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从古至今，人类征服海洋的决心从未动摇，体现在不断探索和拓展海洋资源的实际行动中。 2017年2月13日，全球最先进的超深水双钻机半潜式钻井平台“蓝鲸1号”在烟台命名交付。其钢材总消耗量约为4万吨，其中超强超厚钢材占10%。 “蓝鲸一号”是我国船厂在海洋工程超深水领域首个“交钥匙”工程，具有里程碑意义。
钢材作为海洋工程装备的关键结构材料，广泛应用于钻井平台、生产平台、海底管道等领域。由于其使用寿命长，能长期抵抗恶劣的风浪条件，水下维修和保养的成本极高。所使用的钢板逐渐向高强度、高韧性、易焊接、耐腐蚀性好、大厚度、大型化方向发展。方向发展。今天我给大家介绍一下船舶和海洋工程用钢材。
造船及海洋工程用钢的发展历史
二战后，由于海洋发展战略的实施和苏美两大阵营对抗的军事需要，以美、俄、日、德等为代表的海洋强国纷纷崛起。开展了大型船舶、海洋运输、海洋油气开发、海洋建筑等领域用钢的研究，形成了相应的合金标准和技术体系。典型的美国船舶用钢经历了几代发展，包括普通碳素钢（40s）——高强度钢（50s）——易焊高强度钢（80s）——易焊耐腐蚀钢（90s）。美国建立了一支庞大的现代化海军舰队，包括深水潜艇和核动力航母。
在海洋油气勘探领域，日本、德国、法国等已掌握了适用于各种深度的海洋钻井平台、作业平台、油气运输船等海洋装备的大厚度、高性能钢材。目前，国外已能够生产出具有严格塑性、强度、韧性、耐腐蚀、抗疲劳性能的用于3000米深水区域的油气管线钢。
美国潜艇和航母用钢的发展历史和典型应用
经过几十年的发展，我国在船舶用钢和海工用钢方面取得了长足进步，初步建立了自己的船舶用钢材料体系和具有较强生产能力的钢铁企业。我国海工钢材国产化率达到90%以上，有力支撑了海洋经济和国防建设的需求。
国内外海洋工程用钢研究现状
1、国外研究现状
目前，海洋平台用钢国际标准主要有四大标准，即欧洲标准、API（美国标准）、北海标准。对海洋平台用钢材的力学性能、设计和制造都有明确的规定，但缺乏耐腐蚀性能的规范。
国际海上平台用钢主要由德国迪林根公司和日本新日铁、JFE、住友金属生产。迪林根生产的正火钢厚度可达120mm，同时保证焊接性能；调质钢厚度可达100mm； TMCP工艺生产的厚度规格一般不超过90mm。
JFE开发了海洋平台用含镍钢，厚度为140mm，屈服强度为100%，抗拉强度为100%。
新日铁已采用TMCP生产出厚度16~70mm、屈服强度100、抗拉强度100、-40℃冲击功200J以上的平台钢。用于Bayu Undan、北海、北海和里海的ACG。 、墨西哥湾马、地中海利比亚等项目。
世界海洋平台使用的高强度钢主要牌号为屈服强度355、420、460、500、550、620，要求低温性能至少为-40℃，甚至-60℃， Z向层状撕裂强度可达35%，耐腐蚀性能好，主要交货方式有TMCP、正火和调质。
日本对海洋平台用钢很早就进行了研究，开发出了一系列耐海水腐蚀、大线性能量焊接和低温使用的高强度钢板，其强度水平达到了JFE公司的水平，并形成了自己的特色。企业标准系列。海洋平台用钢板抗拉强度为360~，主要品种有JFE-HITEN系列高强度钢板。
新日铁利用微合金元素的沉淀，开发了 HTUFF 技术。其海洋平台用钢板主要包括WEL-TEN系列高强度钢板、NAW-K、COR-TEN系列无涂层焊接结构用耐腐蚀钢板、A系列焊接结构用耐海水腐蚀钢板和NAW-TEN系列含镍耐候钢板等品种。此外，新日铁还按照API2W及标准生产屈服强度在315～315之间的A、D、E、F级钢板，最高强度达到315。
欧洲作为海洋资源开发较早的地区，在海洋平台用钢材的研发、应用、品种系列化、标准化等方面处于领先地位。它已经可以生产屈服强度在235至235之间的A、B、D和E级钢板。目前，欧洲海上平台建设应用最广泛的钢种是S355、S420、S460和S690，它们具有良好的耐腐蚀性。挪威 II海上钻井平台是欧洲第一个使用增强韧性S690Q钢板的海上平台。
俄罗斯自升式钻井平台用于北极地区油气钻探，最大钻井深度为6500m。目前，S690级高强钢越来越多地应用于海洋平台，但高强钢板焊缝易开裂、耐腐蚀性能差等问题仍需解决。如今，更高强度的钢板也用于海上平台的建造。高强度钢板主要通过调质工艺生产。钢板的屈服强度最高可达以下。
目前国外海洋工程用钢材生产主要有以下特点：
（1）品种多功能化：海洋平台用钢板可系列化供应，如高强度钢板、大型线性能量焊接钢板、低温耐海水腐蚀钢板等长期耐1500高温的钢材，实现品类齐全；
(2)焊接热影响区增韧技术：国外钢铁公司开发了自己独特的焊接热影响区增韧技术，如JFE公司的JFE-EWEL技术和新日铁公司的HTUFF技术等；
（3）形成企业独有标准：国外钢企除了按通用标准生产海洋平台用钢板外，还形成了性能要求更严格、应用环境更特殊的企业标准；
（4）实施专利保护战略：国外钢铁企业积极开展海洋平台用钢材的国际专利布局，特别注重在中国申请专利，意图对中国钢铁企业形成技术壁垒，降低我国钢铁企业的竞争力。我国海上平台使用的钢材。
2 国内研究现状
船舶用钢主要是船体结构用钢板。经过多年的发展，我国已经建立了较为完善的船舶及海洋工程用钢体系，并以相关规范和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》其钢级涵盖了早期大型船体所用的普通强度钢和当今海洋设备常用的焊接结构所用的超高强度钢，如表1所示[1,2]。
表1 船舶及海洋工程用钢
由于造船和海洋工程用钢材需要经过船级社认证后才能生产和使用，虽然这40个钢种都被船级社标准覆盖，但不同钢企的认证级别有所不同，如表2所示。
表2 我国超高强度钢认证情况
我国开发海洋石油起步较晚，直到20世纪80年代才建成自己的海洋石油平台。目前，我国海洋平台主要采用屈服强度为355~的D、E、F级钢板长期耐1500高温的钢材，并已基本实现国产化。我国首座自主设计建造的3000m深水半潜式钻井平台“海洋石油981”所用钢材强度已达到同等水平；北海油区海上自升式平台固定结构已使用以上甚至高强钢材，但我国海上平台所用钢材存在强度低、规格不全、耐腐蚀性差、不完善等问题配套流程仍限制我国自主开发海洋资源的能力。
由于海工钢材的特殊性，用户在建造海洋平台时不仅采用船舶标准，还采用ASTM标准、API和EN规范。例如，A517Q和A514Q经常用于制造自升式海上平台腿。钢和API 2W、2Y、2Z钢广泛应用于海洋结构物和海上风电。
根据美国ASTM、欧洲EN、各船级社和API（美国石油学会）的规范或标准，宝钢拥有海洋平台用厚板产品四大系列。采用正火工艺开发了DH36-Z35、EH36-Z35等海洋石油平台钢板，各项性能指标均满足相关标准规范的要求。采用调质工艺试制高屈服强度海洋平台齿条钢。同时，自主研发的自升式海洋平台桩腿采用最大厚度为178mm的厚板。
舞钢已成功开发A、B、D、E、AH32-EH32、AH36-EH36级海洋平台钢和EH40、FH40、E500、E550、E520、E690等高强度钢板。其生产的D36-Z35海洋钢用于我国第一个世界级深水工程——位于南海东部1500m深海区域的“荔湾3-1”气田。生产的货架钢材最大厚度达到215mm，比国外最大厚度增加了5mm。解决了自升式平台举升机构机架钢和半圆板国产化的迫切需求。
鞍钢钢板牌号涵盖普通强度A、B、D、E级和船体、海上采油平台大型线性能量焊接用高强度AH32~EH32、AH36~EH36、AH40~EH40钢系列。产品最大厚度100mm，焊缝能量100kJ/cm。其强度、低温韧性、规格等指标均达到国际先进水平，大大超过普通钢厂所能达到的40mm厚度和50kJ/cm焊接线能量。
东北大学依托新一代热轧板带钢控轧控冷技术，自主研发出第一套先进的热轧钢快冷设备及控制系统。该设备已成为我国热轧钢材生产线的主力机型，覆盖鞍钢、首钢等大型钢铁企业50%以上，实现了优质节约，年生产规模4000万吨。热轧钢材，开发的产品广泛应用于西气东输、海洋平台、跨海大桥、第三代核电站、大型水面船舶等国家战略工程，处于国内领先水平我的钢铁产品 国家。为“中低端”向“中高端”升级做出了巨大贡献。
海洋工程用钢的成分和性能要求
海洋工程用钢化学成分要求
影响钢性能的因素有：化学成分、冶炼铸造、轧制及热处理工艺等。其中化学成分是主要因素；硫、磷含量直接影响钢板厚度方向的性能。硫是连铸板坯中偏析最严重的元素。硫会引起钢的热脆化，导致高温锻造时产生裂纹。焊接过程中会产生大量的疏松和气孔[3]。
磷是钢连铸坯中偏析程度仅次于硫的元素。而且磷在铁固溶体中的扩散速率很小，因此磷的偏析难以消除，严重影响钢的性能。磷以固溶体的形式溶解在铁氧体中。这种固溶体非常脆。形成的富磷区使钢变脆，降低钢的塑性、韧性和焊接性。容易造成钢材热加工时开裂和焊接时产生裂纹。磷是一种降低钢表面张力的元素。随着磷含量的增加，钢水的表面张力显着降低，从而降低钢的抗裂性能。
因此，海洋平台用钢板对硫、磷的含量有严格的要求，其中硫的含量受到严格控制。
海洋工程用钢的性能要求
由于海上平台常年浸没在海水中，因此要承受各种恶劣的海况。因此，海洋平台用钢的技术指标极高。不仅要具有较高的耐大气腐蚀和海水腐蚀能力，还要求具有良好的机械性能和加工性能等。海洋平台用钢的性能要求包括[4]：
(1)强度高，能抵抗水面以上风流的冲击。具有良好的抗层状撕裂能力，防止钢材在厚度方向受到外力时发生撕裂；
(2)具有良好的低温冲击性能。一些海上平台用钢需要在-60℃环境下具有良好的冲击性能，能够在极冷环境下服役；
（3）具有良好的焊接性能，焊接接头性能与母材具有相同或相近的力学性能，保证海洋平台整体结构的安全；
(4)钢材纯净度要求。钢材需要P、S等杂质元素含量很低，对夹杂物的形态、类型和分布有很高的要求，以免海上平台在受到台风和水流影响时发生疲劳破坏，以保护生命和安全。财产安全。
(5)耐腐蚀要求。由于海洋钢结构长期暴露在盐雾、潮湿和海水等环境中，受到海水和海洋生物的腐蚀，产生严重的电化学腐蚀。漆膜容易发生严重的皂化和老化，造成非常严重的结构腐蚀。不仅降低结构材料的力学性能，缩短其使用寿命。而且，由于远离海岸，无法像船舶一样定期进行维修和保养。因此，对其耐腐蚀性能的要求更高。
（6）针对海洋结构设施发生的一系列结构断裂灾害，国际工程领域对止裂性能钢板的生产和应用提出了要求，相关国际标准正在形成和推广。
海洋工程用钢发展趋势
随着我国不断加大海洋开发力度，对高性能海洋平台用钢的需求将不断增加，海洋平台用钢也将成为未来几年国内钢铁企业研发生产的重点产品。综合分析我国海洋产业市场需求以及现有海洋平台用钢材与国外产品的差距表明，目前海洋平台用腿、悬臂梁、半圆板等结构件亟待升级换代和更换。钢、极地低温钢等都需要详细的研究工作。具体发展趋势体现在以下几个方面[5]。
1、加快发展海洋平台用高强高韧钢材
从海洋平台结构设计的角度来看，采用高强度和超高强度钢材可以有效减轻平台结构的重量，增加平台的变载荷和自持能力，提高平台结构的承载能力。总位移与平台钢结构重量之比。国内海洋平台钢多集中在E550级以下，而国外同类产品多集中在E690级以上，用量远超国内水平。此外，随着深海和极地海洋平台建设的快速发展，海洋工程用钢的低温韧性变得更加重要。同系列的E级和F级钢板的需求量正在逐渐增加。海洋平台用高强度、高韧性钢材将是今后重点研发的品种。
2、开发低成本高附加值产品
海洋平台采用焊接钢结构，其中高强钢占60%~90%。如果减少高强度钢合金的设计，海上平台的建造成本将大大降低。我国现有的690级高强钢大量使用了Ni、Mo等贵重合金元素，如果通过合金设计能够实现“以Mn/C代Ni”的成分设计思路，成本将大幅提高。可以大大减少。首先，Mn是一种强奥氏体稳定元素，其价格仅为Ni的1/5~1/20。其次，高锰钢具有优异的强度和塑性综合性能以及优异的低温韧性。高锰钢本身优异的综合性能，可以解决目前海洋平台用超高强钢低温韧性差、屈强比高的问题，并能满足安全性能和建造成本未来深海和极地海洋平台对超高强度钢的要求。这也是未来海洋平台用高强高韧钢材的重要发展方向。
3、海洋平台用良好成形性能、低屈强比钢材的开发
从海洋平台底部结构设计出发，如果采用先进的桩腿（包括桩靴）结构和提升机构，将提高平台的承载能力、抗冲击能力和耐久性。目前，升降架的钢材采用690兆帕级超高强钢，但其他桩腿结构所用钢材一般仅为550兆帕级高强钢。主要原因是其他结构钢不仅要求强度高，而且要求成形性能好，因此屈强比受到严格限制。在海洋平台安全设计中，结构钢屈强比不允许超过0.85。 ，确保塑性失效前有足够的延展性，以防止灾难性的脆性断裂。
4、具有止裂性能的高强度钢的开发
针对船舶、建筑物、储油罐、海洋结构物、管道等结构设施发生的一系列结构断裂灾害事故，国际工程领域对止裂性能钢板的生产和应用提出了要求，相关要求正在制定和推广中。国际标准。当钢中存在一定量的残余奥氏体时，裂纹扩展时可沿残余奥氏体偏转，或者裂纹尖端的应力集中可引发“残余奥氏体→马氏体”相变的TRIP效应。发生相变增韧，从而提高钢的止裂性能。由于“Mn/C”合金化可以有效调节钢中残余奥氏体的含量，通过合理的成分设计和组织性能控制，可以实现钢中残余奥氏体含量、尺寸和分布的精确控制，从而有效提高钢中残余奥氏体的含量。钢材的质量。优异的止裂性能，是海洋平台用高强韧钢的又一重要发展趋势。
参考：
[1]徐兴平.海洋石油工程概论[M]．山东：中国石油大学出版社，2007。
[2] 刘芳.海洋平台技术现状及发展趋势[J].设计与计算，2009，(6)：1-3。
[3]苏静,刘华祥,马涛等,海洋平台用钢材及焊接接头韧性研究[J].船舶与海洋工程，2010，（5）：234-237。
[4]陶素芬，海洋平台用钢成分、组织与性能研究。博士论文，北京科技大学，2015。
[5] 刘振宇，唐帅，陈军等，海洋平台用钢材研发生产现状及发展趋势[J].鞍钢科技，2015，1：1-7。
