國(guó)內(nèi)外海洋工程用高強(qiáng)鋼研究進(jìn)展
鋼鐵作為海洋工程裝備的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料，廣泛應(yīng)用于鉆井平臺(tái)、生產(chǎn)平臺(tái)以及海底管道等。由于服役時(shí)間長(zhǎng)，要長(zhǎng)期抵抗惡劣的風(fēng)浪條件，水下修理維護(hù)的成本極高，其采用的鋼板逐漸向高強(qiáng)度、高韌性、易焊接性、良好的耐腐蝕性以及大厚度、大規(guī)格化方向發(fā)展。
1國(guó)外研究現(xiàn)狀
目前海洋平臺(tái)用鋼遵循的四大國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，即En10225和BS7191(歐洲標(biāo)準(zhǔn))，API(美國(guó)標(biāo)準(zhǔn))，Norsok(北海標(biāo)準(zhǔn))，對(duì)海洋平臺(tái)用鋼的力學(xué)性能及設(shè)計(jì)制造等都有明確的規(guī)定，但對(duì)耐腐蝕性能的規(guī)范較為欠缺。
世界海洋平臺(tái)用高強(qiáng)度鋼的主要級(jí)別為屈服強(qiáng)度355MPa、420MPa、460MPa、500MPa、550MPa、620MPa、690MPa，并對(duì)低溫性能要求至少-40℃，甚至-60℃，抗層狀撕裂性能達(dá)Z向35%，耐腐蝕性能良好，主要交貨方式為TMCP、正火以及調(diào)質(zhì)。
日本對(duì)海洋平臺(tái)用鋼的研究較早，已開發(fā)出耐海水腐蝕、大線能量焊接及低溫用等系列的高強(qiáng)鋼板，強(qiáng)度級(jí)別已達(dá)980MPa。JFE開發(fā)出了厚度為140mm、屈服強(qiáng)度為700MPa、抗拉強(qiáng)度為800MPa的含鎳平臺(tái)用鋼;同時(shí)該公司形成了自己的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)系列，海洋平臺(tái)的鋼板抗拉強(qiáng)度為360MPa～980MPa，品種主要有JFE-HITEN系列高強(qiáng)鋼板等。利用微合金化元素的析出，新日鐵開發(fā)了HTUFF技術(shù)，其用于海洋平臺(tái)的鋼板主要有WEL-TEN系列高強(qiáng)鋼板、NAW-K及COＲ-TEN系列無(wú)涂層焊接結(jié)構(gòu)用耐蝕鋼板、MAＲILOY系列焊接結(jié)構(gòu)用耐海水腐蝕鋼板及NAW-TEN系列含Ni耐候鋼板等品種。此外，新日鐵公司還按API2W，EN10225，NOＲSOK及BS7191標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)屈服強(qiáng)度在315MPa～550MPa之間的A，D，E，F(xiàn)級(jí)別的鋼板，最高強(qiáng)度達(dá)到950MPa。
歐洲作為海洋資源開發(fā)較早的區(qū)域，其海洋平臺(tái)用鋼的研發(fā)、應(yīng)用、品種系列化及標(biāo)準(zhǔn)化處于領(lǐng)先地位，已可生產(chǎn)A，B，D，E級(jí)的屈服強(qiáng)度在235MPa～690MP之間的各種鋼板。目前歐洲用于海洋平臺(tái)建設(shè)的鋼種應(yīng)用最廣泛的為S355，S420，S460及S690，耐腐蝕性能良好。挪威埃科菲斯克Ⅱ號(hào)海洋鉆井平臺(tái)是歐洲第1座使用改進(jìn)韌性S690Q鋼板的海洋平臺(tái)。
俄羅斯Arkticheskaya自升式鉆井平臺(tái)用于北極地區(qū)的油氣鉆探，最大鉆探深度6500m。當(dāng)前S690級(jí)高強(qiáng)鋼在海洋平臺(tái)中的應(yīng)用越來(lái)越多，但仍需解決高強(qiáng)鋼板焊接處易開裂及耐蝕性差等問(wèn)題。現(xiàn)今在海洋平臺(tái)建設(shè)中也應(yīng)用了更高強(qiáng)度級(jí)別的鋼板，其高強(qiáng)鋼板主要通過(guò)調(diào)質(zhì)工藝生產(chǎn)，鋼板屈服強(qiáng)度可達(dá)1100MPa，但由于焊接困難和耐腐蝕開裂問(wèn)題，超高強(qiáng)鋼在海洋建設(shè)中應(yīng)用較少。
2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
我國(guó)開發(fā)海洋石油起步比較晚，到20世紀(jì)80年代才建成自己的海洋石油平臺(tái)。目前我國(guó)海洋平臺(tái)主要使用屈服強(qiáng)度為355MPa～460MPa的D，E及F級(jí)鋼板，基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。我國(guó)首次自主設(shè)計(jì)建造的3000m深水半潛式鉆井平臺(tái)“海洋石油981”(圖1)所用鋼的強(qiáng)度已達(dá)到690MPa;北海油區(qū)海洋自升式平臺(tái)固定結(jié)構(gòu)已使用500MPa以上，甚至750MPa高強(qiáng)度鋼，但我國(guó)海洋平臺(tái)用鋼強(qiáng)度不高、規(guī)格不全、耐腐蝕性能較差、配套工藝不完善等問(wèn)題，仍限制了我國(guó)自主開發(fā)海洋資源的能力。
按照ASTM(美國(guó))、EN(歐洲)、各船級(jí)社以及API(美國(guó)石油協(xié)會(huì))的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)來(lái)劃分，寶鋼擁有四大系列海洋平臺(tái)用厚板產(chǎn)品。寶鋼集團(tuán)浦鋼公司采用正火工藝開發(fā)了DH36－Z35、EH36－Z35等海洋石油平臺(tái)鋼板，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。采用調(diào)質(zhì)工藝試制了屈服強(qiáng)度690MPa高強(qiáng)度海洋平臺(tái)用齒條鋼，同時(shí)自主研發(fā)的自升式海洋平臺(tái)樁腿用最大厚度為178mm的厚板。
舞鋼成功開發(fā)了A、B、D、E、AH32-EH32、AH36-EH36級(jí)海洋平臺(tái)用鋼和EH40、FH40、E500、E550、E520、E690、A514GrQ和A517GrQ等高強(qiáng)度鋼板。其生產(chǎn)的D36-Z35海工鋼，被用于我國(guó)第一個(gè)世界級(jí)深水項(xiàng)目——位于南海東部1500m深海區(qū)域的“荔灣3－1”氣田中。生產(chǎn)的A514GrQ齒條鋼最大厚度達(dá)215mm，比國(guó)外最大厚度還超出5mm，解決了自升式平臺(tái)升降機(jī)構(gòu)齒條鋼、半圓板國(guó)產(chǎn)化的急需。
鞍鋼的鋼板級(jí)別涵蓋了普通強(qiáng)度A、B、D、E級(jí)和高強(qiáng)度AH32～EH32、AH36～EH36、AH40～EH40級(jí)的大線能量焊接用船體及海洋采油平臺(tái)用鋼系列，產(chǎn)品最大厚度為100mm，焊接線能量為100kJ/cm。其強(qiáng)度、低溫韌性、規(guī)格等指標(biāo)均達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，大大超過(guò)一般鋼廠能達(dá)到的厚度40mm、焊接線能量50kJ/cm的水平。
國(guó)產(chǎn)海洋平臺(tái)鋼板已被廣泛采用，EH40以下的海洋平臺(tái)用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼材基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，但關(guān)鍵部位所用高強(qiáng)度、大厚度材料仍依賴進(jìn)口。因此高強(qiáng)度、厚規(guī)格及耐腐蝕性能好的海洋平臺(tái)用高強(qiáng)鋼的研發(fā)和應(yīng)用是我國(guó)今后的主要研究方向之一。
3我國(guó)與國(guó)際先進(jìn)水平的差距
我國(guó)海洋平臺(tái)主要使用的屈服強(qiáng)度為355MPa～460MPa的D，E及F級(jí)鋼板，基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。鞍鋼、南鋼生產(chǎn)的中厚板屈服強(qiáng)度達(dá)550MPa，武鋼、寶鋼和沙鋼都已具備生產(chǎn)屈服強(qiáng)度為690MPa海洋平臺(tái)用鋼的能力，但厚度超過(guò)120mm以上時(shí)，產(chǎn)品質(zhì)量及性能的穩(wěn)定性、滿足更大規(guī)格產(chǎn)品的技術(shù)需求、耐腐蝕開裂、配套焊接等方面都存在問(wèn)題。建造海洋工程的關(guān)鍵部位所用的高強(qiáng)度、厚規(guī)格、耐海洋腐蝕開裂等性能的鋼板多數(shù)仍需進(jìn)口，特別是具有良好綜合力學(xué)性能且厚度在120mm以上、屈服強(qiáng)度在690MPa以上的高韌性、耐腐蝕、
易焊接的海洋平臺(tái)用鋼基本依賴進(jìn)口。表1對(duì)比了我國(guó)海工用鋼先進(jìn)水平與國(guó)外先進(jìn)水平之間的差距。
表1國(guó)內(nèi)外主要海工用鋼性能指標(biāo)對(duì)比
關(guān)鍵品種國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平國(guó)際先進(jìn)水平
高強(qiáng)度海洋平臺(tái)厚板460～550MPa，E級(jí)
焊前預(yù)熱80～120℃690～720MPa，F(xiàn)級(jí)
室溫焊接不預(yù)熱
690MPa級(jí)齒條鋼特厚板620MPa，E級(jí)
厚度114～152mm690～720MPa，F(xiàn)級(jí)
厚度127～256mm
海洋工程用大口徑高強(qiáng)度無(wú)縫管690～720MPa，E級(jí)
最大壁厚20mm690～720MPa，F(xiàn)級(jí)
最大壁厚40mm
高強(qiáng)度大規(guī)格H型鋼、T型鋼355～390MPa，E級(jí)
翼緣厚度小于40mm460～550MPa，F(xiàn)級(jí)
翼緣厚100mm，腹板長(zhǎng)430mm
高強(qiáng)度大規(guī)格球扁鋼非調(diào)質(zhì)355MPa，D級(jí)
最大規(guī)格36#非調(diào)質(zhì)390MPa，E級(jí)
最大規(guī)格43#
大壁厚深海管線鋼420～490MPa，E級(jí)
最大深度300m490～550MPa，E級(jí)
最大深度3000m
4結(jié)束語(yǔ)
目前，我國(guó)海洋工程關(guān)鍵部分用鋼依然需要進(jìn)口，面對(duì)海洋開發(fā)的巨大市場(chǎng)前景，鋼鐵企業(yè)應(yīng)按照國(guó)際海工用鋼的標(biāo)準(zhǔn)，從以下幾個(gè)方面借鑒:(1)開發(fā)系列鋼板品種，實(shí)現(xiàn)鋼板全系列供貨。實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)鋼國(guó)產(chǎn)化、全覆蓋。(2)進(jìn)一步優(yōu)化焊接工藝、性能。焊接部分往往是失效發(fā)生的重點(diǎn)部位，焊接工藝與性能的優(yōu)劣對(duì)工程質(zhì)量影響巨大。(3)逐漸形成我國(guó)的海工用鋼標(biāo)準(zhǔn)體系，規(guī)范海工鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量，為海洋油氣開發(fā)做好用材保障。