極地海洋裝備用鋼發展方向研究

王曙光,朱 軍

(江南造船(集團)有限責任公司,上海201913)

0 引言

極地區域擁有極為豐富的自然資源,對世界未來經濟社會的可持續發展有著重要的支撐作用[1-2]。隨著全球氣候變暖、海冰大量融化,極地蘊藏的豐富資源和極具價值的北極航道將極大地提升極地的實際價值[3-5],因此,極地海洋裝備的開發建設日益增多。極地常年低溫、多冰的環境對極地裝備用鋼材料性能提出了更高的挑戰。我國現有船舶材料體系主要針對常規海域環境,在極地環境方面的材料應用研究起步晚、投入少。

為此,本文通過收集目前國外先進極地海洋裝備用鋼的研究成果及使用情況,對比國內發展現狀,分析目前國內極地海洋裝備用鋼的短板,提出我國極地海洋裝備用鋼的發展建議。

1 國外極地海洋裝備用鋼研究現狀

2000年,俄羅斯成功開發出屈服強度為235～690 MPa的新型極地用鋼,最高耐寒級別可達F級,工作溫度為-40～-50 ℃,保證在-60 ℃下不發生脆斷。同時在F級耐寒鋼的基礎上開發了以“ARC”為后綴的極地專用高強鋼,強度級別范圍涵蓋了315～750 MPa,并已完成了相應配套焊接材料的開發,可不受限制地用于任何極地裝備結構。目前,俄羅斯已形成較為完整的極地用鋼材料體系,工作溫度低至-60 ℃,已用于冰區航行船舶、破冰船、考察船、海上鉆井平臺等設計建造,較好地解決了裝備/結構在高鹽度海冰中的脆斷、疲勞、腐蝕與沖刷磨損問題。同時正在開展890 MPa和960 MPa級別的ARC級耐寒鋼的開發工作。

20世紀80年代,日本在EH36鋼基礎上開發出厚度達75 mm的極地船舶與海工裝備用EH36-060鋼,屈服強度超過430 MPa、-60 ℃夏比沖擊功超過300 J、50%韌脆轉變溫度(FATT)約為-100 ℃,可實現大線能量焊接。EH36-060鋼已被用于破冰船、極地油船和極地海洋平臺建造[6-7]。

美國重型破冰船的船體結構采用了HY-80、CG-ASTM 537M、EH36-060(Mod)等鋼種,但高強度等級的HY鋼容易出現焊接開裂和應力腐蝕開裂,導致建造成本過高。HSLA-80和HSLA-100低合金高強鋼雖然碳當量較低(0.06%～0.08%),但是焊接接頭在使用過程中容易開裂。

韓國開發了耐極地低溫鋼FH32、FH36及極地LNG船用EH500、FH500鋼,并應用在“Araon”號科考破冰船與亞馬爾LNG項目的極地油輪和極地LNG運輸船上。目前,世界上共有60多種屈服強度超過500 MPa的北極裝備用耐寒鋼。

芬蘭的“芬尼卡”號與“諾地卡”號破冰船船體結構采用經挪威船級社認證的NVE 500級高強鋼,單艘破冰船用量約1 300 t,約占總用鋼量的33%。NVE 500級鋼的規定屈服強度和抗拉強度分別為500 MPa和610～770 MPa,-40 ℃沖擊功不低于27 J。與常規的RAEX Polar 鋼相比,RAEX 500E Polar 的合金成分有所優化,焊接接頭耐海水腐蝕性能有所增強,低碳當量使其無需焊接預熱和高熱量輸入焊接。2016年服役的“北極星”號破冰船的抗冰加強船體由48 mm厚高強鋼焊接而成,冰帶部位采用高強鋼-耐酸不銹鋼復合板,不銹鋼覆層厚約5～7 mm,維護性優于常規的冰帶用復合鋼板材。

2 極地船舶與海工裝備用鋼評價技術

2.1 極地船舶與海工裝備用鋼技術指標要求

極地地區低溫、多冰等復雜工況對極地地區運行的船舶與海工裝備用鋼的服役性能提出了嚴苛的要求,具體如下:

(1)需要具有較高的強度,材料屈服強度235～690 MPa,最高可達890 MPa。

(2)有良好的強度、延展性、抗層狀撕裂性能與低溫韌性,低溫靜態、循環及動態載荷條件下,材料均不發生脆性斷裂。

(3)材料要具有良好焊接性,無需預熱與后熱處理,或僅需最低預熱溫度。

(4)有良好的冷加工適應性和耐海冰磨蝕性。

因此,各國對極地船舶與海工裝備用鋼提出較高的技術指標要求,具體如下:

(1)歐洲標準EN 10025-6 對北極地區用低合金高強鋼軋制板材(厚度3～50 mm)的力學性能要求見表1。

表1 EN 10025-6 標準規定北極用低合金高強鋼板材力學性能

(2)俄羅斯船級社對F級耐寒鋼的性能要求有專門規定;2012年又將ARC級耐寒鋼納入要求,以滿足北極地區對鋼材耐寒性、抗裂性及可焊性的額外要求。

2.2 極地船舶與海工裝備用鋼評價規范

國際海事組織(IMO)海上安全委員會2014年通過了《國際極地船舶水域作業規則》,國際船級社協會(IACS)也于2006年發布了《極地船級統一要求》(IACS UR)。IMO還分別于2002年和2009年發布了《在北極冰覆蓋水域內船舶航行指南》和《在極地水域內船舶航行指南》。IMO規則和IACS指南構成了極地船舶設計、建造及航行作業的主要國際性公約。其中,IMO規則明確提出“極地船舶必須采用適應極地環境的結構材料及建造工藝,以防止因脆性斷裂而導致的船體結構失效事故”[8-9]。

IACS UR 規定了各級冰區船舶結構用材料分為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三類,最高級別是50 mm的FH高強鋼,要求-60 ℃沖擊韌性。各國船級社在IACS UR的基礎上編制了各自的極地船舶規范,規定了各級極地船舶的強度設計要求及所用材料級別,技術要求與IACS UR基本一致。中國船級社首次把極地航行船舶規定編入《鋼質海船入級規范》(2009)中。但目前極地船舶規范以船級社規范鋼級要求為依據進行選材,尚無專門的極地船舶材料規范。而現有船級社規范鋼級以沖擊試驗溫度進行定義,最高級別為-60 ℃沖擊溫度的F級,其能否應用于評價極地船舶所承受冰層的動態、連續沖擊載荷及溫差變化大的苛刻條件尚未可知。根據英國勞式船級社對近700艘極地船舶長達40 a的跟蹤調查,發現57%的極地船舶在平均13 a船齡后船體鋼結構出現裂紋或斷裂現象。這表明現有規范對斷裂安全性的評價準則不能反映極地船舶服役環境。

3 國內發展現狀及短板分析

3.1 極地用結構鋼及復合鋼板開發與應用

目前,國內鋼廠已開發出355 MPa和390 MPa的極地用低溫鋼,最大厚度達到68 mm,并開展了相應的低溫服役性能評價研究工作,鋼板低溫抗層狀撕裂性能、低溫韌性、低溫抗脆斷性能良好。其中,355 MPa級鋼板已用于“雪龍”號破冰船關鍵設備的安裝改造。同時國內七二五所聯合國內鋼廠分別開展了極地用355 MPa和390 MPa級爆炸復合板(最大厚度68 mm)和軋制復合板(最大板厚48 mm)的試制工作,初步完成了試制復合板的應用性能評價工作,并開展典型破冰結構單元模型建造。

根據極地用鋼及復合鋼板的服役性能要求,我國在極地用結構鋼及復合鋼板性能評價方面還存在以下短板:

(1)極地用結構鋼和復合鋼板強度等級較低,目前國內僅具備355 MPa和390 MPa級鋼及復合板生產能力。

(2)極地用結構鋼和復合鋼板最大板厚規格較小。目前,國內生產的355 MPa和390 MPa級鋼及復合鋼板最大板厚規格僅為68 mm。

(3)極地用結構鋼和復合鋼板的實船應用經驗不足,認可度不高。目前,國內僅有355 MPa級極地用鋼用于“雪龍”號的維修改造。

(4)國內極地用結構鋼和復合鋼板配套焊接材料國產化不足。國產355 MPa和390 MPa級極地用鋼及復合鋼板的焊接適應性評價及典型破冰結構單元建造所用國產焊接材料難以滿足極地服役性能要求,亟需開展極地用配套焊接材料的開發工作。

3.2 極地用結構鋼和復合鋼板評價體系

極地船舶與海工平臺等裝備長期面臨惡劣的服役環境,加之極地生態環境脆弱,對結構安全性能提出嚴格要求,對極地用鋼的性能提出以下要求:

(1)材料應具有良好的強度、延展性和抗層狀撕裂性能。

(2)材料應具有良好的低溫韌性、低溫靜態和動態載荷條件下抗脆斷性能、低溫止裂性能。

(3)材料應良好的低溫抗疲勞性能。

(4)材料應具有良好的耐海冰磨蝕性能。

我國在極地用結構鋼及復合鋼板性能評價方面還存在以下短板:

(1)拉伸試驗一般采用標準小尺寸圓棒拉伸試樣或板狀拉伸試驗。由于試樣尺寸較小,不能全面反映極地用鋼的拉伸強度、延展性和抗層狀撕裂性能,需建立原板厚低溫靜強度拉伸性能評價技術。

(2)采用標準斷裂韌性試驗,尤其是焊接接頭試樣均為去除余高試樣,難以反映焊接接頭結構應力及殘余應力的影響。而抗脆斷性能試驗一般采用標準沖擊試樣,試樣尺寸小,難以反映鋼板的整體抗斷性能,需建立能夠原板厚低溫斷裂韌性試驗和原板厚低溫抗脆斷性能評價技術。

(3)國內現有止裂性能評價方法主要考核鋼板-10 ℃下的止裂性能,還未能形成有效考核極地用鋼的止裂性能評價方法,需建立基于極地服役溫度的止裂性能評價技術。

(4)現有疲勞性能評價方法一般為常溫板狀或圓棒狀疲勞試驗,還未能形成針對極地環境服役溫度的原板厚鋼板及焊接接頭疲勞性能評價方法。

(5)缺乏有效評價極地用鋼及復合鋼板腐蝕與磨損耦合效應的評價方法。

因此,建立能夠有效反應極地低溫用鋼實際服役性能的評價技術,確定極地用鋼服役性能技術指標體系,確保極地裝備的服役安全是當前亟需解決的問題。

4 極地海洋裝備用鋼發展方向

4.1 建立極地用結構鋼材料體系

(1)推動國產極地低溫用鋼在極地裝備上的應用。在前期355、390 MPa級低溫鋼開發、低溫環境適應性研究的基礎上,進一步優化材料的性能,同時確定能夠有效表征極地低溫鋼低溫抗斷、止裂、耐疲勞和耐磨蝕性能的表征參量,建立相應的技術指標,推動國產355、390 MPa級低溫鋼的實船應用[10]。

(2)完善我國極地用鋼材料體系。積極開展460、500 MPa級低溫鋼的開發與性能評價,確定鋼板成分和生產工藝,對鋼板的低溫應用性能進行系統的評價,同時開展550、620、690 MPa極地低溫鋼的開發與性能評價工作,初步形成我國極地用鋼材料體系[11]。

(3)開發極地用鋼配套焊接材料。開展極地用焊接材料的開發工作,初步實現極地用焊接材料的國產化。

4.2 建立極地用結構鋼評價體系

基于現有評價技術難以有效考核極地用鋼實際服役性能的問題,結合極地服役環境,建立工程型低溫靜強度、低溫韌性、低溫抗脆斷性能、低溫止裂性能、低溫耐疲勞及低溫耐磨蝕性能評價技術,確定極地低溫用鋼服役性能表征參量,建立極地低溫用鋼服役性能技術指標體系,進而確保極地裝備的服役安全性。

4.3 建立極地用結構鋼技術指標與標準體系

首先結合極地低溫用鋼工程型評價試驗方法與標準試驗評價方法,確定極地用鋼工程型試驗性能表征參量與常規檢驗性能表征參量的相關性。然后建立適用于極地低溫用鋼的技術指標,修訂現有低溫用鋼標準規范。最終形成適用于極地低溫用鋼的標準規范。

5 結語

本文通過收集目前國外先進極地海洋裝備用鋼的研究成果及使用情況,對比國內發展現狀發現,我國未來需要加強國產復合鋼材在實船的應用,建立極地用結構鋼材料體系及與之配套的標準體系,支撐我國極地船舶與海洋工程裝備形成體系能力,為維護我國在極地的安全和利益提供裝備發展的決策依據。