海洋工程用鋼品種開(kāi)發(fā)(楊才福)

船舶海洋工程用鋼的發(fā)展

楊才福

鋼鐵研究總院

先進(jìn)鋼鐵材料技術(shù)國(guó)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)盟內(nèi)容提要船舶海洋工程用鋼發(fā)展需求關(guān)鍵品種技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)工作大線能量焊接用鋼耐腐蝕油船用鋼止裂船板低溫用鋼“十三五”規(guī)劃中國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展國(guó)家戰(zhàn)略：2012-9-16:國(guó)務(wù)院《全國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展“十二五”規(guī)劃》中國(guó)制造2025：十大領(lǐng)域航空航天、海洋工程、軌道交通“走向深藍(lán)”的海洋經(jīng)濟(jì)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)的“藍(lán)色引擎”南海是“海上絲綢之路”戰(zhàn)略的重點(diǎn)中國(guó)造船業(yè)的發(fā)展2014年指標(biāo)數(shù)量萬(wàn)噸份額%完工量390541.7新接訂單599550.5手持訂單1489047.1中國(guó)造船用鋼發(fā)展產(chǎn)能迅速擴(kuò)展，滿足船舶行業(yè)發(fā)展需求，產(chǎn)能過(guò)剩品種規(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(jí)大量應(yīng)用品種、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、集裝箱止裂板）焊接性差距大海工用鋼技術(shù)現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外對(duì)比：

我國(guó)海工用特種鋼品種的國(guó)產(chǎn)化率不到40%，390-690MPa級(jí)高強(qiáng)度關(guān)鍵品種主要依賴進(jìn)口。材料類型國(guó)外水平國(guó)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(jí)，最大壁厚80mmX80等級(jí)，最大壁厚30mm，X100全部進(jìn)口深海管線X80等級(jí)，最大壁厚44mmX70，最大壁厚32mm，高強(qiáng)空白深海隔水管X80等級(jí)，高抗疲勞空白，全部進(jìn)口海洋工程用鋼需求、差距與問(wèn)題序號(hào)類型名稱鋼材用量（噸）典型材料備注1固定式平臺(tái)淺水導(dǎo)管架平臺(tái)(F-P)3000E36強(qiáng)度低、焊接施工效率差2深水導(dǎo)管架平臺(tái)(BSP)3000-35000E364移動(dòng)式平臺(tái)自升式平臺(tái)(Jack-Up)4000E/F550高強(qiáng)度、大厚度依賴進(jìn)口9500E/F69011000E/F6905半潛式平臺(tái)（Semi）30000E36工作海深差距大6張力腿平臺(tái)（TLP）—國(guó)內(nèi)空白7柱筒式平臺(tái)（Spar）—國(guó)內(nèi)很少9浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船（FPSO）50000E36強(qiáng)度升級(jí)10油氣船儲(chǔ)運(yùn)船超大型油輪（VLCC）40000D32耐腐蝕船舶11液化天然氣船（LNG）30000E369Ni、InVar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)高強(qiáng)度、大規(guī)格（256mm厚鋼板）易焊接、高效率（大線能量焊接）高耐蝕、低成本（耐海洋腐蝕）弦板齒條板支撐管產(chǎn)品典型規(guī)格(mm)屈服強(qiáng)度(MPa)每平臺(tái)需求量(噸)生產(chǎn)現(xiàn)狀齒條鋼127,150,180,210,259≥6901000-2000150mm以上全面進(jìn)口弦板25,50,85≥690300-1000全面進(jìn)口支撐管(273～406)X(17～60)≥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（1）高強(qiáng)度、大規(guī)格導(dǎo)管架平臺(tái)是目前使用最多的采油平臺(tái)；世界最大的導(dǎo)管架平臺(tái)單重超過(guò)40000噸，使用水深超過(guò)460米。導(dǎo)管架平臺(tái)用鋼厚度普遍在60-80mm，最大130mm，焊接占到建造總工時(shí)的40%、總成本的50%。僅焊接一個(gè)節(jié)點(diǎn)就需要2-3月。平臺(tái)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)管架上部模塊海洋工程用鋼重大技術(shù)需求

（2）易焊接、高效率海洋腐蝕環(huán)境特別是近海岸腐蝕環(huán)境極為惡劣鋼在海岸的腐蝕比沙漠中大400倍以上，在距離海岸24米時(shí)比距離海岸240米的腐蝕快12倍；南海因其高濕熱、強(qiáng)輻射、高Cl-環(huán)境腐蝕性更強(qiáng)，裝備維護(hù)十分困難，成本很高。16年大氣暴露試驗(yàn)，碳素鋼在南海萬(wàn)寧的腐蝕速率是武漢的20倍、青島的5倍；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1的異?，F(xiàn)象.海洋工程用鋼重大技術(shù)需求

（3）高耐蝕、低成本內(nèi)容提要船舶海洋工程用鋼發(fā)展需求關(guān)鍵品種技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)工作大線能量焊接用鋼耐腐蝕油船用鋼止裂船板低溫用鋼“十三五”規(guī)劃船舶海工用鋼大線能量焊接技術(shù)GEVWElectro-slagWeldHeatinput,KJ/cmThickness,mm焊接占

40%制造成本焊接熱輸入

>100kJ/cmHAZ韌性氧化物對(duì)HAZ韌性的影響Ti-Mg鋼Ti-Mg,

0.7μmAl，2.2μm大線能量焊接用鋼技術(shù)MicrostructuresoftheCGHAZatt8/5=180sV-Ti-NmicroalloyingBetterCGHAZtoughness(t8/5timelongerthan100s.)Microstructure:V-N-Tisteel:morethan80%isFerriteNb-TiandV-Tisteel:thecoarsebainiticmicrostructure.100kJ/cmV-Ti-NSteel氮含量對(duì)大線能量焊接HAZ韌性影響Tp=1350°Cx1s,t8/5=180sTp=1350°Cx1s,t8/5=100-300sBasedMetal:0.08C-1.20Mn-0.2Si-0.012Ti-0.06VN=44-240ppmEffectofNonCGHAZMicrostructure0.0044%N0.0094%N0.0140%N0.0190%N0.0240%NTp=1350°Cx1s,t8/5=180sQuantitativeAnalysisforCGHAZMicrostructureFS:FerritewithSecondphaseFSP:FerriteSidePlateAF:AcicularFerritePF:PolygonalFerriteQuantitativeAnalysisforCGHAZMicrostructureV-TiPrecipitatesintheAs-RolledPlatesTi-richparticlesinhotrolledplatearesignificantlyrefinedwiththeincreasingofNcontentfrom94ppmto190ppm94ppmNitrogen190ppmNitrogen94ppm[N]V-TiPrecipitatesatPeakTempduringweldedsimulation190ppm[N]190ppmNitrogen94ppmNitrogenV-TiPrecipitatesatCGHAZMorefinerTiV(C,N)particlesinhigh[N]190ppmas-rolledsteel.Thefineparticlesinthehighernitrogensteelaremorestableathightemperature,resultinginfineraustenitegrainsizeintheCGHAZ.Increasing[N]promotesTiV(C,N)precipitationinγduringcoolingfromTp,andreducestheaverageparticlesizeintheCGHAZ.大線能量焊接海洋工程用厚板工業(yè)試驗(yàn)MechanicalPropertiestmmRm，MPaRp0.2,MPaA，%Z，%KV（-40℃）BendN605453812875169goodH-1505343723478181H-2505233623580207Spec.490-630≥355≥21≥27CSiMnPSAlsNiCuTiVNbNCeqN0.160.161.600.0120.0030.0270.34--0.0080.0430.0360.0040.46H-10.1470.281.550.0090.0010.0360.005--0.0110.074--0.0090.42H-20.1320.321.480.0090.0020.0350.240.250.0120.050--0.0090.43焊接接頭低溫韌性Nb-VSteelH-1H-2Nb-VSteel:<50kJ/cmV-Ti-N:~100kJ/cmfortoughnessrequestat-40℃~160kJ/cmfortoughnessrequestat-20℃Rp0.2,MPaRm,MPaA,%Z標(biāo)準(zhǔn)≥290≥415≥21表面324504361/4333491331/232146533Z向63.0海工用超厚E36鋼板250mmE36特厚鋼板鋼錠模鑄+直接軋制，降低工藝成本采用V-N微合金化，改善截面均勻性性能特點(diǎn)良好強(qiáng)韌性匹配，表面、1/4和1/2性能均勻心部-40℃沖擊功達(dá)到300J以上平臺(tái)用大規(guī)格型鋼和船用球扁鋼為孔型軋制，道次變形小、既無(wú)法控軋、又無(wú)法控冷E550級(jí)別H型鋼和D40級(jí)別球扁鋼為世界難題。大規(guī)格高強(qiáng)度型鋼例如，D40球扁鋼：最大規(guī)格腹板寬430mm腹板厚20mm最大規(guī)格鋼級(jí)Rel/MPaRm/MPaA%Akv-20℃/J船檢認(rèn)證Akv-40℃/JHP430*20D40≥390≥510≥20≥34≥34單球扁鋼對(duì)稱球扁鋼VCN析出控制軋制技術(shù)NewTMCPProcessinV-NSteelsFerriteGrainRefinementbyIGFTechnologycombinedwithVCNPrecipitationControlRolledProcess(PRCR)inV-N

SteelSchematicDiagramofVCN-PCRP采用釩氮微合金化設(shè)計(jì)+控制析出軋制工藝（PCRP），已經(jīng)開(kāi)發(fā)出屈服強(qiáng)度355、390、440MPa級(jí)系列高韌性船用球扁鋼品種技術(shù)。D40極限規(guī)格430mmx20mm熱軋球扁鋼屈服強(qiáng)度高于410MPa，-40℃沖擊功達(dá)到200J大規(guī)格高強(qiáng)度型鋼國(guó)際海事組織（IMO）規(guī)范升級(jí)的要求油輪建造規(guī)范涂層保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)耐腐蝕鋼（日本）2010年5月MSC第87次會(huì)議批準(zhǔn)執(zhí)行新規(guī)范2014年1月1日?qǐng)?zhí)行耐腐蝕油輪用鋼開(kāi)發(fā)30萬(wàn)噸級(jí)VLCC日本1999年啟動(dòng)，2010年IMO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)確定中國(guó)，5年完成開(kāi)發(fā)工作2010年內(nèi)部立項(xiàng)，突破核心技術(shù)，完成鋼板試制2011年立項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)焊接材料配套，申報(bào)專利2012年船級(jí)社規(guī)范建立，建成檢測(cè)考核系統(tǒng)2013年完成型鋼配套，10月開(kāi)始示范船建造2014年完成實(shí)船建造，10月17日示范船下水耐腐蝕油輪用鋼開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)室耐蝕鋼關(guān)鍵技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)室3年30余爐次試驗(yàn)鋼的探索，證明了在不突破船標(biāo)的前提下，通過(guò)潔凈度、夾雜物、成分、組織系統(tǒng)控制，可以開(kāi)發(fā)出滿足IMO規(guī)范的國(guó)產(chǎn)耐蝕船板。研制開(kāi)發(fā)的耐蝕鋼腐蝕速率與傳統(tǒng)鋼對(duì)比成分符合現(xiàn)有船標(biāo)，成本增加不超過(guò)20%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于涂層成本下底板腐蝕速率是傳統(tǒng)鋼的1/13，上頂板腐蝕速率是傳統(tǒng)鋼的1/2力學(xué)性能、焊接性能及冷熱加工性能與傳統(tǒng)船板相當(dāng)耐蝕鋼工業(yè)試制配套焊接材料及工藝試驗(yàn)設(shè)備、方法、標(biāo)準(zhǔn)貨油艙艙實(shí)船掛片試驗(yàn)船級(jí)社規(guī)范和實(shí)船建造“三會(huì)一社”組織模式政、產(chǎn)、學(xué)、研、檢、用與中國(guó)船級(jí)社CCS合作，制定我國(guó)耐蝕鋼油輪用鋼入級(jí)規(guī)范2012年工信部示范項(xiàng)目中外運(yùn)長(zhǎng)航5萬(wàn)噸級(jí)油輪（2014-9-17下水）研究、設(shè)計(jì)、鋼廠、造船、船東、CCS大型集裝箱船用止裂鋼板集裝箱船大型化：18000TUE，94.3%是>10000TUE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“MOLComfort”號(hào)，（8000TEU），2013年6月27日，在印度洋遭遇事故斷成兩截大型集裝箱船用止裂鋼板為了提高大型集裝箱船特厚鋼板的止裂性能，從2007年開(kāi)始，日本NK船級(jí)社聯(lián)合造船廠、鋼鐵公司、高校和研究機(jī)構(gòu)，發(fā)布了《脆性裂紋止裂設(shè)計(jì)指南》。為了評(píng)估鋼板的止裂性能，隨同發(fā)布脆性裂紋止裂韌性Kca測(cè)試方法國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)(IACS)

2013年1月發(fā)布URW31《ApplicationofYP47steelplates》，將Kca標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試寫入YP47鋼驗(yàn)收要求同時(shí)發(fā)布的還有URS33《Requirementforuseofextremelythicksteelplates》，于2014年1月實(shí)施、基本完全采用了NK船級(jí)社的《脆性裂紋止裂設(shè)計(jì)指南》里Kca的測(cè)試方法和要求。目前該Kca測(cè)試方法已經(jīng)被CCS、GL、ABS和DNV等各大船級(jí)社采用。世界各國(guó)從2013年后開(kāi)發(fā)，加快了集裝箱船用止裂鋼的研發(fā)進(jìn)程。大型集裝箱船用止裂鋼板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）表面超細(xì)晶化，使剪切唇的比例增加，使斷裂從平面應(yīng)變狀態(tài)向平面應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變，提高止裂韌性（目前的研究熱點(diǎn)之一）大型集裝箱船用止裂鋼板返溫軋制工藝在軋制過(guò)程中間中引入加速冷卻，使鋼板表層溫度降到Ac1以下，控制返紅溫度進(jìn)入Ac1~Ac3之間，然后進(jìn)行控制軋制使表層的晶粒得到細(xì)化

(a)400

℃(b)450℃(c)500℃(d)600℃(e)650℃(f)700℃表層超細(xì)化工藝400℃~600℃的范圍內(nèi)，都得到了超細(xì)晶組織650℃~700℃時(shí)，晶粒明顯長(zhǎng)大為獲得表面超細(xì)晶，粗軋后表面迅速冷卻到600℃以下大型集裝箱船用止裂鋼板大型集裝箱船用止裂鋼板

顯微組織工業(yè)試制SUF止裂鋼：65mm厚細(xì)晶層厚度為5~7mm，平均等效直徑約2μm。SUF大型集裝箱船用止裂鋼板SUF鋼表層(112)[110]，取向密度4.8TMCP鋼表層(110)[001]，取向密度24.6（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(guò)SUF工藝，獲得兼具表面的超細(xì)晶和高韌性以及整體良好強(qiáng)韌匹配的止裂鋼板。SUF止裂鋼表層TMCP止裂鋼表層大型集裝箱船用止裂鋼板LNG,LEG,LPG用5Ni、9Ni鋼我國(guó)LNG工業(yè)的發(fā)展對(duì)9％Ni低溫鋼提出了迫切需求LNG工廠LNG儲(chǔ)罐LNG運(yùn)輸船LNG工業(yè)十二五規(guī)劃：9%Ni鋼需求數(shù)十萬(wàn)噸，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化意義重大，巨大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益9%Ni鋼超低溫韌化控制開(kāi)發(fā)了QLT工藝，獲得一次和二次馬氏體相間排布的細(xì)化組織產(chǎn)生8-16%穩(wěn)定的逆轉(zhuǎn)變奧氏體具有良好的-196℃超低溫韌性和強(qiáng)韌匹配工藝窗口拓寬，便于工業(yè)化批量穩(wěn)定生產(chǎn)國(guó)產(chǎn)化9Ni鋼板的應(yīng)用國(guó)產(chǎn)化9%Ni鋼板已用于中石油LNG項(xiàng)目（大連、江蘇）的建設(shè)。隨著國(guó)內(nèi)使用經(jīng)驗(yàn)的積累，中海油和中石化也陸續(xù)實(shí)現(xiàn)LNG儲(chǔ)罐低溫材料的國(guó)產(chǎn)化。5%Ni鋼國(guó)產(chǎn)化LPG船上實(shí)際應(yīng)用首批500噸正在供貨過(guò)程中，用于LPG船上一個(gè)4200m3半冷半壓乙烯液罐的建造第二批1500噸，用于建造一個(gè)12000m3LPG船三個(gè)液罐的建造內(nèi)容提要船舶海洋工程用鋼發(fā)展需求關(guān)鍵品種技術(shù)研究開(kāi)發(fā)工作大線能量焊接用鋼耐腐蝕油船用鋼止裂船板低溫用鋼“十三五”規(guī)劃“政－產(chǎn)－學(xué)－研－檢－用”結(jié)合－實(shí)例：大型油船用耐蝕鋼項(xiàng)目聯(lián)盟成員單位，31家用戶行業(yè)：中海油、中石油、中石化海工制造企業(yè)：中船工業(yè)、中船重工、海油工程、中集、巨濤鋼鐵行業(yè)：鞍鋼、舞陽(yáng)、寶鋼、武鋼、首鋼、湘鋼、馬鋼、南鋼、天管、興澄特鋼、太鋼等科研、高校：鋼研院、金屬所、北科大、東大應(yīng)用研究：725所、611所、管材所設(shè)計(jì)單位：中海油研究

總院、中石化工程設(shè)計(jì)公司標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范：中國(guó)船級(jí)社、冶金標(biāo)準(zhǔn)院行業(yè)協(xié)會(huì)和學(xué)會(huì)：中鋼協(xié)、中船協(xié)、造船學(xué)會(huì)跨行業(yè)合作平臺(tái)：政-產(chǎn)-學(xué)-研-檢-用2014年6月14日，聯(lián)盟成立大會(huì)鋼鐵研究總院：聯(lián)盟理事長(zhǎng)、秘書處海洋工程用鋼產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟深水導(dǎo)管架平臺(tái)(BSP)自升式平臺(tái)(Jack-Up)半潛式平臺(tái)（Semi）超大型油輪（VLCC）液化天然氣船（LNG）化學(xué)品船海水淡化鉆采輸送系統(tǒng)導(dǎo)管架用鋼強(qiáng)度升級(jí)E36→E46，厚10～120mm厚板可大線能量焊接40kJ/cm→100kJ/cm海洋工程用鋼總體需求南海島礁建筑艦船用鋼新型耐候鋼345-450MPa級(jí)，3倍壽命，低成本新型耐蝕鋼400-500MPa級(jí)，8倍壽命，低成本國(guó)家科技體制改革

中央財(cái)政科技計(jì)劃（專項(xiàng)、基金等）布局國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃國(guó)家科技重大