海洋平臺用鋼的研發生產現狀與發展趨勢

劉振宇，唐帥，陳俊，葉其斌，王國棟

（東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室，遼寧 沈陽 110004）

目前，全球陸地石油及天然氣資源已遠遠滿足不了社會發展的需求，而海洋周圍儲存著豐富的未開發的石油與天然氣資源，因此海洋資源開發顯得日益重要。但是，除了少數海域以外，世界大部分地區的近海油氣資源已日趨減少，而目前已探明的世界海洋石油、天然氣儲量的80%以上在水深500 m以下的深海區域，且全部海洋面積的90%以上水深在200～6 000 m之間，其中北極地區擁有約900億桶原油儲量和超過47萬億m3的天然氣儲量，分別占全球未探明石油儲量的13%和未開采天然氣儲量的30%，但大部分位于500 m 以下深水區［1］。

海洋平臺是海洋資源開發工程中的標志性設施，是超大的焊接鋼結構，海洋平臺用鋼作為工程結構用鋼在保證海洋設施安全方面起著最為重要的作用。海洋平臺應用在波浪、海潮、風暴及極寒流冰等嚴峻的海洋工作環境中，支撐總重量超過數百噸的鉆井設備。這些使用特征決定了海洋平臺用鋼必須具有高強度、高韌性、抗疲勞、抗層狀撕裂、良好的可焊性和冷加工性、以及耐海水腐蝕等性能指標，這對于保證操作人員生命安全，提高海洋平臺用鋼使用壽命以及開發海洋資源具有重要意義。同時，為了提高海洋平臺用鋼的安全性及可移動性，高強、高韌鋼的使用比例逐年增加。例如，自升式鉆井平臺中高強鋼占55%～60%，半潛式鉆井平臺中高強鋼占90.0%～97.5%，其中平臺用的樁腿、懸臂梁及升級齒條機構等需要460～690 MPa級別及690 MPa以上級別的高強度或特大厚度（最大厚度達到259 mm）等專用鋼［2］。本文對國內外海洋平臺用鋼發展現狀及趨勢加以概述。

1 國外海洋平臺用鋼發展現狀

目前，國際上海洋平臺用鋼板生產所遵循的通用標準主要為 BS7191、EN10225、NORSOK 及API標準。日本主要鋼鐵公司如JFE、新日鐵住金等在海洋平臺用鋼品種的系列化、焊接熱影響區韌化及應用標準制定等方面一直處于世界領先水平，海洋平臺用鋼板抗拉強度覆蓋360～980 MPa范圍，高強鋼板、大線能量焊接鋼板、適應高緯度極寒環境及耐海水腐蝕鋼板等系列品種可實現全系列供貨［3］。

圖1為典型的自升式鉆井平臺、半潛式鉆井平臺及浮式儲油卸油裝置。表1為日本各大鋼鐵企業生產的690 MPa級別海洋平臺用鋼的品種與特點。

表1 日本鋼鐵企業生產的690MPa級高強高韌海洋平臺用鋼品種及特點

表1顯示，JFE、新日鐵住金生產的海洋平臺用高強鋼板具有良好的焊接性，并可實現大線能量焊接，同時兼有優良的低溫韌性，可滿足環境惡劣的深海及極地海洋平臺對于加強結構件、減重部件及焊接結構用鋼板的需求［4-6］。另外，迪林根、瑞典SSAB 等公司開發的 S690、E690、0X812、SE702 或DSE690V等高強度海洋平臺用鋼的屈服強度達到690 MPa以上，低溫沖擊功分別為100 J（-80℃），120 J（-40 ℃）和 74 J（-60 ℃），鋼板厚度達到30～100 mm，很好滿足了固定平臺結構的各項要求。從產品的成分設計來看，690 MPa級海洋平臺用鋼均需采用Cr、Mo、Ni合金化，為了保證鋼板的低溫韌性，甚至需要添加近4%的Ni元素，因此生產成本較高。

當前國外海洋工程用鋼生產主要具有以下特點：

（1）品種的多功能化：海洋平臺用鋼板都可成系列供貨，如高強鋼板、大線能量焊接鋼板、低溫及耐海水腐蝕鋼板等系列品種，實現了全系列供貨。

（2）焊接熱影響區韌化技術：國外鋼鐵企業都開發了自己獨有的焊接熱影響區韌化技術，如JFE公司的JFE-EWEL技術和新日鐵公司的HTUFF技術等。

（3）形成企業獨有的標準：國外鋼鐵企業除能按通用的標準生產海洋平臺用鋼板外，還形成了性能要求更加嚴格、應用環境更加特殊的企業標準。

（4）實施專利保護戰略：國外鋼鐵企業積極進行海洋平臺用鋼的國際專利布局，特別重視在中國申請專利，意圖對我國鋼鐵企業形成技術壁壘，達到降低我國海洋平臺用鋼競爭力的目的。

海洋平臺結構是超大型焊接結構，對鋼的焊接性能有更嚴格的要求，因此相關標準規定高強及超高強海工鋼的Mn含量上限一般為1.60%［7］。目前，690 MPa級等超高強海洋平臺結構用鋼一般采用低C、低 Mn成分基礎上添加大量 Ni、Cr、Mo、Cu的成分設計思路，通過“淬火+回火”工藝形成以回火馬氏體為主的強韌化顯微組織。這類傳統調質鋼不僅合金原料成本高，而且因存在具有脆性裂紋源的滲碳體而難以保證低溫沖擊韌性，延性較差且屈強比普遍高于90%，限制了超高強鋼在海洋平臺結構領域的推廣應用。由于深海區和極地海洋平臺要經受更加強烈的海浪、颶風或低溫冰層的沖擊，除要求關鍵結構用鋼具有高強韌性能外，還必須具有較低的屈強比以滿足安全設計要求。傳統的超高強低合金鋼滿足不了未來深海和極地海洋平臺發展對關鍵材料的安全性要求，因此必須創新鋼鐵材料新產品設計和開發思路。

Mn和C是鋼中最主要的強奧氏體穩定化元素，顯著降低奧氏體轉變溫度，起到細化奧氏體晶粒效果，也能有效增加鋼的淬透性，但含量過高則不利于鋼的焊接性能，并且Mn含量高于2%時增加了熱軋和冷卻過程開裂的危險。近年來，“Mn/C”合金化的TWIP鋼和TRIP鋼在解決汽車車身輕量化和提高安全性方面已經取得令人矚目的進展，人們對Mn在鋼中的作用機理有了新的更深理解［8-9］。Mn對鋼的顯微組織和相變行為影響與Ni有著相似的作用，而成本只有Ni的1/5～1/10。早期在以Mn代Ni提高鋼的低溫韌性研究中，發現Mn含量18%～25%的奧氏體鋼具有非常優異的低溫韌性，但強度相對較低［8-10］。后來，Niikura 和Morris等人研究表明，5Mn鋼經過熱處理細化晶粒和提高奧氏體穩定性獲得了-196℃下的優異沖擊韌性［11］。新型 Fe-(15-30)%Mn-Al-Si-C高錳TWIP鋼通過添加適量的Al或Si來控制層錯能以在冷成型時形成變形孿晶而提高塑性（即TWIP效應），其拉伸伸長率可達60%～95%，而強度可達600～1 100 MPa［12］。添加 5%～10%Mn 的相變誘導塑性即TRIP鋼近年來也得到越來越多的關注［14-18］。20世紀70年代，Miller進行了Fe-0.1C-5Mn合金體系的低碳中錳TRIP鋼研究，通過兩相區退火使穩定的殘余奧氏體含量達到20%～30%，獲得了良好的力學性能［13］。

通過“Mn/C”合金化和熱處理工藝優化，可增加鋼中穩定奧氏體的含量，使鋼在室溫下顯微組織保持為 “奧氏體+貝氏體/馬氏體”，在后續加工過程中殘余奧氏體發生TRIP甚至TWIP效應，在保證強度的同時，極大地提高了應變硬化能力、抗拉強度和低溫韌性，也保證了較低的屈強比，這正是常規低合金鋼中厚板產品所不具備的，也是最吸引人的性能優勢。國外已經加快了“Mn/C”合金化鋼中厚板產品的研發，有的已經走出實驗室達到工業化水平。如最近韓國浦項制鐵公司在厚板熱軋生產線成功試制了30 mm高錳TWIP鋼板，浦項公司厚板線生產的30 mm厚高錳鋼以及與9Ni和低碳鋼的腐蝕速率比較見圖2。圖2（a）為30 mm厚高錳TWIP鋼板，目標是代替昂貴的9Ni鋼應用于LNG低溫儲罐建造。經過全面評估高錳鋼厚板母材和焊接部位的常、低溫拉伸、沖擊韌性、裂紋尖端張開位移、疲勞、腐蝕以及焊接性能，表明與現有9Ni鋼相比，高錳鋼在性能和成本上具有更好的綜合優勢［14］。圖2（b）顯示了 3種鋼在溫度25℃下3.5%NaCl溶液中浸泡14天的腐蝕結果，表明高錳鋼具有與9Ni鋼和低碳鋼相當的耐海水腐蝕性能［15］。圖3 所示為“Mn/C”合金化鋼的主要應用及顯微組織狀態。“Mn/C”合金化鋼中厚板產品未來在海洋平臺用、管線、工程機械用、船舶、LNG等多個領域有著廣泛的應用前景。預期“Mn/C”合金化鋼因其獨有的性能優勢可以更好滿足深海和極地海洋平臺的安全性要求，是海洋平臺用鋼的重要發展方向。

2 我國海洋平臺用鋼的發展現狀及基礎

近年來，我國在海工裝備用鋼的生產方面取得了很大的進步，國產海工裝備用鋼被廣泛采用。在國內，海洋工程用鋼領域中處于領跑地位的鋼鐵企業主要為寶鋼、鞍鋼、新余、舞鋼、南鋼、湘鋼和濟鋼等，其產品在厚度和強度方面已達到基本標準的要求，EH36以下平臺用鋼完全實現國產化，但關鍵部位所用的大厚度、高強度、抗層狀撕裂的Z向鋼等高附加值鋼板仍主要依賴進口。表2是關鍵海工用鋼國內外性能指標對比，從表中可以看出，從產品規格、力學性能指標及焊接性能指標上，國內關鍵海工用鋼產品與國外同類產品差距較大，其中我國鋼鐵企業在690 MPa級海洋平臺用鋼開發主要集中在自升式平臺齒條鋼方面，如鞍鋼采用鍛造坯試制了152 mm厚齒條鋼，舞鋼最厚177.8 mm 690 MPa級齒條鋼A517GrQ通過了ABS船級社認證并有少量供貨，寶鋼152.4 mm 690 MPa級齒條鋼A517Q也實現了少量供貨，沙鋼也開展了齒條鋼特厚板的試制工作。但總體而言，產品性能穩定性差、產品厚度規格較薄，尚不能滿足深海及極寒海域用海洋平臺對高強韌鋼的性能要求，且其成分設計路線以跟蹤國外Ni、Cr及Mo合金化為主，生產成本較高。

表2 關鍵海工用鋼品種性能指標對比

我國在高端海洋工程用鋼的研發方面差距很大。通過前期國家863和支撐計劃等資助，已成功開發出F500-550級寬厚板并成功應用于我國具有自主知識產權的CP-300-1自升式海洋平臺的建設。但是，其強度、強屈比、韌性及產品規格等指標尚落后于國際先進水平，深海及極地用海洋平臺關鍵部位所用高強度、大厚度鋼材仍主要依賴進口，特別是屈服強度690 MPa級高強度、高韌性、耐腐蝕、易焊接的海洋工程用鋼完全從國外進口。因此，海工裝備高端用鋼國產化程度亟待提高，關鍵制備工藝技術亟待取得突破，否則將嚴重制約我國海洋平臺設施的建設，進而影響我國海洋資源的開發和利用。

3 海洋平臺用鋼的發展趨勢

隨著我國不斷加大海洋開發力度，對高性能海洋平臺用鋼的需求量將不斷增加，海洋平臺用鋼也將成為未來幾年國內鋼鐵企業重點研發和生產的產品。綜合分析我國海洋工業的市場需求及現有海洋平臺用鋼與國外產品的差距，可以看到，目前海洋平臺用樁腿、懸臂梁及半圓板等結構件急需升級換代，特厚規格齒條用鋼、極地低溫用鋼等均需開展細致的研究工作，具體發展趨勢體現在以下幾方面。

3.1 加快開發高強度、高韌性的海洋平臺用鋼

從海洋平臺結構設計角度出發，采用高強度和超高強度鋼可以有效減輕平臺結構自重，增加平臺可變載荷和自持能力，提高總排水量與平臺鋼結構自重比。國內的海洋平臺用鋼多集中在E550級別以下，而國外的同類產品多集中在E690級別以上，且使用量遠遠超過國內水平。另外，隨著深海及極地海洋平臺建設的快速發展，海洋工程用鋼的低溫韌性更顯重要，同系列的E級和F級鋼板的需求量逐漸增加，高強度、高韌性海洋平臺用鋼將是今后重點研發的品種。表3列出了目前不同海洋平臺類型及使用的超高強鋼級別，屈服強度690 MPa級超高強鋼已用于自升式平臺樁腿、懸臂梁和張力腿、半潛式平臺系泊構件等。新一代的超深水半潛平臺采鉆深度將在3 000 m以下，高度可達118 m，總排水量與平臺自重比值將超過4.0。據計算，以屈服強度355 MPa級鋼材為基準，若采用690 MPa級鋼替代，則鋼板厚度可減少30%以上，將大幅降低平臺的建造和安裝成本，因此開發并廣泛使用高強韌鋼材對海洋平臺的發展至關重要。

表3 海洋平臺結構類型、工作水深及使用鋼級

3.2 研發低成本高附加值產品

海洋平臺是由鋼結構焊接而成，其中高強鋼所占比例高達60%～90%，如果在高強鋼合金設計上實現減量化，將會大大降低海洋平臺的建設成本。國內現有的690級高強鋼均采用添加大量的Ni、Mo等貴重合金元素，如能通過合金設計，實現“以Mn/C代Ni”的成分設計思路，可以大幅度降低成本。首先，Mn是一種強奧氏體穩定元素，其價格只是Ni的1/5～1/20，其次，高Mn鋼具有優異的強度和塑性的綜合性能以及優異的低溫韌性。高Mn鋼本身的優異綜合性能可以解決目前海洋平臺用690 MPa級超高強鋼的低溫韌性差、屈強比高等問題，能夠滿足未來深海和極地海洋平臺對超高強鋼安全性能和建造成本需求，這也是今后高強、高韌海洋平臺用鋼的重要發展方向。

3.3 良好成形性能的低屈強比海洋平臺用鋼開發

從海洋平臺底部結構設計出發，如果采用先進的樁腿（包括樁靴）結構和升降機構，將會增加平臺的承重能力、抗沖擊能力及耐久性。目前，升降齒條用鋼采用了690 MPa級超高強鋼，但其他樁腿結構用鋼一般僅為550 MPa級別高強鋼。主要原因在于，其他結構用鋼不僅要求具有較高的強度，同時需要良好的成形性能，因而對屈強比進行了嚴格限制，海洋平臺安全設計中結構件用鋼的屈強比不允許超過0.85，以確保塑性失效前有足夠的延展性來防止發生災難性的脆性斷裂。海洋平臺用鋼屈強比一般隨著強度級別增加而升高，如圖4所示。屈服強度500 MPa以上鋼級已很難滿足低屈強比要求，屈服強度690 MPa級高強鋼的屈強比高達0.90～0.95。這也是造成目前平臺結構用鋼級別限制460 MPa以下的主要原因。總之，開發并使用良好成形性能的低屈強比高強鋼已成為海洋平臺建設的必然趨勢，“Mn/C”合金化能夠有效調控高強鋼的組織結構，具有明顯降低鋼材屈強比的優勢，將成為開發新型海洋平臺用鋼的重要保障。

3.4 止裂性能高強鋼開發

針對船舶、建筑、儲油罐、海洋結構、管線等結構設施所發生的一系列的結構件斷裂災難事故，國際工程領域提出了生產和應用止裂性性能鋼板的要求，且正在形成并推廣相關的國際標準。鋼中存在一定量的殘余奧氏體時，在裂紋擴展時可以使其沿殘余奧氏體發生偏轉，或者因裂紋尖端的應力集中引發 “殘余奧氏體→馬氏體”相變的TRIP效應而產生相變韌化，從而提高鋼材的止裂性能，其作用原理如圖5所示。由于“Mn/C”合金化可以有效調控鋼中殘余奧氏體含量，因此通過合理的成分設計以及組織性能控制，實現鋼中殘余奧氏體含量、大小、分布的精確控制，從而有效提高鋼材的止裂性能，這是高強韌海洋平臺用鋼的又一重要發展趨勢。

4 結論

圍繞國家在建設海洋重大基礎設施、快速發展海洋經濟方面遇到的關鍵原材料制約問題，通過分析國外海洋平臺用鋼研發生產現狀、發展特點以及推廣應用面臨的技術瓶頸，指出我國超高強海洋平臺用鋼方面的現狀與差距，提出高強高韌、低成本“以Mn/C代Ni”成分設計、低屈強比和高止裂性能的新技術發展趨勢，應重點研制屈服強度為690 MPa級海洋平臺用高強韌鋼，以實現海洋平臺建造中關鍵材料的國產化。

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