，從而提升了鋼材的焊接性能，碳元素應(yīng)用量減少，也提升了鋼材的韌性，確保鋼材的使用更加合理。另外，在X70鋼材料中，也增加了Nb、Ti 等微合金化材料，提升了鋼材的本身強(qiáng)度。在對(duì)該型號(hào)高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用鋼采用實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)計(jì)算該鋼材的屈服強(qiáng)度在490MPa 以上，抗拉強(qiáng)度在580MPa 之上，滿足了海底管線的抗壓強(qiáng)度需求，有利于海底管線工程高質(zhì)量施工。

3.4 海洋工程設(shè)備結(jié)構(gòu)用鋼

海洋工程建設(shè)中，海洋工程設(shè)備應(yīng)用十分關(guān)鍵，對(duì)于海洋工程建設(shè)也有非常重要的作用。如，在海洋工程中，鉆井船、固定式鉆井平臺(tái)。海洋工程設(shè)備使用關(guān)系到海洋開采，在工程建設(shè)過程中，也需要采用良好的鋼材料，提升設(shè)備的防腐性能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)設(shè)備自身防護(hù)能力升級(jí)。如，在現(xiàn)代海洋工程設(shè)備鋼材使用過程中，主要使用EQ420/ 460/ 500 等多種型號(hào)用鋼，該型號(hào)用鋼具有較高的抗壓強(qiáng)度，同時(shí)抗腐蝕性能強(qiáng)，有利于海洋工程設(shè)備結(jié)構(gòu)的使用壽命提升。

4 案例分析

在某海洋井場(chǎng)開發(fā)項(xiàng)目中，就十分注重高強(qiáng)度用鋼材料的使用，該工程建設(shè)中，主要包括海洋半潛式鉆井平臺(tái)、FPSO、以及水下井口等多種結(jié)構(gòu)，以下是該開發(fā)項(xiàng)目中高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用鋼的具體應(yīng)用要點(diǎn)。

4.1 結(jié)構(gòu)用鋼的主要特點(diǎn)

對(duì)于不同結(jié)構(gòu)物特點(diǎn)，鋼材的使用至關(guān)重要，其鋼材結(jié)構(gòu)的應(yīng)用呈現(xiàn)出以下幾個(gè)特點(diǎn)：高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用鋼采用多規(guī)范以及多級(jí)別的用鋼。根據(jù)海洋工程的建設(shè)需求，應(yīng)用了不同的高強(qiáng)度鋼材料，鋼材使用要求符合ASTM 標(biāo)準(zhǔn)、API 規(guī)范、EN 規(guī)范。高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用鋼要求比較嚴(yán)格，同時(shí)要求更為細(xì)致。在工程建設(shè)過程中，對(duì)于高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用鋼的需求增加，在一定程度上關(guān)系到鋼材料的應(yīng)用質(zhì)量。在本次鋼材料應(yīng)用過程中，材料需求的厚度跨度非常大，最薄厚度需求為5mm、最厚鋼板需要180mm、屈服強(qiáng)度要求在40～80kg 之間，沖擊韌性也在－60℃。

4.2 高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用鋼的應(yīng)用

在本次海洋工程建設(shè)過程中，使用到型鋼種類非常多，主要包括API 系列產(chǎn)品、ASTM 系列鋼材以及EQ 系列鋼材。以下表1 為本次海洋工程建設(shè)中，高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼材的具體應(yīng)用情況。

表1 本項(xiàng)目高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼材的具體應(yīng)用 mm

4.3 項(xiàng)目所用鋼材特點(diǎn)分析

在該項(xiàng)目中，使用的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用鋼種類比較多，其中主要包括API 系列、ASTM 系列以及EQ 系列，以下是對(duì)鋼工程中，不同海洋工程鋼材使用情況分析[1]。

（1）API 系列高強(qiáng)度用鋼主要應(yīng)用與海底管線以及海洋結(jié)構(gòu)工程，該鋼材碳元素含量為0.07。屈服強(qiáng)度為433MPa、抗拉強(qiáng)度為548MPa、延伸率37%、時(shí)效沖擊為338/ 267、260/ 267、303/ 267。在本工程中，該級(jí)別材料主要應(yīng)用于制造浮箱和基座。

（2）ASTM 系列高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用鋼。該結(jié)構(gòu)用鋼主要應(yīng)用于FPSO 的建造。該鋼材碳元素含量為0.13。屈服強(qiáng)度為772MPa、抗拉強(qiáng)度為832MPa、延伸率22%、時(shí)效沖擊為268/ 267、260/ 267、303/ 267。同時(shí)，在本工程建設(shè)中，該型號(hào)鋼材使用主要包括88mm 和178mm 兩種厚度，該型號(hào)鋼材不僅應(yīng)用于海洋船舶制造，同時(shí)在水下設(shè)施的支撐結(jié)構(gòu)建造中也有應(yīng)用[2]。

（3）EQ 系列海洋船舶產(chǎn)品。EQ 系列高強(qiáng)度鋼材是現(xiàn)代海洋工程中常見的鋼材，該材料的性能非常優(yōu)越。在本工程，該類材料主要應(yīng)用于半潛式平臺(tái)船體結(jié)構(gòu)的建造中，主要包括EQ56 和EQ70 材料。其中EQ56 高強(qiáng)度鋼材使用厚度為50mm、屈服強(qiáng)度為736MPa、抗拉強(qiáng)度為772MPa、延伸率20%、時(shí)效沖擊為265/ 269、274/ 269、366/ 269。EQ70 高強(qiáng)度鋼材使用厚度為88mm、屈服強(qiáng)度為733MPa、抗拉強(qiáng)度為792MPa、延伸率19%、時(shí)效沖擊為218/ 233、240/ 233、241/ 233。兩種不同的材料，應(yīng)用于不同的結(jié)構(gòu)，對(duì)于該海洋工程的質(zhì)量提升有重要的意義。

5 結(jié)語(yǔ)

未來(lái)，海洋領(lǐng)域?qū)⑹鞘澜缳Y源開發(fā)的重要領(lǐng)域，對(duì)于社會(huì)發(fā)展和進(jìn)步有非常關(guān)鍵的作用。而在海洋工程建設(shè)中，使用高強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)能夠提升海洋工程質(zhì)量，對(duì)于后續(xù)的海洋工程發(fā)揮作用有重要的意義。希望能夠?qū)Ｑ蠊こ探Y(jié)構(gòu)建設(shè)中，高強(qiáng)度用鋼的應(yīng)用有所幫助。