高強度結構用鋼在海洋工程結構中的應用研究

王飛

（中海油田服務股份有限公司，河北 廊坊 065201）

高強度結構用鋼是現代社會工程建設中應用的一種主要材料，具有強度高、韌性好的特點。海洋工程中應用高強度結構用鋼，不僅是海洋工程建設的必然需求，同時也是海洋工程質量提升的主要途徑。海洋工程建設與陸地工程建設有所不同，海洋中結構所承受外力，所處環境不同，尤其是風力作用較大，海水腐蝕比較嚴重，都影響海洋工程穩定性，所以采用更高強度的鋼材，能夠有效地提升海洋工程結構質量，提升海洋工程使用壽命，對于我國海洋探索以及海洋科技開發都有關鍵的作用。

1 高強度結構用鋼材料

高強度結構用鋼材料是現代鋼筋材料的主要種類，是現代鋼筋材料的新研發。高強度結構用鋼是一種低合金鋼材料，是在傳統鋼材基礎上研發的新型鋼筋材料，該材料與傳統鋼材相比，具有更優的性能。

高強度結構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，同時在較高強度的性能之下，高強度結構鋼在應用過程中，冷脆的轉換溫度也比較低，從而使高強度結構用鋼材料的使用壽命增加。在當前，高強度結構用鋼材料主要包括Q295、Q345、Q390、Q420、Q460 以及Q500 等。不同的高強度鋼材性能不同，同時應用方向也有所不同。例如，Q345（16Mn）具有良好的綜合力學性能、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，廣泛用于受動荷載作用的焊接結構，如橋梁、車輛、船舶、管道、鍋爐、大容器、油罐、重型機械設備，礦山機械和－40℃低溫壓力容器。再如，Q420 鋼材也適合應用與大型船舶、海洋橋梁以及海洋工程建設，對于海洋工程建設有重要的意義。

2 高強度結構用鋼材料在海洋工程結構中的應用探討

高強度結構用鋼材料在海洋工程結構中應用，對于海洋工程建設有重要的意義，以下是從必要性、作用等角度分析海洋工程中應用高強度結構用鋼。

（1）海洋工程建設過程中應用高強度型鋼具有必要性。其一，海洋資源豐富，以北冰洋為例，蘊藏資源超過2000 億噸油氣。所以，在陸地資源瀕臨枯竭的背景之下，資源探測開采開始進入海洋領域。所以，現代海洋工程逐漸增加，而海洋工程建設中，鋼筋材料又是不可或缺的材料。在海洋工程中，海洋工程平臺基建，海洋船舶建造、海洋油氣開發管道等材料都是鋼筋材料，所以在海洋工程建設過程中，繼續使用高強度鋼材。其二，海洋工程建設過程中，對于鋼材的屈服強度要求非常高。主要原因是我國沿海受臺風影響較大，極端海況時有發生，這就要求結構物具有較大的極限強度和冗余。據相關數據分析顯示，海洋移動平臺結構可分為主要結構、次要結構和特殊結構，其中主要結構和特殊結構對整體安全性起主要作用，一般要求鋼材屈服強度達到355MPa、420MPa 以及690MPa，普通鋼材難以達到強度要求。

（2）海洋工程建設結構用鋼采用剛強度結構鋼具有重要的意義。其一，從工程本身而言，其作用是提升了海洋工程結構的使用壽命。高強度結構用鋼的耐蝕性、強度性能都全面優于普通鋼材，所以其應用于海洋工程結構當中，就具有耐久性優勢，給予海洋工程更高強度的保護作用。其二，從海洋工程角度而言，采用高強度鋼，提升了海洋工程的強度和使用壽命，對于后續的海洋資源開發以及海洋工程建設也有重要的意義。

3 高強度結構用鋼在海洋工程結構中的應用方向

海洋領域擁有著廣闊的空間資源，所以海洋工程建設非常必要，我國海洋資源也非常豐富，在海洋工程建設過程中，采用高強度結構用鋼，有利于海洋工程質量提高。當前，高強度結構用鋼已經廣泛應用于海洋工程建設中，以下是對海洋工程結構中高強度結構鋼的具體應用。

3.1 海洋船體結構用鋼

海洋工程建設中，海洋船舶也是工程使用船只非常關鍵，主要作用包括科學考察、運輸物資等，所以在海洋工程建設中，相關專家也提出了采用高強度用鋼建造船只的思路，以提升海洋船舶質量。現代海洋船舶船體結構建造過程中，通常采用A、D、E、F 四種不同級別的鋼材。當前，在海洋船體結構設計應用過程中，EQ56是常見的高強度結構用鋼材料，同時也包括EQ56-Z15、EQ56-125 等。該高強度結構鋼材料應用過程中，抗拉強度為798MPa、屈服強度達到579MPa、延伸率為17，非常適合應用于海洋船舶制造。

3.2 海洋工程平臺結構用鋼

海洋工程平臺結構是現代海洋工程建設中非常重要的結構，也是海洋工作開展，海洋探索作業的特殊場所，與海洋船舶相比，海洋平臺的使用具有時間長的特點。據相關數據研究表示，海洋平臺的服役使用時間比海洋船舶的使用時間多1/2 以上，所以要求海洋工程平臺結構用鋼質量性能要比船只結構鋼性能更高。在海洋工程建設過程中，要求海洋平臺結構用鋼其抗沖擊屈服強度應該在690MPa 以上，同時平臺的鋼下部分要與海水直接聯系，所以其下部分結構鋼材在使用過程中，要求具有更優化的抗腐蝕性能，以確保平臺的使用壽命。如當前適合應用于海洋平臺工程的高強度用鋼材料主要包括AQ51、DQ51、EQ51、EQ56、EQ63 等不同級別鋼材，不同級別鋼材的良好使用，適合不同的平臺位置，對于海洋平臺工程建設也有重要的意義。

3.3 海底管線中高強度用鋼材料的應用

海底管線也是海洋工程建設的重要組成部分，在海上油氣開發過程中，管線的應用十分重要，承擔著油氣資源的承載和傳輸作用，管線鋼材的設計應用符合海洋區域內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，也能夠有效地預防海底管線泄露等問題。高強度用鋼材料的耐腐蝕性正適合應用與海底管線工程建設。同時，也要高強度鋼材具有良好的水滴焊接能力。如現代海底管線研發中，應用的鐵素體X70 級別管線鋼材，就是一種新研發的海底管線高強度鋼材料，該材料在設計過程中采用超低碳元素設計理念，從而提升了鋼材的焊接性能，碳元素應用量減少，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度。在對該型號高強度結構用鋼采用實驗過程中，實驗計算該鋼材的屈服強度在490MPa 以上，抗拉強度在580MPa 上，滿足了海底管線的抗壓強度需求，有利于海底管線工程高質量施工。

4 案例分析

在海洋工程結構建設過程中，不同結構對于高強度結構用鋼材料的應用需求不同，在具體的工程建設好，應該滿足相關的鋼材使用規范，同時根據區域內的環境情況，設計使用不同的高強度結構用鋼。在某海洋井場開發項目中，就十分注重高強度用鋼材料的使用，該工程建設中，主要包括海洋半潛式鉆井平臺、FPSO、以及水下井口等多種結構，以下是該開發項目中高強度結構用鋼的具體應用要點。

4.1 某開發項目中結構用鋼的主要特點分析

對于不同結構物特點，鋼材的使用至關重要，其鋼材結構的應用呈現出以下幾個特點。

（1）高強度結構用鋼采用多規范以及多級別的用鋼。根據海洋工程的建設需求，應用了不同的高強度鋼材料，鋼材使用要求符合ASTM 標準、API 規范、EN 規范。

（2）高強度結構用鋼要求比較嚴格，同時要求更為細致。在工程建設過程中，對于高強度結構用鋼的需求增加，在一定程度上關系到鋼材料的應用質量。在本次鋼材料應用過程中，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、屈服強度要求在400 ～800MPa 之間，沖擊韌性測試溫度為-60℃。

4.2 該項目中高強度結構用鋼的應用分析

在本次海洋工程建設過程中，使用到型鋼種類非常多，主要包括API 系列產品、ASTM 系列鋼材以及EQ 系列鋼材。以表1 為本次海洋工程建設中，高強度結構鋼材的具體應用情況。

表1 高強度結構鋼材型號列表

4.3 項目所用鋼材特點分析

在該項目中，使用的高強度結構用鋼種類比較多，其中主要包括API 系列、ASTM 系列以及EQ 系列，以下是對鋼工程中，不同海洋工程鋼材使用情況分析。

（1）API 系列高強度用鋼主要應用與海底管線以及海洋結構工程，該鋼材碳元素含量為0.07。屈服強度為433MPa、抗拉強度為548MPa、延伸率37%、屈服強度與比83%、時效沖擊為338/267、260/267、303/267。在本工程中，該級別材料主要應用于制造浮箱和基座。

（2）ASTM 系列高強度結構用鋼。該結構用鋼主要應用于FPSO 的建造。該鋼材碳元素含量為0.13。屈服強度為772MPa、抗拉強度為832MPa、延伸率22%、時效沖擊為268/267、260/267、303/267。同時，在本工程建設中，該型號鋼材使用主要包括88mm 和178mm 兩種厚度，該型號鋼材不僅應用于海洋船舶制造，同時在水下設施的支撐結構建造中也有應用。

（3）EQ 系列海洋船舶產品。EQ 系列高強度鋼材是現代海洋工程中常見的鋼材，該材料的性能非常優越。在本工程，該類材料主要應用于半潛式平臺船體結構的建造中，主要包括EQ56 和EQ70 材料。

①EQ56 高強度鋼材使用厚度為50mm、屈服強度為736MPa、抗拉強度為772MPa、延伸率20%、時效沖擊為265/269、274/269、366/269。

②EQ70 高強度鋼材使用厚度為88mm、屈服強度為733MPa、抗拉強度為792MPa、延伸率19%、時效沖擊為218/233、240/233、241/233。兩種不同的材料，應用于不同的結構，對于該海洋工程的質量提升有重要的意義。

5 高強度結構用鋼在海洋工程中的應用工藝

高強度結構用鋼在海洋工程中應用十分關鍵。在海洋工程建設中，不僅需要合理地使用鋼材料，還需要對施工工藝進行有效的把控。控制各項工藝要點，實現鋼材料的全過程應用控制。高強度鋼材的焊接必須具備船級社認可的焊接工藝，同時對焊接過程把控要求相當嚴格，包括焊材和焊接儀器的選擇、電壓電流的限制、焊接人員的技術、保溫溫度和時間等。在完成焊接后，需要對焊接質量進行檢查，確保不存在焊接缺陷。

6 結語

按照國家發展海洋強國的戰略指引，海洋領域將是資源開發的重點領域，對于社會發展和進步有非常關鍵的作用。而在海洋工程建設中，使用高強度鋼結構能夠提升海洋工程質量，對于后續的海洋工程發揮作用有重要的意義。希望本文能夠對海洋工程結構建設中高強度用鋼的應用有所幫助。