高強度結(jié)構(gòu)用鋼在海洋工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究

王飛

（中海油田服務(wù)股份有限公司，河北 廊坊 065201）

高強度結(jié)構(gòu)用鋼是現(xiàn)代社會工程建設(shè)中應(yīng)用的一種主要材料，具有強度高、韌性好的特點。海洋工程中應(yīng)用高強度結(jié)構(gòu)用鋼，不僅是海洋工程建設(shè)的必然需求，同時也是海洋工程質(zhì)量提升的主要途徑。海洋工程建設(shè)與陸地工程建設(shè)有所不同，海洋中結(jié)構(gòu)所承受外力，所處環(huán)境不同，尤其是風(fēng)力作用較大，海水腐蝕比較嚴重，都影響海洋工程穩(wěn)定性，所以采用更高強度的鋼材，能夠有效地提升海洋工程結(jié)構(gòu)質(zhì)量，提升海洋工程使用壽命，對于我國海洋探索以及海洋科技開發(fā)都有關(guān)鍵的作用。

1 高強度結(jié)構(gòu)用鋼材料

高強度結(jié)構(gòu)用鋼材料是現(xiàn)代鋼筋材料的主要種類，是現(xiàn)代鋼筋材料的新研發(fā)。高強度結(jié)構(gòu)用鋼是一種低合金鋼材料，是在傳統(tǒng)鋼材基礎(chǔ)上研發(fā)的新型鋼筋材料，該材料與傳統(tǒng)鋼材相比，具有更優(yōu)的性能。

高強度結(jié)構(gòu)用鋼具有良好的焊接性能、塑性、韌性和加工工藝性，較好的耐蝕性，同時在較高強度的性能之下，高強度結(jié)構(gòu)鋼在應(yīng)用過程中，冷脆的轉(zhuǎn)換溫度也比較低，從而使高強度結(jié)構(gòu)用鋼材料的使用壽命增加。在當前，高強度結(jié)構(gòu)用鋼材料主要包括Q295、Q345、Q390、Q420、Q460 以及Q500 等。不同的高強度鋼材性能不同，同時應(yīng)用方向也有所不同。例如，Q345（16Mn）具有良好的綜合力學(xué)性能、低溫沖擊韌性、冷沖壓、切削加工性、焊接性能等，但缺口敏感性較大，廣泛用于受動荷載作用的焊接結(jié)構(gòu)，如橋梁、車輛、船舶、管道、鍋爐、大容器、油罐、重型機械設(shè)備，礦山機械和－40℃低溫壓力容器。再如，Q420 鋼材也適合應(yīng)用與大型船舶、海洋橋梁以及海洋工程建設(shè)，對于海洋工程建設(shè)有重要的意義。

2 高強度結(jié)構(gòu)用鋼材料在海洋工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用探討

高強度結(jié)構(gòu)用鋼材料在海洋工程結(jié)構(gòu)中應(yīng)用，對于海洋工程建設(shè)有重要的意義，以下是從必要性、作用等角度分析海洋工程中應(yīng)用高強度結(jié)構(gòu)用鋼。

（1）海洋工程建設(shè)過程中應(yīng)用高強度型鋼具有必要性。其一，海洋資源豐富，以北冰洋為例，蘊藏資源超過2000 億噸油氣。所以，在陸地資源瀕臨枯竭的背景之下，資源探測開采開始進入海洋領(lǐng)域。所以，現(xiàn)代海洋工程逐漸增加，而海洋工程建設(shè)中，鋼筋材料又是不可或缺的材料。在海洋工程中，海洋工程平臺基建，海洋船舶建造、海洋油氣開發(fā)管道等材料都是鋼筋材料，所以在海洋工程建設(shè)過程中，繼續(xù)使用高強度鋼材。其二，海洋工程建設(shè)過程中，對于鋼材的屈服強度要求非常高。主要原因是我國沿海受臺風(fēng)影響較大，極端海況時有發(fā)生，這就要求結(jié)構(gòu)物具有較大的極限強度和冗余。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)分析顯示，海洋移動平臺結(jié)構(gòu)可分為主要結(jié)構(gòu)、次要結(jié)構(gòu)和特殊結(jié)構(gòu)，其中主要結(jié)構(gòu)和特殊結(jié)構(gòu)對整體安全性起主要作用，一般要求鋼材屈服強度達到355MPa、420MPa 以及690MPa，普通鋼材難以達到強度要求。

（2）海洋工程建設(shè)結(jié)構(gòu)用鋼采用剛強度結(jié)構(gòu)鋼具有重要的意義。其一，從工程本身而言，其作用是提升了海洋工程結(jié)構(gòu)的使用壽命。高強度結(jié)構(gòu)用鋼的耐蝕性、強度性能都全面優(yōu)于普通鋼材，所以其應(yīng)用于海洋工程結(jié)構(gòu)當中，就具有耐久性優(yōu)勢，給予海洋工程更高強度的保護作用。其二，從海洋工程角度而言，采用高強度鋼，提升了海洋工程的強度和使用壽命，對于后續(xù)的海洋資源開發(fā)以及海洋工程建設(shè)也有重要的意義。

3 高強度結(jié)構(gòu)用鋼在海洋工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用方向

海洋領(lǐng)域擁有著廣闊的空間資源，所以海洋工程建設(shè)非常必要，我國海洋資源也非常豐富，在海洋工程建設(shè)過程中，采用高強度結(jié)構(gòu)用鋼，有利于海洋工程質(zhì)量提高。當前，高強度結(jié)構(gòu)用鋼已經(jīng)廣泛應(yīng)用于海洋工程建設(shè)中，以下是對海洋工程結(jié)構(gòu)中高強度結(jié)構(gòu)鋼的具體應(yīng)用。

3.1 海洋船體結(jié)構(gòu)用鋼

海洋工程建設(shè)中，海洋船舶也是工程使用船只非常關(guān)鍵，主要作用包括科學(xué)考察、運輸物資等，所以在海洋工程建設(shè)中，相關(guān)專家也提出了采用高強度用鋼建造船只的思路，以提升海洋船舶質(zhì)量。現(xiàn)代海洋船舶船體結(jié)構(gòu)建造過程中，通常采用A、D、E、F 四種不同級別的鋼材。當前，在海洋船體結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用過程中，EQ56是常見的高強度結(jié)構(gòu)用鋼材料，同時也包括EQ56-Z15、EQ56-125 等。該高強度結(jié)構(gòu)鋼材料應(yīng)用過程中，抗拉強度為798MPa、屈服強度達到579MPa、延伸率為17，非常適合應(yīng)用于海洋船舶制造。

3.2 海洋工程平臺結(jié)構(gòu)用鋼

海洋工程平臺結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代海洋工程建設(shè)中非常重要的結(jié)構(gòu)，也是海洋工作開展，海洋探索作業(yè)的特殊場所，與海洋船舶相比，海洋平臺的使用具有時間長的特點。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)研究表示，海洋平臺的服役使用時間比海洋船舶的使用時間多1/2 以上，所以要求海洋工程平臺結(jié)構(gòu)用鋼質(zhì)量性能要比船只結(jié)構(gòu)鋼性能更高。在海洋工程建設(shè)過程中，要求海洋平臺結(jié)構(gòu)用鋼其抗沖擊屈服強度應(yīng)該在690MPa 以上，同時平臺的鋼下部分要與海水直接聯(lián)系，所以其下部分結(jié)構(gòu)鋼材在使用過程中，要求具有更優(yōu)化的抗腐蝕性能，以確保平臺的使用壽命。如當前適合應(yīng)用于海洋平臺工程的高強度用鋼材料主要包括AQ51、DQ51、EQ51、EQ56、EQ63 等不同級別鋼材，不同級別鋼材的良好使用，適合不同的平臺位置，對于海洋平臺工程建設(shè)也有重要的意義。

3.3 海底管線中高強度用鋼材料的應(yīng)用

海底管線也是海洋工程建設(shè)的重要組成部分，在海上油氣開發(fā)過程中，管線的應(yīng)用十分重要，承擔著油氣資源的承載和傳輸作用，管線鋼材的設(shè)計應(yīng)用符合海洋區(qū)域內(nèi)的壓力和沖擊力情況，具有良好的耐腐蝕以及抗沖擊能力，才能夠提升海底管線的使用壽命，也能夠有效地預(yù)防海底管線泄露等問題。高強度用鋼材料的耐腐蝕性正適合應(yīng)用與海底管線工程建設(shè)。同時，也要高強度鋼材具有良好的水滴焊接能力。如現(xiàn)代海底管線研發(fā)中，應(yīng)用的鐵素體X70 級別管線鋼材，就是一種新研發(fā)的海底管線高強度鋼材料，該材料在設(shè)計過程中采用超低碳元素設(shè)計理念，從而提升了鋼材的焊接性能，碳元素應(yīng)用量減少，也提升了鋼材的韌性，確保鋼材的使用更加合理。另外，在X70 鋼材料中，也增加了Nb、Ti等微合金化材料，提升了鋼材的本身強度。在對該型號高強度結(jié)構(gòu)用鋼采用實驗過程中，實驗計算該鋼材的屈服強度在490MPa 以上，抗拉強度在580MPa 上，滿足了海底管線的抗壓強度需求，有利于海底管線工程高質(zhì)量施工。

4 案例分析

在海洋工程結(jié)構(gòu)建設(shè)過程中，不同結(jié)構(gòu)對于高強度結(jié)構(gòu)用鋼材料的應(yīng)用需求不同，在具體的工程建設(shè)好，應(yīng)該滿足相關(guān)的鋼材使用規(guī)范，同時根據(jù)區(qū)域內(nèi)的環(huán)境情況，設(shè)計使用不同的高強度結(jié)構(gòu)用鋼。在某海洋井場開發(fā)項目中，就十分注重高強度用鋼材料的使用，該工程建設(shè)中，主要包括海洋半潛式鉆井平臺、FPSO、以及水下井口等多種結(jié)構(gòu)，以下是該開發(fā)項目中高強度結(jié)構(gòu)用鋼的具體應(yīng)用要點。

4.1 某開發(fā)項目中結(jié)構(gòu)用鋼的主要特點分析

對于不同結(jié)構(gòu)物特點，鋼材的使用至關(guān)重要，其鋼材結(jié)構(gòu)的應(yīng)用呈現(xiàn)出以下幾個特點。

（1）高強度結(jié)構(gòu)用鋼采用多規(guī)范以及多級別的用鋼。根據(jù)海洋工程的建設(shè)需求，應(yīng)用了不同的高強度鋼材料，鋼材使用要求符合ASTM 標準、API 規(guī)范、EN 規(guī)范。

（2）高強度結(jié)構(gòu)用鋼要求比較嚴格，同時要求更為細致。在工程建設(shè)過程中，對于高強度結(jié)構(gòu)用鋼的需求增加，在一定程度上關(guān)系到鋼材料的應(yīng)用質(zhì)量。在本次鋼材料應(yīng)用過程中，材料需求的厚度跨度非常大，最薄厚度需求為5mm、最厚鋼板需要180mm、屈服強度要求在400 ～800MPa 之間，沖擊韌性測試溫度為-60℃。

4.2 該項目中高強度結(jié)構(gòu)用鋼的應(yīng)用分析

在本次海洋工程建設(shè)過程中，使用到型鋼種類非常多，主要包括API 系列產(chǎn)品、ASTM 系列鋼材以及EQ 系列鋼材。以表1 為本次海洋工程建設(shè)中，高強度結(jié)構(gòu)鋼材的具體應(yīng)用情況。

表1 高強度結(jié)構(gòu)鋼材型號列表

4.3 項目所用鋼材特點分析

在該項目中，使用的高強度結(jié)構(gòu)用鋼種類比較多，其中主要包括API 系列、ASTM 系列以及EQ 系列，以下是對鋼工程中，不同海洋工程鋼材使用情況分析。

（1）API 系列高強度用鋼主要應(yīng)用與海底管線以及海洋結(jié)構(gòu)工程，該鋼材碳元素含量為0.07。屈服強度為433MPa、抗拉強度為548MPa、延伸率37%、屈服強度與比83%、時效沖擊為338/267、260/267、303/267。在本工程中，該級別材料主要應(yīng)用于制造浮箱和基座。

（2）ASTM 系列高強度結(jié)構(gòu)用鋼。該結(jié)構(gòu)用鋼主要應(yīng)用于FPSO 的建造。該鋼材碳元素含量為0.13。屈服強度為772MPa、抗拉強度為832MPa、延伸率22%、時效沖擊為268/267、260/267、303/267。同時，在本工程建設(shè)中，該型號鋼材使用主要包括88mm 和178mm 兩種厚度，該型號鋼材不僅應(yīng)用于海洋船舶制造，同時在水下設(shè)施的支撐結(jié)構(gòu)建造中也有應(yīng)用。

（3）EQ 系列海洋船舶產(chǎn)品。EQ 系列高強度鋼材是現(xiàn)代海洋工程中常見的鋼材，該材料的性能非常優(yōu)越。在本工程，該類材料主要應(yīng)用于半潛式平臺船體結(jié)構(gòu)的建造中，主要包括EQ56 和EQ70 材料。

①EQ56 高強度鋼材使用厚度為50mm、屈服強度為736MPa、抗拉強度為772MPa、延伸率20%、時效沖擊為265/269、274/269、366/269。

②EQ70 高強度鋼材使用厚度為88mm、屈服強度為733MPa、抗拉強度為792MPa、延伸率19%、時效沖擊為218/233、240/233、241/233。兩種不同的材料，應(yīng)用于不同的結(jié)構(gòu)，對于該海洋工程的質(zhì)量提升有重要的意義。

5 高強度結(jié)構(gòu)用鋼在海洋工程中的應(yīng)用工藝

高強度結(jié)構(gòu)用鋼在海洋工程中應(yīng)用十分關(guān)鍵。在海洋工程建設(shè)中，不僅需要合理地使用鋼材料，還需要對施工工藝進行有效的把控。控制各項工藝要點，實現(xiàn)鋼材料的全過程應(yīng)用控制。高強度鋼材的焊接必須具備船級社認可的焊接工藝，同時對焊接過程把控要求相當嚴格，包括焊材和焊接儀器的選擇、電壓電流的限制、焊接人員的技術(shù)、保溫溫度和時間等。在完成焊接后，需要對焊接質(zhì)量進行檢查，確保不存在焊接缺陷。

6 結(jié)語

按照國家發(fā)展海洋強國的戰(zhàn)略指引，海洋領(lǐng)域?qū)⑹琴Y源開發(fā)的重點領(lǐng)域，對于社會發(fā)展和進步有非常關(guān)鍵的作用。而在海洋工程建設(shè)中，使用高強度鋼結(jié)構(gòu)能夠提升海洋工程質(zhì)量，對于后續(xù)的海洋工程發(fā)揮作用有重要的意義。希望本文能夠?qū)Ｑ蠊こ探Y(jié)構(gòu)建設(shè)中高強度用鋼的應(yīng)用有所幫助。