不同標準下幾種高強度船板的化學成分及力學性能對比分析

陳欣

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

隨著海洋石油勘探工作快速推進，在我國僅海洋平臺結構板材的鋼需求量每年就達30萬噸以上，高強度結構板材的需求也逐年增大。海洋平臺作為長期深處海洋復雜作業條件下的特殊平臺，其服役期往往大于船舶類50%以上，由于長期受到低溫、日照、海風及海浪的侵蝕，其結構設計和材料必須具備高強度、高韌性、抗沖撞、抗撕裂、抗侵蝕和抗疲勞和較優良的焊接性能。目前，我國水下生產設備的制造和研發也已快速發展至深水水平，為進一步適應深水海洋工程開發和國際市場需求，迫切需要對高強度船板性能進行研究，以實現板材選型和工程質量保障。以下就不同規范標準的高強度船用板材進行化學成分和力學性能對比分析。

1 規范標準概述

目前，世界造船業及船用鋼材參照執行的主要船級社規范有中國船級社CCS、美國船級社ABS、德國船級社GL、法國船級社BV、挪威船級社DNV、日本船級社NK、英國船級社LR、韓國船級社KR及意大利船級社RINA等。隨著海洋石油勘探及造船業的快速發展，噸位更大的海洋平臺及大型貨船不斷出新，對船體板材的厚度要求及性能要求也越來越高，為此十幾年間各國均對本國的船級社規范進行了一定的規范調整和改動。我國船體用結構鋼標準GB/T 712頒布與實施已有10年多時間。

2 高強度船板的性能及軋制工藝

高強度船板在海洋工程中應用于大型船舶、海洋平臺及水下設備。高強度船板板材較一般板材更厚、耐腐蝕性能、力學性能更好，同時，要求其低溫韌性和焊接性能更高，因此對其加工工藝要求更高，加工技術也相應較為繁雜。生產廠家對冶煉工藝和內在質量的技術研發，極大地降低了高強度結構鋼材中的有害元素及雜質含量。當前，國內高強度船板主要以熱軋或控軋替代正火的方式生產船板。厚度小于35mm的采取二階段控軋的方式生產，厚度大于35mm的多以熱軋加正火的方式生產。

3 不同標準下高強度船板的化學成分及力學性能對比分析

本節將結合GB/T 712船體用結構鋼標準、挪威船級社DNV-OS-B101、法國船級社BV NR216、美國材料與實驗協會ASTM A131/A131M及中國船級社CCS規范，主要對比分析D、E系列高強度船板性能及要求。

3.1 化學成分

國外所產的鋼材其實物的質量通常均高于標準水平且性能較為穩定，為此當前入級的其他國外船級社對鋼內在成分質量的配比元素，沒有進行較為嚴格的規定，但我國由于鋼材的性能波動較大，為此對鋼材質量和標準進行化學成分的上下限應進行嚴格明確的控制和調整。

為確保所生產的高強度船板的技術性能要求，多會應用微合金化技術，即在鋼中添加Nb、V、Ti等合金元素，并結合所需控軋工藝達到細化晶粒，以提高船板的強韌性；對Mn和Si的上下限進行規定可以保證其力學性能的穩定；對鋼中的S、P、N、0、H等含量要求應結合船級社的標準進行嚴格控制，確保鋼坯鋼質純凈度。見表1。

表1 不同標準下高強度鋼的化學成分對比

由上表可見，僅在ASTM規范中對Si含量的下限值，在其他規范中均為對Si的上限進行規定。從上表中還可以明顯看出，GB/T 712中的P和S元素的含量與其他標準有較大差別，其余元素在各個標準中的要求是一致的。除上表中對元素組分的規定，在標準中還說明了供方可以全部或部分用鈮、釩代替鋁，表中規定有鋁、鈮、釩等元素，或單獨加某一種或同時加幾種元素，如混合加入幾種元素其含量可以小于表中規定的下限。GB/T 712與其他規范中對碳當量最大值的要求是一致的（BV和ASTM規范中不涉及厚度100～150mm的船板）。

船級社規范規定：鋼應含有鋁、鈮、釩或其他合適的晶粒細化元素，可以是一種或任意幾種配合，當只用一種時，鋼應含有規定的最低含量晶粒細化元素，當幾種元素配合使用時，對其中任一元素規定的最小含量就不再適用。

在三國船級社規范中，對鋼種的脫氧方法明確規定：厚度大于25mm的D級鋼和所有E級鋼，須鎮靜處理并用鋁作為細化晶粒元素。

3.2 力學性能

目前，我國標準規范中已將高強度鋼的抗拉強度σb的上限由490N/mm2擴大為660N/mm2，見表2。

在抗拉強度要求中，ASTM規范中各級別的抗拉強度最大值與其他規范要求不同，32公斤級材料抗拉強度最大值大于其他規范20MPa，但36公斤和40公斤級抗拉強度最大值小于其他規范10MPa。

最小伸長率除ASTM規范中均為20%外，其他規范要求一致。

BV及ASTM規范對沖擊功的要求適用于100mm以下板厚，其他規范適用于150mm以下板厚。在GB/T 712規范中，≤50mm鋼板的縱橫向沖擊功要求均大于其他規范。

另外，從表1可知，將標準規范中增加了100厚度及≤100mm的鋼板，另外，鋼種方面增加了F級和40公斤級，由于近年來我國海上作業平臺及大型船舶需求日益增大，深海油氣田項目也日漸增多，因此，對萬噸以上船舶、水下產品等需求增加，對船板厚度和強度要求也增加，所以市場對40kg級的鋼材需求越來越大。

3.3 交貨狀態

目前，基于GB/T 712交貨狀態比較可見：交貨中熱軋、控軋和正火三種形式基礎上已增加了與入級船級社規范中的熱機械控制軋制方式（TMCP)，經過熱機械軋制的軋件可獲得正火或其他熱處理后的性能。并經由沖擊試驗可以獲得較為穩定的試驗效果，經船檢相關部門同意后，方可按熱軋狀態進行交貨。與其他規范不同的是，在DNV規范各級別材料中均有淬火加回火的交貨狀態。此外，對于在厚度不大于50mm的材料，僅ASTM規范在EH40牌號中未標注有淬火加回火狀態。

目前，所有供方鋼材的交貨狀態均參照各國船級社的規范對細化晶粒方法、鋼板厚度以及沖擊試驗頻數一并考慮；由于海洋平臺及大型船舶常年處于海洋運行環境中，因此，基于安全視角，各國船級社標準規范中均對鋼材交貨狀態進行了明確的規定，且越來越細化和具體。為了確保我國鋼材生產廠家在執行GB/T 712 標準時不出現和其他船級社規范發生沖突，未來應針對性在標準規范中對交貨狀態參照國外船級社規范進行修訂。

3.4 表面質量

GB/T 712標準規范中明確規定了所有鋼板的表面不得出現分層，不允許有氣泡、結疤、裂紋、拉裂、折疊、夾雜和壓入氧化鐵皮等，但對允許的缺陷也有具體的規定，即：允許有且不妨礙檢測表面的薄層氧化鐵皮、鐵銹，但對軋輥所造成的不明顯的粗糙、劃痕及其他局部缺陷，但應保證其深度不得大于相應的負差范圍，且應保證鋼板的最小厚度。

入級的其他的船級社規范中，沒有針對性的規定出現不允許的缺陷；但規定了鋼板的任何部位其厚度均不能低于公稱厚度的93%，并確定了任何情況下其厚度均不得高于3mm的厚度減小值；進行表面研磨面積不高于0.25mm2；進行檢測過程中的鋼板的局部研磨面積的總和應不得高于總面積的2%。

4 結語

標準規范是大國裝備制造業的基礎，也是構建供求雙方的市場關系紐帶；持續修訂更高水平的鋼材標準，對于提升我國鋼材質量及品牌形象具有重要的推動作用，隨著我國GB/T 712標準的技術水平持續提升，對我國造船行業整體水平和提升國內外市場份額具有積極的正向作用。