國內(nèi)外海洋工程用高強鋼研究進展

鋼鐵作為海洋工程裝備的關鍵結(jié)構(gòu)材料，廣泛應用于鉆井平臺、生產(chǎn)平臺以及海底管道等。由于服役時間長，要長期抵抗惡劣的風浪條件，水下修理維護的成本極高，其采用的鋼板逐漸向高強度、高韌性、易焊接性、良好的耐腐蝕性以及大厚度、大規(guī)格化方向發(fā)展。

1國外研究現(xiàn)狀

目前海洋平臺用鋼遵循的四大國際標準，即En10225和BS7191(歐洲標準)，API(美國標準)，Norsok(北海標準)，對海洋平臺用鋼的力學性能及設計制造等都有明確的規(guī)定，但對耐腐蝕性能的規(guī)范較為欠缺。

世界海洋平臺用高強度鋼的主要級別為屈服強度355MPa、420MPa、460MPa、500MPa、550MPa、620MPa、690MPa，并對低溫性能要求至少-40℃，甚至-60℃，抗層狀撕裂性能達Z向35%，耐腐蝕性能良好，主要交貨方式為TMCP、正火以及調(diào)質(zhì)。

日本對海洋平臺用鋼的研究較早，已開發(fā)出耐海水腐蝕、大線能量焊接及低溫用等系列的高強鋼板，強度級別已達980MPa。JFE開發(fā)出了厚度為140mm、屈服強度為700MPa、抗拉強度為800MPa的含鎳平臺用鋼;同時該公司形成了自己的企業(yè)標準系列，海洋平臺的鋼板抗拉強度為360MPa～980MPa，品種主要有JFE-HITEN系列高強鋼板等。利用微合金化元素的析出，新日鐵開發(fā)了HTUFF技術(shù)，其用于海洋平臺的鋼板主要有WEL-TEN系列高強鋼板、NAW-K及COＲ-TEN系列無涂層焊接結(jié)構(gòu)用耐蝕鋼板、MAＲILOY系列焊接結(jié)構(gòu)用耐海水腐蝕鋼板及NAW-TEN系列含Ni耐候鋼板等品種。此外，新日鐵公司還按API2W，EN10225，NOＲSOK及BS7191標準生產(chǎn)屈服強度在315MPa～550MPa之間的A，D，E，F(xiàn)級別的鋼板，最高強度達到950MPa。

歐洲作為海洋資源開發(fā)較早的區(qū)域，其海洋平臺用鋼的研發(fā)、應用、品種系列化及標準化處于領先地位，已可生產(chǎn)A，B，D，E級的屈服強度在235MPa～690MP之間的各種鋼板。目前歐洲用于海洋平臺建設的鋼種應用最廣泛的為S355，S420，S460及S690，耐腐蝕性能良好。挪威埃科菲斯克Ⅱ號海洋鉆井平臺是歐洲第1座使用改進韌性S690Q鋼板的海洋平臺。

俄羅斯Arkticheskaya自升式鉆井平臺用于北極地區(qū)的油氣鉆探，最大鉆探深度6500m。當前S690級高強鋼在海洋平臺中的應用越來越多，但仍需解決高強鋼板焊接處易開裂及耐蝕性差等問題。現(xiàn)今在海洋平臺建設中也應用了更高強度級別的鋼板，其高強鋼板主要通過調(diào)質(zhì)工藝生產(chǎn)，鋼板屈服強度可達1100MPa，但由于焊接困難和耐腐蝕開裂問題，超高強鋼在海洋建設中應用較少。

2國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國開發(fā)海洋石油起步比較晚，到20世紀80年代才建成自己的海洋石油平臺。目前我國海洋平臺主要使用屈服強度為355MPa～460MPa的D，E及F級鋼板，基本實現(xiàn)國產(chǎn)化。我國首次自主設計建造的3000m深水半潛式鉆井平臺“海洋石油981”(圖1)所用鋼的強度已達到690MPa;北海油區(qū)海洋自升式平臺固定結(jié)構(gòu)已使用500MPa以上，甚至750MPa高強度鋼，但我國海洋平臺用鋼強度不高、規(guī)格不全、耐腐蝕性能較差、配套工藝不完善等問題，仍限制了我國自主開發(fā)海洋資源的能力。

按照ASTM(美國)、EN(歐洲)、各船級社以及API(美國石油協(xié)會)的規(guī)范或標準來劃分，寶鋼擁有四大系列海洋平臺用厚板產(chǎn)品。寶鋼集團浦鋼公司采用正火工藝開發(fā)了DH36－Z35、EH36－Z35等海洋石油平臺鋼板，各項性能指標均達到相關標準規(guī)范要求。采用調(diào)質(zhì)工藝試制了屈服強度690MPa高強度海洋平臺用齒條鋼，同時自主研發(fā)的自升式海洋平臺樁腿用最大厚度為178mm的厚板。

舞鋼成功開發(fā)了A、B、D、E、AH32-EH32、AH36-EH36級海洋平臺用鋼和EH40、FH40、E500、E550、E520、E690、A514GrQ和A517GrQ等高強度鋼板。其生產(chǎn)的D36-Z35海工鋼，被用于我國第一個世界級深水項目——位于南海東部1500m深海區(qū)域的“荔灣3－1”氣田中。生產(chǎn)的A514GrQ齒條鋼最大厚度達215mm，比國外最大厚度還超出5mm，解決了自升式平臺升降機構(gòu)齒條鋼、半圓板國產(chǎn)化的急需。

鞍鋼的鋼板級別涵蓋了普通強度A、B、D、E級和高強度AH32～EH32、AH36～EH36、AH40～EH40級的大線能量焊接用船體及海洋采油平臺用鋼系列，產(chǎn)品最大厚度為100mm，焊接線能量為100kJ/cm。其強度、低溫韌性、規(guī)格等指標均達到國際先進水平，大大超過一般鋼廠能達到的厚度40mm、焊接線能量50kJ/cm的水平。

國產(chǎn)海洋平臺鋼板已被廣泛采用，EH40以下的海洋平臺用高強度結(jié)構(gòu)鋼材基本實現(xiàn)國產(chǎn)化，但關鍵部位所用高強度、大厚度材料仍依賴進口。因此高強度、厚規(guī)格及耐腐蝕性能好的海洋平臺用高強鋼的研發(fā)和應用是我國今后的主要研究方向之一。

3我國與國際先進水平的差距

我國海洋平臺主要使用的屈服強度為355MPa～460MPa的D，E及F級鋼板，基本實現(xiàn)國產(chǎn)化。鞍鋼、南鋼生產(chǎn)的中厚板屈服強度達550MPa，武鋼、寶鋼和沙鋼都已具備生產(chǎn)屈服強度為690MPa海洋平臺用鋼的能力，但厚度超過120mm以上時，產(chǎn)品質(zhì)量及性能的穩(wěn)定性、滿足更大規(guī)格產(chǎn)品的技術(shù)需求、耐腐蝕開裂、配套焊接等方面都存在問題。建造海洋工程的關鍵部位所用的高強度、厚規(guī)格、耐海洋腐蝕開裂等性能的鋼板多數(shù)仍需進口，特別是具有良好綜合力學性能且厚度在120mm以上、屈服強度在690MPa以上的高韌性、耐腐蝕、

易焊接的海洋平臺用鋼基本依賴進口。表1對比了我國海工用鋼先進水平與國外先進水平之間的差距。

表1國內(nèi)外主要海工用鋼性能指標對比

關鍵品種國內(nèi)先進水平國際先進水平

高強度海洋平臺厚板460～550MPa，E級

焊前預熱80～120℃690～720MPa，F(xiàn)級

室溫焊接不預熱

690MPa級齒條鋼特厚板620MPa，E級

厚度114～152mm690～720MPa，F(xiàn)級

厚度127～256mm

海洋工程用大口徑高強度無縫管690～720MPa，E級

最大壁厚20mm690～720MPa，F(xiàn)級

最大壁厚40mm

高強度大規(guī)格H型鋼、T型鋼355～390MPa，E級

翼緣厚度小于40mm460～550MPa，F(xiàn)級

翼緣厚100mm，腹板長430mm

高強度大規(guī)格球扁鋼非調(diào)質(zhì)355MPa，D級

最大規(guī)格36#非調(diào)質(zhì)390MPa，E級

最大規(guī)格43#

大壁厚深海管線鋼420～490MPa，E級

最大深度300m490～550MPa，E級

最大深度3000m

4結(jié)束語

目前，我國海洋工程關鍵部分用鋼依然需要進口，面對海洋開發(fā)的巨大市場前景，鋼鐵企業(yè)應按照國際海工用鋼的標準，從以下幾個方面借鑒:(1)開發(fā)系列鋼板品種，實現(xiàn)鋼板全系列供貨。實現(xiàn)高強鋼國產(chǎn)化、全覆蓋。(2)進一步優(yōu)化焊接工藝、性能。焊接部分往往是失效發(fā)生的重點部位，焊接工藝與性能的優(yōu)劣對工程質(zhì)量影響巨大。(3)逐漸形成我國的海工用鋼標準體系，規(guī)范海工鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量，為海洋油氣開發(fā)做好用材保障。