高品質船舶及海洋工程用鋼的開發
2019-12-02 01:06:03
hualin
導讀
鋼材是造船及海洋工程結構建造的主要原材料，占據了船體及海洋工程建造成本的20%-30%。船舶及海洋石油工業的飛速發展對造船及海洋工程用鋼提出了迫切需求。
1、背景
進入21世紀，我國船舶及海洋石油工業迎來了高速增長的新時期，2013年我國造船三大指標（造船完工量、新接訂單量、手持訂單量）分別占世界總量的41.4%、47.9%、45.0%，位居世界第一，我國已成為世界造船中心。海洋石油工業領域，十一五期間我國海上油氣開發投入了1200億元，2010年海洋油氣產量實現了500萬t油當量。僅根據中海油規劃，十二五期間將新建5000萬t油當量產能。預計“十二五”、“十三五”海洋石油工業投入將分別達到6700億元和9500億元。目前我國船廠能建造國際航運界所需船型的95%左右，包括17.5萬t散貨船、30萬t超大型油輪（VLCC）、30萬t浮式生產儲油船（FPSO）、14.7萬m3LNG船等，目前已有9座30萬噸級造船塢，并在規劃50萬噸級和100萬噸級船塢。
船舶及海洋石油工業的飛速發展對造船及海洋工程用鋼提出了迫切需求。為適應船體高效化的建造需求，對船板鋼提出了100-500KJ/cm的大線能量焊接要求，從而實現了船板鋼的一次焊接成型；為提高船體運行安全性，延長鋼材使用壽命，對壓載艙、貨油艙船板鋼提出了耐腐蝕的要求，提高運行壽命的同時降低了維護成本；大型船體建造提出了43號大規格的D40球扁鋼的需求，突破了傳統型鋼生產開發的極限；自升式海洋平臺樁腿構件需要127-210mm厚高強度特厚板，突破了中厚板生產厚度規格極限；油氣儲運設備提出了超低溫用鋼鐵材料，最低使用溫度達到-196℃，服役環境極為苛刻。在此基礎上，根據液化天然氣（LNG）、液化石油氣（LPG）、液化乙烯氣（LEG）等低溫油氣的不同使用溫度要求，研制開發了9Ni、5Ni或3.5Ni等Ni系低溫鋼。總之，高強度、高韌性、易焊接性、良好的耐腐蝕性以及大厚度、大規格化是船舶及海洋工程用鋼的發展方向。
但是，我國和世界上先進的船舶制造及海洋工程裝備設計制造技術相比，還存在很大差距。我國船企建造的船舶中，60%-70%主要以低技術含量的散貨船為主，高技術含量的鉆井船及液化天然氣船等承接量少。在海洋工程裝備領域，我國尚處在歐美、新加坡/韓國之后的第三陣營，在產品設計、高端裝備技術與建造方面與國外差距較大。如國外深水鉆探最大水深已達3095m，我國為1480m。國外已開發油氣田最大水深為2743m，我國為300m，其中自主開發的裝備采油能力不大于200m水深，與國外有近10年的距離。我國南海水深在500-2000m，我國目前還不具備在這種海域進行油氣勘探和生產的裝備技術。為此，必須要開發一系列高新技術和產品作為支持，而系列高品質船舶及海洋工程用鋼的開發是其重要組成部分，它將為推進我國船舶工業及海洋石油工業的發展，保障我國能源、運輸等行業的安全奠定良好的基礎。
2、造船及海洋工程用鋼的研究進展
鋼材是造船及海洋工程結構建造的主要原材料，占據了船體及海洋工程建造成本的20%-30%。涉及的鋼材品種主要包括鋼板、型鋼（船用球扁鋼、H型鋼、角鋼等）、鑄鍛鋼以及配套焊接材料等。其中船體建造耗用鋼材量約占全船重量的60%左右，其中板材占88%左右。
高強度、高韌性是造船和海洋工程用鋼的基本要求。早期大型船體結構多采用235MPa級以下的鋼板，隨著船體結構的安全性要求的不斷提高，船用鋼板的強度在逐步提高，由235MPa逐步升級到315MPa以及355MPa，鋼的質量等級也從A級提高到E級甚至F級。到20世紀90年代，隨著船舶的大型化、輕量化和高速化的要求，日本和歐洲率先開發出屈服強度為390MPa級的TMCP型高強船板（YP40K），主要用在船體受應力比較大的舷側、舷緣頂板和強力甲板上。目前，在大型散裝貨船和集裝箱船中，390MPa級的高強度鋼已占主導地位，而TMCP工藝生產的船體鋼的強度級別已經達到550MPa級以上，在海洋平臺等大型海洋結構中獲得廣泛應用。而海洋工程中自升式鉆井平臺的樁腿結構，如齒條板、半圓板和無縫支撐管等部位，均要求屈服強度690MPa以上的高強度低合金鋼，同時對低溫沖擊韌性的要求也極為苛刻，即使在普通工況條件也要求考核-40℃（E級）的低溫沖擊性能，在寒冷或極寒條件下考核-60℃（F級）甚至-80℃的低溫沖擊性能。而一些低溫油氣儲運用鋼對低溫沖擊性能的要求更為苛刻，如儲存LNG的9Ni鋼要求考核-196℃的低溫沖擊功達到100J以上，儲運LEG的5Ni鋼也要求考核-120℃沖擊功。
焊接性也是船體結構鋼關注的重點問題之一。20世紀30年代以前，船體結構大都采用鉚接或螺栓連接。二戰前后，焊接技術開始普遍應用在船體結構上，對船體鋼的焊接性和焊接工藝也提出了越來越高的要求。焊接時，鋼板的焊接熱影響區HAZ必須經受高溫熱循環，這很容易引起鋼板HAZ的組織粗化，顯著降低HAZ的韌性。特別是近幾年來，為降低建造成本、提高造船的生產率，造船廠強烈要求采用大線能量焊接。國外廣泛采用100-500KJ/cm大線能量焊接。為此，各國開發了一系列大線能量焊接船體鋼，如日本于20世紀80年代初期研制的YP335鋼、90年代中期研制的YP390鋼和目前正在研制的YP460鋼等。目前，在海洋工程用鋼領域如平臺用E36等，均要求采用大線能量焊接以提高施工建造效率。
近年來，船舶及海洋工程結構的耐腐蝕性越來越受到人們的關注，國際海事組織（IMO）先后通過了壓載艙涂層防護標準（PSPC）以及貨油艙用耐腐蝕鋼性能標準（MSC87），這使得相關的研究工作變得更加緊迫。在壓載艙環境下，船板鋼經受高溫、高濕以及Cl-的共同侵蝕，尤其在壓載艙的潮差部位船板鋼發生嚴重的局部腐蝕。JFE鋼鐵公司開發出了可抑制船舶壓載艙涂膜劣化的新型高耐腐蝕性壓載艙用鋼“JFE一SIP-BT”。由于找到可抑制涂裝后涂膜劣化的元素，提高了基于腐蝕生成物的鋼材保護性能，可將涂膜膨脹及剝離等涂膜的劣化速度減慢到原鋼材的一半左右。新日鐵等通過提高鋼材的純凈度、添加Ni、Cu、W、Mo等耐蝕合金元素的方法研制開發的D36貨油艙用耐腐蝕鋼，將船體結構的使用壽命從15年提高到25年，該鋼腐蝕速率約為傳統鋼的1/4。
厚度規格也是船體鋼技術水平的重要標志之一。雖然一般船體結構中對船體鋼厚板規格最多要求到40mm，但我國新船體鋼標準GB712-2010已將規格上限擴大到100mm，厚規格船體鋼主要用于海洋平臺等大型海洋結構中。在自升式鉆井平臺的樁腿用齒條板，其厚度普遍大于100mm，目前的主力型號JU2000齒條板一般采用178mm厚鋼板。厚規格船板和平臺用鋼重要的性能指標之一是抗層狀撕裂性能。由于軋制變形量較小以及鑄坯偏析的影響，厚板厚度方向性能一般顯著低于縱、橫向性能。GB5313-2010對有厚度方向性能要求的鋼板進行了規定，其中最高級別的235鋼要求斷面收縮率≥35%。大型船體結構不僅對鋼板提出了厚規格要求，也對船用型鋼提出了厚規格要求。30萬噸級大型船舶舭龍骨部位要求使用43號大規格D40球扁鋼，腹板厚度最大達20mm，是目前研制型鋼中強韌性要求最高、截面尺寸最大的型材。型材一般采用孔型軋制生產，由于道次變形量低、終軋溫度高、軋后無法實現快冷等特點，因此大規格高強型鋼較鋼板技術難度更大。
船舶用鋼板應具有良好的止裂特性。近年來，散裝貨船的破損事故和巨型油輪（VLCC）的觸礁事故不斷增多，除從設計上進行改進外，在造船用鋼方面，則要求船的碰撞和觸礁產生較大塑性變形（10%）時，造船用鋼板必須具有良好的抗脆性裂紋傳播的止裂特性。采用TMCP工藝可生產出表層具有超細晶粒組織的鋼板，厚度方向性能均勻，具有良好的阻止脆性裂紋擴展的能力。這種船板板已成功地用于液化石油氣（LPG）船和散裝貨船剪切應力最大的部位。隨造船工業的發展，船舶對止裂鋼板的需求將越來越多。
3、高品質造船及海洋工程用鋼開發
3.1大線能量焊接船板鋼及平臺用鋼
對船板用鋼，要求采用200KJ/cm以上大線能量焊接，從而實現18-36mm厚鋼板一次焊接成形。采用“氧化物冶金”的技術思路開展了大線能量焊接用鋼的研究開發工作。研究開展了Ti處理、Zr處理、復合Ti-Mg處理、復合Ti-Zr處理對船體鋼大線能量焊接性的影響。對試驗鋼進行20-200KJ/cm的焊接熱模擬試驗，焊接熱模擬最高加熱峰值溫度1350℃。結果表明，Ti-Mg、Ti-Zr復合處理后，鋼中獲得了大量細小的復合含Ti氧化物粒子，其直徑約1-2μm。比較各種脫氧處理條件下焊接熱影響區的低溫韌性可以看出（見圖1），普通未進行任何處理的C-Mn鋼焊后熱影響區的整體低溫韌性水平較低，其中線能量大于50KJ/cm時，低溫韌性顯著降低，僅為10J左右。經不同合金脫氧處理后，模擬焊接粗晶區的低溫韌性顯著提高。其中經Ti-Mg處理（低Mg）后，粗晶區的低溫韌性水平最高，各種線能量下的低溫沖擊功值均在300J以上，且隨線能量的變化不敏感。對比焊接熱影響區的組織可看出，Al處理鋼中主要得到大量平行排列的側板條鐵素體組織，Ti-Mg復合處理鋼中主要得到大量交錯排列的晶內鐵素體組織。采用Ti-Mg復合脫氧處理的方法，在工業大生產條件下研制開發了100-240KJ/cm大線能量焊接用鋼，鋼板最大厚度為80mm。
對于海洋平臺用E36鋼，由于采用正火態交貨，無法有效利用TMCP及微合金化等技術，目前普遍采用50KJ/cm以下焊接線能量。平臺用鋼具有以下特點：碳含量及碳當量高、厚度規格大（30-100mm）、正火態交貨。因此，必須在現有平臺鋼設計基礎上通過降低碳含量及碳當量，大幅度提高焊接性，并采用其他方式彌補強度損失。
通過采用V-N-Ti合金設計，利用V（CN）的析出強化彌補鋼的強度損失，并能大幅度降低鋼碳含量和碳氮量。復合析出的V-N-Ti粒子還能起到細化原始奧氏體晶粒，并最終提高大線能量焊接熱影響區低溫韌性的作用。目前，工業試制50mm以上平臺鋼可以實現100KJ/cm以上的大線能量焊接。
3.2油船貨油艙用耐腐蝕鋼
深入分析了船板鋼在貨油艙上甲板、內底板環境下的腐蝕行為，研究了提高船板鋼耐蝕性的不同技術思路。通過不同的耐蝕合金設計，研究了多種合金元素對船板鋼在貨油艙腐蝕環境下的耐蝕性。圖2為三種不同合金元素對腐蝕速率的影響規律。從研究結果可以看出，在內底板腐蝕環境下，微量合金元素對船板鋼的耐蝕性存在顯著影響。添加0.1%以上的B和C耐蝕合金元素可以使腐蝕速率顯著降低到原來的1/4-1/30觀察腐蝕后的形貌可以看出，在IMO貨油艙內底板腐蝕環境下，傳統鋼表面主要形成大量直徑大而深的腐蝕點蝕坑，而開發的耐蝕鋼表面則出現少量小而淺的點蝕坑，點蝕坑的深度/直徑比顯著降低。根據上述結果研制開發的工業鋼（NSD32、NSD36）內底板腐蝕速率均低于1mm/a的標準腐蝕速率要求，其中NSD36鋼腐蝕速率最低可以達到0.38mm/a的超低水平，約為傳統鋼的1/13。
同時，在上甲板腐蝕環境下，按照IMO標準分別進行21天、49天、77天、98天的腐蝕試驗，其試驗結果如圖3所示，從擬合25年后的結果來看，對比鋼腐蝕量達到9.34mm，而開發的耐蝕鋼僅為1.512mm，完全滿足IMO標準不高于2.0mm的標準要求。從腐蝕機理來看，在干濕交替的腐蝕氣體環境下，對比鋼表面銹層疏松、易剝離，銹層多為富硫的腐蝕產物，而在耐蝕鋼的銹層結構中，形成了致密的內銹層，其與基體結合強度高，有效阻止了腐蝕介質與基體的接觸，從而在長周期干濕交替腐蝕條件下表現出良好的耐蝕性。
3.3大規格船用球扁鋼
綜合利用新型釩氮微合金化設計+碳氮化釩控制析出軋制工藝（PCRP），集成創新開發出高韌性、大規格船用球扁鋼品種技術。依靠奧氏體中析出的碳氮化釩促進晶內鐵素體形核，顯著細化了最終的鐵素體晶粒尺寸，獲得顯著的細晶強化效果。同時，依靠鐵素體中彌散析出的碳氮化釩的析出強化作用，顯著提高鋼的強度。利用上述技術思路，可在傳統孔型軋制條件下研究開發出屈服強度355MPa、390MPa、440MPa級系列高韌性船用球扁鋼品種。其中研制開發的D40極限規格43號（邊長430mm、腹板厚20mm）熱軋船用球扁鋼屈服強度高于410MPa，-40℃沖擊功達到200J。高韌性、高強度、大規格船用球扁鋼的開發解決了高韌性艦船用球扁鋼品種技術難題，滿足了我國船體建造的需要。
3.4高止裂韌性船用鋼板
大型集裝箱船等在海上航行時，受波浪影響會產生彎曲，在船體艙口強度甲板上產生較大的應力集中。為了便于裝卸貨物，集裝箱船通常采用大的艙口開口設計，這就需要集裝箱船具有大型商船中最高的縱向強度。從保證船舶安全性，防止脆性斷裂的產生，要求在艙口圍板、上甲板等部位使用51-100mm的具有高止裂韌性的厚鋼板。
使用新型的TRRP軋制工藝（Temperature Reverting Rolling Process），可以在厚鋼板表層獲得超細晶組織，與傳統TMCP工藝相比，其特點是在兩階段軋制間將鋼板加速冷卻到Ac1以下，出水后鋼板內部的熱量加熱表層，表層處在兩相區時進行控制軋制，在表層得到超細晶組織。厚鋼板產生斷裂時，通常表層不發生脆性斷裂，而是產生與應力方向垂直面成45°角的塑性變形，能夠吸收裂紋傳播的能量，從而達到阻止裂紋傳播的效果，有效提高止裂性能，表層超細晶鋼板就是應用這個原理，通過增加剪切唇的形成來提高止裂性。
數值模擬TRRP和TMCP工藝下鋼板內部溫度場，鋼板表面、1/4處和心部的溫度隨時間變化如圖4所示。可以看到，空冷時表面到心部的溫度差基本不變，而水冷回溫時，表面溫度先是迅速降低，出水后又被迅速加熱到兩相區，此時精軋變形，表層形成超細晶組織。采用上述工藝開發的高止裂韌性鋼板NDT溫度低于-70℃，Kca止裂韌性滿足止裂設計標準要求。
3.5海洋平臺特厚齒條鋼
隨著海洋石油工業的深入開展和鉆采難度的加大，自升式鉆井平臺用齒條鋼提出了大厚度、高強度、高韌性的發展需求，這類產品一般使用調質熱處理狀態交貨。但是，隨著齒條鋼厚度的增加，截面厚度方向上組織、性能差異增大，提高特厚齒條鋼的淬透性成為這類產品開發的難點。研究了不同合金元素復合處理對齒條鋼淬透性的影響，結果表明，采用微B+固N元素的復合處理可以在獲得良好強韌性的條件下大幅度提高齒條鋼的淬透性。同時，采用微Ti處理或稍過量的Al處理，均可使微量B的固溶比例達到50%以上，且偏聚于奧氏體晶界處，有效的延緩了高溫相變，顯著提高齒條鋼的淬透性。
采取上述合金優化思路，工業生產獲得了截面均勻的淬透組織和良好力學性能的特厚齒條鋼。對于152mm厚的齒條鋼，即使在鋼板的心部，淬火冷卻速率僅為0.8℃/s左右，通過上述合金設計和工藝配合，也可獲得以馬氏體+下貝氏體為主的顯微組織，開發齒條鋼和國內外先進技術相比，具有較高的強韌性水平。
3.6 9Ni低溫鋼
隨著LNG工業的迅猛發展，9Ni低溫鋼的研究和開發熱度持續升溫。LNG儲存溫度為-163℃，要求LNG儲罐內壁用9Ni鋼具有較高的強度、良好的低溫韌性和較小的波動。研究發現，采用QLT熱處理（在QT調質處理中增加一道兩相區淬火），可在強度略微降低的情況下，顯著提高9Ni鋼的低溫韌性，同時大大擴展9Ni鋼的熱處理工藝窗口，提高9Ni鋼的性能穩定性。
進一步研究顯示，9Ni鋼的良好低溫韌性與其中形成的一定含量的逆轉變奧氏體有密切關系。在9Ni鋼中形成5%-15%左右的、熱穩定性高的逆轉變奧氏體，可韌化馬氏體基體，在受載變形過程中吸收能量，提高相變誘導塑性能力。在一定范圍內，9Ni鋼的逆轉變奧氏體含量越高，低溫韌性越好。
9Ni鋼逆轉變奧氏體的形成和穩定性，與C、Ni、Mn等奧氏體穩定元素的顯著富集具有密切的關系。理論計算和試驗結果顯示，采用適當的工藝處理，9Ni鋼逆轉變奧氏體中的C、Ni、Mn元素的最高含量可分別達到0.5%、25%和2%左右，使熱處理過程形成的奧氏體可穩定保持到室溫，即冷卻至液氮溫度也不發生轉變。逆轉變奧氏體的控制技術，也是改善和提高9Ni鋼低溫斷裂韌性尤其是止裂韌性的關鍵工藝技術之一。
4、結語
高技術船舶及海洋工程的國產化是建立在高端材料和技術大量依賴進口的基礎之上。要實現我國成為世界造船強國的戰略目標，還有大量關鍵技術需要突破，其中的核心問題之一就是高品質造船及海洋工程用鋼的研發和推廣應用。
船舶及海洋石油工業的飛速發展給造船及海洋工程用鋼提出了高強度、高韌性、大線能最焊接及耐腐蝕性的要求，同時還需要具備大厚度及大尺寸規格的要求。采用V-N-Ti復合處理技術，開發了100KJ/cm以上可大線能量焊接平臺鋼。采用Mg-Ti復合處理技術，開發出適合100-200KJ/cm的大線能量焊接船體鋼，其中在200KJ/cm的大線能量焊接時，焊接熱影響區粗晶區-20℃沖擊功高達350J。通過超純凈度及添加耐蝕合金的方法開發出NS-D32及NS-D36船板鋼，下底板腐蝕速率僅為傳統鋼的1/130采用釩氮微合金化+碳氮化釩控制析出軋制工藝開發出43號極限大規格D40球扁鋼。采用TRRP工藝獲得表層細晶粒組織，顯著提高厚鋼板止裂韌性，滿足集裝箱船艙口圍等部位止裂設計要求。齒條鋼由過去的100mm、127mm發展為主力船型用的178mm，并逐步增加210mm齒條鋼的使用，個別工況的最大厚度達到259mm。服役工況也更為苛刻，要求的強韌性匹配更高。油氣儲運設備的大型化趨勢也使用戶對Ni系低溫鋼安全裕量的考核更加重視。20萬m3和25萬m3巨型LNG儲罐的設計和建造促進了超級9Ni鋼的研究和開發，產品厚度達到50mm以上，在保持強度水平的情況下，-196℃沖擊功由150-220J是高至250J以上，-163℃CTOD值達到0.3mm以上。