我国船舶与海工用特种钢材的发展

关键词：海洋钢结构；海工用钢；自升式海洋平台；半潜式平台

船舶和海工是海洋钢结构物的两大体系，其建造都需要大量的钢铁产品，钢材占其建造成本的20%~30%，船体用钢量占其总质量的60%。目前，我国船舶与海工用钢已能满足国内市场的大部分需求，但部分高级别的特种钢材仍大量依赖进口。本文将在介绍普通船舶及海工用钢的基础上，对国内特殊钢的发展现状及性能特点进行论述。

1. 我国船舶与海工用钢的发展现状

    船舶用钢主要是船体结构用钢板，经过多年的发展，我国已经建立了比较完备的船舶与海工用钢体系，并以相关规范及国家标准的形式颁布，主要包括CCS

    船级社规范和GB712《船舶及海洋工程用钢》，钢级涵盖了早期大型船体采用的一般强度钢和现在海工设备常采用的焊接结构用超高强度钢。

    由于船舶与海工用钢需要取得船级社的认证才能生产使用，虽然船级社标准中涵盖了这40个钢级，但不同的钢铁企业通过认证的级别不同，如表1所示。

    海工用钢由于其特殊性，用户在建造海洋平台时，除采用船标外，还采用ASTM标准、API以及EN规范。

    表1我国超高强钢的认证

2. 船舶与海工用特种钢板的开发及性能特点

（1）液化气体运输船用低温钢

    国际间运输主要通过液化气体专用运输船进行，包括LPG船和LNG船。CCS《材料与焊接规范》规定了建造液化气体运输船的液货舱及其相邻船体结构用的低温韧性钢。包括使用温度在-55℃以上的C-Mn钢和使用温度在-60℃~-196℃的Ni合金钢，其中9Ni钢是建造自撑式LNG船储罐最主要的钢种，国内的鞍钢、南钢、太钢、宝钢都具备了生产能力，南钢生产的船用9Ni钢板通过了多家船级社的认证。

    另一个重要的低温用钢是LNG船用Invar合金，Invar合金薄带是薄膜型LNG船的必备材料，应用于货舱围护系统。Invar合金Ni含量3 6 % ，热膨胀系数极低，能在很宽的温度范围内保持固定尺寸，适合常温至-163℃的温度变化。

（2）大热输入焊接用船板的开发

    焊接是船体制造的关键环节，约占船舶制造成本的17 % 。随着船板厚度规格的增加，开发具有高焊接热输入适应性的钢板以提高焊接效率成为船体建造需重点解决的问题。大热输入焊接用钢是指焊接热输入在400kJ/cm以上的钢种。

    提高焊接热输入，必须解决焊接热影响区（HAZ）韧性降低的问题。提高HAZ韧性的方法包括采用低碳当量的合金设计、细化HAZ晶粒尺寸及改善HAZ晶内组织。TiN粒子在焊接过程中能阻碍奥氏体晶粒长大，因此被首先应用于大热输入焊接技术。但随着焊接热输入的提高，TiN粒子会发生粗化、重熔，失去对奥氏体晶粒长大的抑制作用。若使焊接热输入达到400kJ/cm，需采用氧化物冶金技术，通过Ti-O、M g-O、Ti-B等处理技术，利用钢液中形成的氧化物质点阻止焊接热循环过程奥氏体晶粒的长大，促进晶内针状铁素体的形核，从而细化HAZ组织，改善其韧性。

    CCS《材料与焊接规范》规定了适应高热输入焊接的船体结构钢，在某一等级船舶与海工用钢的基础上，经过化学成分的少量调整，获得高的焊接热输入。

    除了要满足母级钢的全部性能要求外，还要求距熔合线5mm和10mm两处热影响区的冲击试验。

（3）耐蚀钢

    随着深海开发和远洋航运的发展，对船板及海洋结构的耐腐蚀性提出了越来越高的要求，包括耐大气腐蚀、耐海水腐蚀以及耐原油腐蚀。其中，油船货油舱耐蚀钢是近十年来国际上研究开发的重点。

（4）高止裂性能钢板

    大型集装箱船普遍采用高强度和大厚度的钢板，大厚度使得钢板的受力状态发生改变，抗开裂性能下降，一旦在极厚板中出现裂纹，该裂纹将会沿着焊缝不断传播，即使进入母材，裂纹也不会停止扩散。为保证船体结构的安全可靠，对材料的止裂性能提出了更高的要求。

（5）海洋平台用超高强度钢

    在开发海洋油气资源，建造海洋平台的过程中，为了减轻平台自重，提高平台安全性，超高强钢的应用越来越普遍，且强度也越来越高。在自升式平台及半

潜式平台的建造中，超高强钢的使用量越来越大。

3. 船舶与海工用钢板的加工难点

    对于船舶与海工用钢，其加工重点及难点都在焊接成形方面。焊接的难易及焊接质量的好坏，决定了海洋钢结构物的最终使用性能。此外，钢板在切割过

程中也容易形成裂纹，需加以注意。

（1）超高强钢焊接

    随着强度级别的提高，碳及合金元素加入量增大，容易引起焊接热影响区的脆化和形成冷热裂纹。此外，焊接接头热影响区软化也是细晶粒钢焊接时普遍存在的问题，因此解决高强度船体结构钢的焊接成形问题，已经成为高强度船板钢是否能得到有效应用的关键。

    A517Q属于船舶与海工用钢中强度级别最高的钢种，目前国内多家钢厂已通过了船级社认证且有了生产实绩。A517Q的碳当量及冷裂纹敏感性系数较高，焊接性较差，具有较大的淬硬倾向，易产生冷裂纹。为了获得强度、塑性及韧性的最佳匹配，焊接过程中应综合采用焊前预热、最佳热输入控制、焊后缓冷、层间温度控制等措施。

（2）大热输入焊接技术

    作为船舶建造中最长的工序，焊接效率的高低决定了船舶建造的成本和交货周期。为了提高焊接效率，需提高焊接热输入。目前船厂多采用多丝埋弧焊、气电立焊、电渣焊等高效焊接方法，与传统焊条电弧焊相比，焊接效率可以提高10倍以上。大热输入焊接适应性的钢板和相应的焊材及焊接方法，是目前研究的热点。

（3）特厚板切割技术

    海洋平台桩腿用钢主要采用690MPa级别的Z向钢，最大厚度可达到210mm。高强度、大厚度板材的切割是一个复杂的热加工过程。目前，厚度大于100mm的高强钢板主要采用氧乙炔气体切割。切割后的边随着钢板的自然冷却会产生收缩应力，严重时将产生较复杂的变形，甚至产生裂纹。另一方面，作为焊接生产的前工序，切割引起的残余应力和应变将直接影响焊接装配的质量。因此，对特钢钢板的切割技术提出了极高的要求，切割过程要保证切割表面的光洁性，同时还要防止钢板的变形，为此需要采用合适的切割工艺和技术。

4. 船舶与海工用特种钢材的应用前景

    船舶的大型化、海洋资源开发的深海化，将大量采用具有特殊性能的船舶与海工用钢。未来几年，在海工方面我国将有30多个油气田待开发，需建造70多座平台，   300ft自升式平台，每座平台需EQ70钢950~1 050t，400ft自升式平台，每座平台需EQ70钢2 300~2 400t，特殊高强度钢的需求量在10万t以上。

5. 结语

    船舶与海工用特种钢是海洋结构物建造中的关键材料，是国内造船行业急需的钢材，目前国内还大量进口。推进我国高技术船舶与海洋工业的发展，大量关键技术需要突破，核心问题之一就是船舶与海工用特种钢的推广与应用，需要冶金企业与造船业共同努力，早日实现多品种、多规格的工业化供货。

节选自《中国冶金文摘》第4期  宝钢中央研究院芦晓辉