海工領域用歐標鋼材的解析

宋立新

(海洋石油工程(青島)有限公司,山東 青島 266520)

1 前 言

隨著海洋裝備制造業的快速發展，與之相配套的海洋工程領域用鋼必然會成為鋼材需求的新亮點。掌握海洋工程制造業用鋼的發展方向，這對于海洋工程制造和鋼材制造企業都是十分必要的[1-4]。歐洲是世界上海洋工程發展較早的地區之一，大量先進的海洋工程裝備的開發設計標準及材料標準都是歐標[5]，中國企業承攬的大量海外建造項目大多遵循歐洲標準，使用歐標鋼材。因此熟練掌握歐標鋼材分類及標記，并且將其與國標材料進行對比解析，對于指導實際生產具有重要意義。

2 歐標鋼材的分類

按EN 10020:2000[6]標準，根據鋼材中的化學成分把鋼材分為：非合金鋼、不銹鋼、合金鋼。非合金鋼：成分達不到EN10020:2000中表1中的合金元素限定值的鋼定義為非合金鋼；不銹鋼：鉻含量至少為10.5%，碳含量最大值為1.2%的鋼為不銹鋼；合金鋼：成分至少達到EN 10020：2000中表1中的合金元素限定值的鋼為合金鋼。合金鋼按照其合金元素的含量，又分成低合金鋼和高合金鋼。低合金鋼，每一個合金元素的平均含量(按質量分數)<5%，例如，13CrMo4-5。高合金鋼(包括不銹鋼)，至少有一個合金元素的含量(按質量分數)≥5%，例如，X8Ni9(其它高合金鋼)、X5CrNi18-10(不銹鋼)。

3 歐標鋼材的標記

歐標鋼材按EN 10027-1[7]、EN 10027-2標準進行標記。EN10027-2為材料的數字編號，在此不作重點介紹。EN 10027-1為材料的符號標記，為了表示牌號將鋼材分為兩大組：第1組，按照鋼的用途和性能命名的鋼；第2組，按照化學成分命名的鋼。

3.1 按照鋼的用途和性能命名的鋼

歐標鋼材包括S結構鋼(非合金結構鋼、耐候鋼、細晶粒結構鋼)、P壓力容器用鋼、L管線用鋼、E機器制造用鋼、B鋼筋用鋼、R鋼軌用鋼、G鑄鋼。

以結構鋼為例，S表示結構鋼；235,355,460等表示最小屈服強度(MPa)；J0，J2,K2表征不同溫度條件下的沖擊功；M-熱機械軋制，N-正火或正火軋制，Q-調質，G-其它特性；C-具有特別的冷變形能力，D-液浸鍍層， H-空心型材，L-用于低溫，W-耐候鋼。表1中總結了一些結構鋼相關標準和牌號實例。

表1 結構鋼的標準和牌號實例Table 1 Examples of grades and standards for structure steels

3.2 按照化學成分命名的鋼

(1)平均含錳量<1%的非合金鋼，例如，C35R，C%=(35/100)%=0.35%。另外，R表示硫含量范圍，D表示用于拉絲線材，S表示用于彈簧，E表示特殊硫最大含量，C表示用于冷成型。表2中總結了一些平均含錳量<1%的非合金鋼的相關標準和牌號實例。

表2 平均含錳量<1%非合金鋼的標準和牌號實例Table 2 Examples of grades and standards for non-alloy steels with an average manganese content<1%

(2)平均含錳量≥1%的非合金鋼、非合金易切削鋼和合金鋼(高速鋼除外)，每一個合金元素的平均含量(按質量百分比) <5%。例如，13CrMo4-5，C%=(13/100)%=0.13%，Cr%=(4/4)%= 1%，Mo%=(5/10)%= 0.5%。合金元素的合金系數按照EN 10027-1中表13進行選取。表3中總結了一些平均含錳量≥1%的非合金鋼的相關標準和牌號實例。

(3)不銹鋼和其它合金鋼(高速鋼除外)，至少有一個合金元素的含量(按質量百分比)≥5%。例如，X5CrNi18-10，X表示至少一種合金元素平均含量≥5%，C%=(5/100)%=0.05%；Cr%=18%，Ni%=10%。其它材料詳見表4中所述規范。

(4)高錳鋼高速鋼，特殊合金工具鋼。例如，HS2-9-1-8，HS表示高速鋼，后面數字分別為W，Mo，V，Co的質量百分含量。

4 海工領域歐標鋼材的探討

4.1 海工領域的歐標鋼材

一般來說，海工領域用鋼主要分為[8]：① 軋制鋼材，所用到的鋼材類型除鋼板外，還包括H型鋼、扁鋼、圓鋼、角鋼、工字鋼及槽鋼等。最大屈服強度大于690 MPa。其中海洋工程中用量最多的是355～460 MPa的軋制鋼板及H型鋼。② 中空鋼材，包括用于結構、管線、壓力容器、熱交換器及低溫耐蝕等環境下的無縫鋼管、焊接鋼管及方形鋼管等。③ 鋼鍛件及鋼鑄件，有碳錳鋼、不銹鋼。當前常用的海工領域鋼材主要涉及的歐洲標準有EN 10025、EN 10225、EN 10210、EN 10149、EN 10028、EN 10083、EN 10088、EN 573、EN 1173等系列標準。

表3 平均含錳量≥1%的非合金鋼的標準和牌號實例Table 3 Examples of grades and standards for non-alloy steels with an average manganese content≥1%

表4 合金鋼的標準和牌號實例Table 4 Examples of grades and standards for alloy steels

以結構鋼材為例，歐標最常用的規范是EN 10025、EN 10225，相對應的國標為GB/T 700、GB/T 1591、GB 712、GB/T 8162等。EN 10225為固定海洋工程可焊接結構鋼板專用標準，所屬鋼材分為3個組別，共20個牌號，強度等級在355～460 MPa之間。其中海洋工程中最常用的S355級別的鋼材橫跨了3個組別。組別1是在EN 10025鋼材的基礎上限制了硫磷的含量，提高了微量元素的上限值，目的是提升鋼材的純凈度，改善鋼材的塑韌性和焊接性，并且組別1鋼板的最大厚度只能為40 mm。EN 10225的組別2及組別3鋼材與EN 10025皆有實質性的區別，包括冶煉方法、化學性能、機械性能、探傷、焊接性、交貨狀態的特殊要求[9]。例如，組別3要求真空脫氧冶煉，降低P、S含量，從而達到減小成分偏析的目的；組別2、3均要求進行產品成分分析，其分析結果和熔煉分析結果的要求一致，目的是控制產品的成分偏析；組別2、3的CEV計算也基于產品分析，S355G9、S355G10還要求計算Pcm值；組別2、3只允許正火爐正火的交貨狀態，在線正火交貨需經客戶同意；組別2、3限制屈強比的上限，從而保證材料的塑韌性，且EN 10225中特別對厚度大于40 mm的組別2、3提出了應在鋼板1/2厚度處取樣加做一組沖擊實驗的要求。另外，EN 10225中針對板材、型材、中空線材的材料牌號均有定義；并且規定了成分和機械性能實驗的批重為40 t，相比國標GB 712的50 t，EN 10225的批重更小，取樣量更大。作為海洋工程用鋼的專用標準，EN 10225相對于普通結構鋼在相應的質量要求上有所提升，分類更加詳細。規定了30多項用戶可選項，可根據不同的服役條件進行訂貨，有效地避免了資源浪費。

4.2 海工領域用歐標鋼材替換及思考

結構鋼材替換，需要考慮以下幾個方面[10-12]：材料替換的原則；化學成分對比；機械性能對比；型鋼截面替換；表面質量；供貨條件；探傷要求；尺寸公差。

如果從等成分等強度的原則上考慮海工領域用鋼國標材料和歐標鋼材替換，基于目前國家標準的情況很難實現所有材料的對應替代。國標鋼材種類和性能還不能完全滿足歐標市場海工領域用鋼的需要，但是這不代表國內鋼鐵企業不能生產各類歐標鋼材。目前國內S355級別及以下的海洋工程用高強度歐標結構鋼材基本實現了國產化，占了海洋工程用鋼量的90%，但關鍵部位所用超高強度、大厚度鋼板、抗層狀撕裂的Z向鋼和深海天然氣工程用的海底大壁厚深海用管線鋼等，國內只有個別鋼廠能夠生產，大多鋼廠還處在研發試制階段，多數依賴進口。特別是屈服強度在690 MPa以上、高韌性、耐腐蝕、易焊接的海洋工程用鋼基本依賴進口。國內鋼鐵企業生產的涉外項目海工用鋼大多采用的是EN10225、NORSOK及API標準。目前，欲將國標材質直接應用于歐洲項目，只能從設計源頭著手，在設計階段就考慮使用國標材料。但是，這種方案很難被國外設計機構所采納，而且設計難度和項目風險都將增大。

需要重點關注的是我國海洋工程用鋼的專用國家標準GB 712是根據船體用結構鋼材升級而來，從定義嚴謹性和產品牌號劃分上較EN 10225標準有很大差距，僅依據強度等級和沖擊韌性分成了3類40個牌號。其中有16個牌號強度是在500～690 MPa，8個牌號小于355 MPa，并且不涉及組別特殊性，也不涉及型材和中空線材，往往造成海工用H型鋼引用JIS標準，小于400 mm的鋼管引用GB/T 8162 結構鋼管標準，大于400 mm鋼管采用鋼板進行卷制。實際上國內很多鋼廠可以生產1000 mm以下的S355級別的無縫鋼管，造成了資源的浪費，嚴重制約了國產高強鋼在海工領域內的應用。另外，GB 712中材料的化學成分要求比較寬泛，沖擊功值要求較低，在海洋工程中常用的S355到S460級別的鋼材也不能等效對應EN 10225。

5 結 語

當前在海洋工程領域采用國家標準鋼材替換歐標鋼材，依然沒有合適的依次對照關系。因此熟悉掌握歐洲系列鋼材標準，有利于推動海洋工程裝備制造業的發展。同時，國內海洋工程制造企業及鋼材供應企業應該積極推動海洋工程用鋼專用國家標準的發展，這將有利于減小貿易壁壘，提升國產高強鋼的應用范圍。