海洋工程用鋼品種開發(fā)(楊才福)

1、船舶海洋工程用鋼的發(fā)展船舶海洋工程用鋼的發(fā)展楊才福楊才福鋼鐵研究總院鋼鐵研究總院先進(jìn)鋼鐵材料技術(shù)國家工程研究中心先進(jìn)鋼鐵材料技術(shù)國家工程研究中心海洋工程用鋼產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟海洋工程用鋼產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟內(nèi)容提要內(nèi)容提要1. 船舶海洋工程用鋼發(fā)展需求船舶海洋工程用鋼發(fā)展需求2. 關(guān)鍵品種技術(shù)的研究開發(fā)工作關(guān)鍵品種技術(shù)的研究開發(fā)工作 大線能量焊接用鋼大線能量焊接用鋼 耐腐蝕油船用鋼耐腐蝕油船用鋼 止裂船板止裂船板 低溫用鋼低溫用鋼3. “十三五十三五”規(guī)劃規(guī)劃中國海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展 國家戰(zhàn)略：國家戰(zhàn)略： 2012-9-16:國務(wù)院全國海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展“十二五”規(guī)劃 中國制造中國制造2025：十大領(lǐng)域

2、：十大領(lǐng)域 航空航天、海洋工程海洋工程、軌道交通“走向深藍(lán)走向深藍(lán)”的的海海洋經(jīng)濟(jì)洋經(jīng)濟(jì)是我國經(jīng)濟(jì)是我國經(jīng)濟(jì)的的“藍(lán)色引擎藍(lán)色引擎”南海是南海是“海上海上絲綢之路絲綢之路”戰(zhàn)戰(zhàn)略的重點(diǎn)略的重點(diǎn)中國造船業(yè)的發(fā)展中國造船業(yè)的發(fā)展2014年指標(biāo)數(shù)量萬噸份額%完工量 3905 41.7新接訂單5995 50.5手持訂單14890 47.1中國造船用鋼發(fā)展中國造船用鋼發(fā)展1. 產(chǎn)能迅速擴(kuò)展，滿足船舶行業(yè)發(fā)展需求，產(chǎn)能過剩產(chǎn)能過剩2. 品種規(guī)格系列配套 品種、規(guī)格系列化 高強(qiáng)度船板如36、40公斤級大量應(yīng)用3. 品種、質(zhì)量差距 表面質(zhì)量、尺寸工差 特種船舶（LNG、化學(xué)品） 新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求（耐蝕油輪鋼、

3、集裝箱止裂板） 焊接性差距大海工用鋼技術(shù)現(xiàn)狀l 國內(nèi)外對比：國內(nèi)外對比： 我國海工用特種鋼品種的國產(chǎn)化率不到我國海工用特種鋼品種的國產(chǎn)化率不到40%，390-690MPa級高強(qiáng)度關(guān)鍵品種主要依賴進(jìn)口。級高強(qiáng)度關(guān)鍵品種主要依賴進(jìn)口。材料類型材料類型國外水平國外水平國內(nèi)現(xiàn)狀國內(nèi)現(xiàn)狀高強(qiáng)厚板F420-890，厚10-256mm，易焊接E36-690，10-127mm，E420以上基本進(jìn)口高強(qiáng)支撐管X100等級，最大壁厚80mmX80等級，最大壁厚30mm，X100全部進(jìn)口深海管線X80等級，最大壁厚44mmX70，最大壁厚32mm，高強(qiáng)空白深海隔水管X80等級，高抗疲勞空白，全部進(jìn)口海洋工程用海洋工

4、程用鋼需求、差距與問題鋼需求、差距與問題序號類型名稱鋼材用量（噸）典型材料備注1固定式平臺淺水導(dǎo)管架平臺(F-P)3000E36強(qiáng)度低、焊接施強(qiáng)度低、焊接施工效率差工效率差2深水導(dǎo)管架平臺(BSP)3000-35000E364移動式平臺自升式平臺(Jack-Up)4000E/F550高強(qiáng)度、大厚度高強(qiáng)度、大厚度依賴進(jìn)口依賴進(jìn)口9500E/F69011000E/F6905半潛式平臺（Semi）30000E36工作海深工作海深差距大6張力腿平臺（TLP）國內(nèi)空白國內(nèi)空白7柱筒式平臺（Spar）國內(nèi)很少國內(nèi)很少9浮式生產(chǎn)儲油船（FPSO）50000E36強(qiáng)度升級10油氣船儲運(yùn)船超大型油輪（VLCC）

5、40000D32耐腐蝕船舶耐腐蝕船舶11液化天然氣船（LNG）30000E369Ni、InVar進(jìn)口進(jìn)口12化學(xué)品船1000-20000E36、2205雙相不銹鋼海洋工程用鋼技術(shù)特點(diǎn)海洋工程用鋼技術(shù)特點(diǎn) 高高強(qiáng)強(qiáng)度、度、大大規(guī)格規(guī)格 （256mm厚鋼板）厚鋼板） 易易焊焊接、高效率接、高效率 （大線能量焊接）（大線能量焊接） 高耐高耐蝕蝕、低成本、低成本 （耐海洋腐蝕）（耐海洋腐蝕）弦板弦板齒條板齒條板支撐管支撐管產(chǎn)品典型規(guī)格 (mm)屈服強(qiáng)度 (MPa)每平臺需求量 (噸)生產(chǎn)現(xiàn)狀齒條鋼127, 150, 180, 210,2596901000-2000150mm以上全面進(jìn)口弦板25,50,

6、85690300-1000全面進(jìn)口支撐管(273406)X(1760)550 690700-1500690MPa全面進(jìn)口配套焊材手工焊、埋弧焊等強(qiáng)60-150全面進(jìn)口海洋工程用鋼重大技術(shù)需求海洋工程用鋼重大技術(shù)需求（1）高強(qiáng)度、大規(guī)格）高強(qiáng)度、大規(guī)格導(dǎo)管架平臺是目前使用最多的采油平臺；世界最大的導(dǎo)管架平臺單重超過40000噸，使用水深超過460米。導(dǎo)管架平臺用鋼厚度普遍在60-80mm，最大130mm，焊接占到建造總工時的40%、總成本的50%。僅焊接一個節(jié)點(diǎn)就需要2-3月。平臺鋼厚板實(shí)現(xiàn)100-200kJ/cm以上大線能量焊接，可成倍提高焊接效率，并降低制造成本，意義十分重大。導(dǎo)管架導(dǎo)管架上

7、部模塊海洋工程用鋼重大技術(shù)需求海洋工程用鋼重大技術(shù)需求 （2）易焊接、高效率）易焊接、高效率海洋腐蝕環(huán)境特別是近海岸腐蝕環(huán)境極為惡劣海洋腐蝕環(huán)境特別是近海岸腐蝕環(huán)境極為惡劣鋼在海岸的腐蝕比沙漠中大鋼在海岸的腐蝕比沙漠中大400倍以上，在距離海岸倍以上，在距離海岸24米時比距離海米時比距離海岸岸240米的腐蝕快米的腐蝕快12倍；倍；南海因其高濕熱、強(qiáng)輻射、高南海因其高濕熱、強(qiáng)輻射、高Cl-環(huán)境腐蝕性更強(qiáng)，裝備維環(huán)境腐蝕性更強(qiáng)，裝備維護(hù)十分困難，成本很高。護(hù)十分困難，成本很高。16年大氣暴露試驗，碳素鋼在南海萬寧的腐蝕速率是武漢的年大氣暴露試驗，碳素鋼在南海萬寧的腐蝕速率是武漢的20倍、倍、青島的

8、青島的5倍；倍；現(xiàn)有耐候鋼在南海均出現(xiàn)腐蝕速率先低后高，現(xiàn)有耐候鋼在南海均出現(xiàn)腐蝕速率先低后高，n值大于值大于1的異常現(xiàn)象的異?，F(xiàn)象.海洋工程用鋼重大技術(shù)需求海洋工程用鋼重大技術(shù)需求 （3）高耐蝕、低成本）高耐蝕、低成本內(nèi)容提要內(nèi)容提要1. 船舶海洋工程用鋼發(fā)展需求船舶海洋工程用鋼發(fā)展需求2. 關(guān)鍵品種技術(shù)的研究開發(fā)工作關(guān)鍵品種技術(shù)的研究開發(fā)工作 大線能量焊接用鋼大線能量焊接用鋼 耐腐蝕油船用鋼耐腐蝕油船用鋼 止裂船板止裂船板 低溫用鋼低溫用鋼3. “十三五十三五”規(guī)劃規(guī)劃船舶海工用鋼大線能量焊接技術(shù)船舶海工用鋼大線能量焊接技術(shù)GEVWElectro-slag WeldHeat input,

9、KJ/cmThickness, mmu 焊接占焊接占 40%制造成本制造成本Ti-Mg鋼鋼Ti-Mg, 0.7mAl，2.2m大線能量焊接用鋼技術(shù)大線能量焊接用鋼技術(shù)Microstructures of the CGHAZ at t8/5 =180sV-Ti-N microalloyingBetter CGHAZ toughness (t8/5 time longer than 100s. )Microstructure:V-N-Ti steel: more than 80% is FerriteNb-Ti and V-Ti steel: the coarse bainitic microst

10、ructure.100kJ/cmV-Ti-N Steel氮含量對大線能量焊接氮含量對大線能量焊接HAZ韌韌性影響性影響0 50 100 150 200 250 300 0.0044 0.0094 0.0140 0.0190 0.0240 Akv, -20oCN, %05010015020025030035040060100140180220260300340Akv, -20, Jt8/5, sV-94ppmNV-140ppmNV-190ppmNTp=1350Cx1s, t8/5=180sTp=1350Cx1s, t8/5=100-300sBased Metal: 0.08C-1.20Mn-0.

11、2Si- 0.012Ti-0.06V N=44-240ppmEffect of N on CGHAZ Microstructure0.0044%N 0.0094%N 0.0140%N 0.0190%N 0.0240%N Tp=1350C x 1s, t8/5=180sQuantitative Analysis for CGHAZ Microstructure FS: Ferrite with Second phaseFSP: Ferrite Side PlateAF: Acicular FerritePF: Polygonal Ferrite Quantitative Analysis for

12、 CGHAZ Microstructure V-Ti Precipitates in the As-Rolled PlatesTi-rich particles in hot rolled plate are significantly refined with the increasing of N content from 94 ppm to 190 ppm01020304050600 10 20 30 40 50 60 70 80 90100110120130Frequency,%Equivalent diameter,nmAverage size:44.5nm94 ppm Nitrog

13、en01020304050600 10 20 30 40 50 60 70 80 90100110120130Frequency,%Equivalent diameter, nmAverage size:26.6nm190 ppm Nitrogen0102030405060010 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120130Frequency,%Equivalent diameter,nmAverage size:75.9nm94 ppm NV-Ti Precipitates at Peak Temp during welded simulation01020304

14、05060010 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120130Frequency,%Equivalent diameter, nmAverage size:29.6nm190 ppm N01020304050600 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120130Frequency,%Equivalent diameter, nmAverage size:20.9nm190 ppm Nitrogen01020304050600 10 20 30 40 50 60 70 80 90100110120130Frequency,%Equiva

15、lent diameter, nmAverage size:32.5nm94 ppm NitrogenV-Ti Precipitates at CGHAZ More finer TiV(C,N) particles in high N190 ppm as-rolled steel. The fine particles in the higher nitrogen steel are more stable at high temperature, resulting in finer austenite grain size in the CGHAZ. Increasing N promot

16、es TiV(C,N) precipitation in during cooling from Tp, and reduces the average particle size in the CGHAZ. 大線能量焊接海洋工程用大線能量焊接海洋工程用厚板工業(yè)試驗厚板工業(yè)試驗Mechanical PropertiestmmRm，MPaRp0.2, MPaA，%Z，%KV（-40）Bend N605453812875169goodH-1505343723478181H-2505233623580207Spec.490-6303552127CSiMnPSAlsNiCuTiVNbN CeqN0.1

17、60.161.600.012 0.003 0.0270.34-0.008 0.043 0.036 0.0040.46H-10.1470.281.550.009 0.001 0.036 0.005-0.011 0.074-0.0090.42H-20.1320.321.480.009 0.002 0.0350.240.250.012 0.050-0.0090.43焊接接頭低溫韌性焊接接頭低溫韌性Nb-V SteelH-1H-2Nb-V Steel: 10000TUE甲板和上甲板的艙口圍板甲板和上甲板的艙口圍板：高強(qiáng)度厚板，抗裂紋止裂性能三菱重工公司建造的三菱重工公司建造的“MOL ComfortM

18、OL Comfort”號號，（8000TEU8000TEU），），20132013年年6 6月月2 27 7日，在印度日，在印度洋遭遇事故斷成兩截洋遭遇事故斷成兩截為了為了提高大型集裝箱船特提高大型集裝箱船特厚鋼板的止裂性能，從厚鋼板的止裂性能，從2007年開始，年開始，日本日本NK船級社船級社聯(lián)聯(lián)合造船廠、鋼鐵公司、高校和研究機(jī)構(gòu)，發(fā)布合造船廠、鋼鐵公司、高校和研究機(jī)構(gòu)，發(fā)布了了脆性裂紋止裂設(shè)計指南脆性裂紋止裂設(shè)計指南。為了為了評估鋼板的止裂性能，評估鋼板的止裂性能，隨同發(fā)布隨同發(fā)布脆性脆性裂紋止裂韌性裂紋止裂韌性Kca測試測試方法方法國際國際船級社協(xié)會船級社協(xié)會(IACS) 2013年年1

19、月月發(fā)布發(fā)布UR W31 Application of YP47 steel plates，將，將Kca標(biāo)準(zhǔn)測試寫入標(biāo)準(zhǔn)測試寫入YP47鋼驗收鋼驗收要求要求同時同時發(fā)布的還有發(fā)布的還有UR S33 Requirement for use of extremely thick steel plates，于于2014年年1月實(shí)施月實(shí)施、基本、基本完全采用了完全采用了NK船級社的船級社的脆性裂紋止裂設(shè)計指南脆性裂紋止裂設(shè)計指南里里Kca 的測試方法和要求的測試方法和要求。目前目前該該Kca測試方法已經(jīng)測試方法已經(jīng)被被CCS、GL、ABS和和DNV等等各大船級社采用各大船級社采用。世界各國從2013年

20、后開發(fā)，加快了集裝箱船用止裂鋼的研發(fā)進(jìn)程。 止裂性能的提高途徑 提高鋼板的整體韌性水平，整體細(xì)晶化（提高有限）提高鋼板的整體韌性水平，整體細(xì)晶化（提高有限） 表面超細(xì)晶化，使剪切唇剪切唇的比例的比例增加，增加，使斷裂從平面應(yīng)使斷裂從平面應(yīng)變狀態(tài)向平面應(yīng)力狀態(tài)變狀態(tài)向平面應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變，提高止裂韌性（目前的研轉(zhuǎn)變，提高止裂韌性（目前的研究熱點(diǎn)之一）究熱點(diǎn)之一）返溫軋制工藝返溫軋制工藝 在在軋制過程中間中引入加速軋制過程中間中引入加速冷卻，使冷卻，使鋼板表層溫度鋼板表層溫度降到降到Ac1以下，控制返紅溫度進(jìn)以下，控制返紅溫度進(jìn)入入Ac1Ac3之間，然后進(jìn)行之間，然后進(jìn)行控制軋制使表層的晶粒得到控制軋

21、制使表層的晶粒得到細(xì)化細(xì)化 (a) 400 (b) 450(c) 500 (d)600(e) 650(f)700表層超細(xì)化工藝表層超細(xì)化工藝l 400600的范圍內(nèi)的范圍內(nèi)，都，都得到了超細(xì)晶得到了超細(xì)晶組織組織l 650 700時，晶粒明顯時，晶粒明顯長大長大l 為獲得表面超細(xì)晶，粗軋后為獲得表面超細(xì)晶，粗軋后表面迅速冷卻表面迅速冷卻到到600以下以下 顯微組織顯微組織工業(yè)試制工業(yè)試制SUF止裂鋼：止裂鋼：65mm厚厚細(xì)晶層厚度為細(xì)晶層厚度為57mm，平均等效直徑約，平均等效直徑約2m。SUFSUFSUF鋼表層(112)110，取向密度4.8TMCP鋼表層(110)001，取向密度24.6（

22、強(qiáng)烈的高斯織構(gòu)），不利于表面韌化的改善SUF鋼的韌脆轉(zhuǎn)化溫度比TMCP鋼低20左右通過通過SUF工藝，獲得兼具工藝，獲得兼具表面的超細(xì)晶和高韌性以表面的超細(xì)晶和高韌性以及整體良好強(qiáng)韌匹配的止及整體良好強(qiáng)韌匹配的止裂鋼板。裂鋼板。SUF止裂鋼表層止裂鋼表層TMCP止裂鋼表層止裂鋼表層 LNG, LEG, LPG用用5Ni、9Ni 鋼鋼p 我國LNG工業(yè)的發(fā)展對9Ni低溫鋼提出了迫切需求pLNG工廠pLNG儲罐pLNG運(yùn)輸船p LNG工業(yè)十二五規(guī)劃：9%Ni鋼需求數(shù)十萬噸，實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化意義重大，巨大的社會、經(jīng)濟(jì)效益9%Ni鋼超低溫韌化控制鋼超低溫韌化控制 開發(fā)了開發(fā)了QLTQLT工藝，獲得一次工藝，

23、獲得一次和二次馬氏體相間排布的細(xì)和二次馬氏體相間排布的細(xì)化組織化組織 產(chǎn)生產(chǎn)生8-16%8-16%穩(wěn)定的逆轉(zhuǎn)變奧穩(wěn)定的逆轉(zhuǎn)變奧氏體氏體 具有良好的具有良好的-196-196超低溫韌超低溫韌性和強(qiáng)韌匹配性和強(qiáng)韌匹配 工藝窗口拓寬，便于工業(yè)化工藝窗口拓寬，便于工業(yè)化批量穩(wěn)定生產(chǎn)批量穩(wěn)定生產(chǎn)國產(chǎn)化國產(chǎn)化9Ni鋼板的應(yīng)用鋼板的應(yīng)用5%Ni鋼國產(chǎn)化鋼國產(chǎn)化 LPG船上實(shí)際應(yīng)用 首批500噸正在供貨過程中，用于LPG船上一個4200m3半冷半壓乙烯液罐的建造 第二批1500噸，用于建造一個12000m3LPG船三個液罐的建造內(nèi)容提要內(nèi)容提要1. 船舶海洋工程用鋼發(fā)展需求船舶海洋工程用鋼發(fā)展需求2. 關(guān)鍵品

24、種技術(shù)研究開發(fā)工作關(guān)鍵品種技術(shù)研究開發(fā)工作 大線能量焊接用鋼大線能量焊接用鋼 耐腐蝕油船用鋼耐腐蝕油船用鋼 止裂船板止裂船板 低溫用鋼低溫用鋼3. “十三五十三五”規(guī)劃規(guī)劃“政產(chǎn)學(xué)研檢用政產(chǎn)學(xué)研檢用”結(jié)合結(jié)合實(shí)例實(shí)例：大型油：大型油船用耐蝕鋼項目船用耐蝕鋼項目聯(lián)盟成員單位，聯(lián)盟成員單位，31家家1. 用戶行業(yè)：用戶行業(yè)：中海油、中石油、中石化2. 海工制造企業(yè)：海工制造企業(yè)：中船工業(yè)、中船重工、海油工程、中集、巨濤3. 鋼鐵行業(yè)：鋼鐵行業(yè)：鞍鋼、舞陽、寶鋼、武鋼、首鋼、湘鋼、馬鋼、南鋼、天管、興澄特鋼、太鋼等4. 科研、高校：科研、高校：鋼研院、金屬所、北科大、東大5. 應(yīng)用研究：應(yīng)用研究：7

25、25所、611所、管材所6. 設(shè)計單位：設(shè)計單位：中海油研究 總院、中石化工程設(shè)計公司7. 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范：標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范：中國船級社、冶金標(biāo)準(zhǔn)院8. 行業(yè)協(xié)會和學(xué)會：行業(yè)協(xié)會和學(xué)會：中鋼協(xié)、中船協(xié)、造船學(xué)會跨行業(yè)合作平臺：跨行業(yè)合作平臺：政政-產(chǎn)產(chǎn)-學(xué)學(xué)-研研-檢檢-用用2014年年6月月14日，聯(lián)盟成立大會日，聯(lián)盟成立大會鋼鐵研究總院：聯(lián)盟理事長、秘書處鋼鐵研究總院：聯(lián)盟理事長、秘書處海洋工程用鋼產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟海洋工程用鋼產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟國家科技體制改革國家科技體制改革 中央財政科技計劃（專項、基金等）布局國家重點(diǎn)研發(fā)計劃國家科技重大專項國家自然科學(xué)基金技術(shù)創(chuàng)新引導(dǎo)專項（基金）基地和人才專項新材料專項：海工特種鋼及合金n