海洋工程用钢综述期末论文

1题目 海洋工程用钢综述学院名称专业名称学生姓名 学号2目录一、海洋结构用钢的工作环境和性能要求 31、强度 32、韧性 43、可焊性 44、腐蚀疲劳特性 55、耐蚀性 56、断裂韧性 67、各向同性 67.1、 Z 向钢断裂韧性试验 67.2、Z 向钢金相检验和断口分析 7二、造船及海洋工程用钢开发 81、大线能量焊接船板钢 82、油船货油舱用耐腐蚀钢 83、大规格船用球扁钢 84、海洋平台特厚齿条钢 95、9Ni 低温钢 9总结 10参考文献 103海 洋 工 程 用 钢 综 述刘 斌摘 要 ： 海 洋 结 构 用 钢 的 特 点 和 性 能 要 求 ， 耐 海 水 用 钢 ， 耐 腐 蚀 钢 ， 海 洋 石 油 平 台 用钢 的 工 作 条 件 与 性 能 要 求 ， 低 合 金 高 强 度 钢 的 生 产 工 艺 ， Z 向 钢 断 裂一、海洋结构用钢的工作环境和性能要求海洋结构用钢所处环境恶劣，除了需要承受重力载荷之外，还要考虑到风载荷、波浪载荷、海流载荷、冰载荷、地震载荷、海水腐蚀、污损、海底地质情况等因素的影响。所以海洋结构用钢，要求耐海洋大气腐蚀和海水腐蚀，具有足够的抗波浪和潮流作用所产生的周期疲劳强度。此外，由于部分海洋结构用钢所处环境为寒冷地带，如我国的渤海湾（冬季），还应能抗-30-20的低温脆性。此外，还应具有良好的焊接性能和机械加工性能 1 。1、强度海洋结构用钢，需要承受波浪和强风所造成的水平载荷，抗拉强度以采用 50-60 公斤/毫米 2 为适宜。而接头部位，由于应力集中以及三向应力，所以要求海洋结构用钢既要有足够的强度，又要求具有良好的塑性变形性能。此外，强度越高的钢材就越容易引起应力腐蚀。深海潜艇除了承载高压之外，还需要轻量化，所以要追求轻质高强的材料 2。按照屈服强度，美国 ABS（除采用规定的船体钢外），分成 24-31 和 31-41，41-70kgf/mm2 三档；英国劳埃德船级社 LR（1997）分成 29 和 36 kgf/mm2 两档；西德 GL 和挪威 DNV 与其本国船规钢级相同 3。对大多数固定平台,适宜选用低、中强度（屈服强度为 22.44-35.70 kgf/mm2，抗拉强度为 43.86-51.0 kgf/mm2），对移动式平台（包括固定式平台上层建筑），为减轻构件重量，增加浮力和平台容量，则采用高强度钢。例如自升式平台桩腿就采用 ASTMA514 钢，系船支柱，泥层中的管桩等也采用调质高强度钢 4。研究显示，晶粒细化可以同时提高屈服强度和冲击韧性。在适当条件下, 低合金高强度钢中可以形成一定体积分数的尺寸为纳米级的碳氮化物粒子, 具有非常强烈的沉淀硬化4效果。加入的钒、铌、钛等元素，除了可以作为细化晶粒元素使用外，还有析出强化作用56。低合金高强度钢生产的现代工艺流程为：高炉- 铁水脱硫- 转炉顶底复合吹炼或超高功率电弧炉冶炼- 钢包喷粉- 真空除气- 板坯或方坯连铸。2、韧性海上结构处于严酷的环境之中，局部联结处会受到波力和风力的冲击，造成应力集中。尤其是在严寒区域低温下工作时，由于钢的韧性下降而产生脆性破坏，因此要求结构钢具有高的低温韧性。当前平台建造规范中广泛使用 V 型缺口夏比冲击试验，用其冲击功来衡量钢材韧性的好坏。3、可焊性大型海洋结构物的桩腿等构件多为圆柱构架状组合，由厚钢板卷成圆筒焊接而成，接头形状复杂，刚性大，不少焊接接头位于应力集中部位，又多在现场焊接，施工条件恶劣，故很容易发生焊接裂纹，因此要求比船用钢具有更好的焊接性能，并在选择钢材和焊接工艺时必须十分严格。在这种结构上出现的焊接裂纹主要是焊接热影响区（HAZ）的低温裂纹和层状撕裂引起的。金属在焊接时产生裂纹的敏感程度称为裂纹敏感性。热影响区裂纹受焊接时保护气体和焊接材料中侵入的氢、裂纹敏感性高的 HAZ 组织及拘束度的影响。5HAZ 组织的裂纹敏感性取决于化学成分和焊接预热温度、线能量等。通常用碳当量来评价化学成分对 HAZ 组织硬化性的影响。为防止污染海水中微量硫化氢引起的应力腐蚀开裂和阴极保护引起的氢脆等，曾对 HAZ 的硬度加以限制。再者，焊缝金属与母材的材质和电化学性能应尽可能相同或相似，以避免或减轻电偶腐蚀。4、腐蚀疲劳特性海上石油平台由于长期处在海水和海洋大气的腐蚀环境中，经受波浪，潮流引起的交变应力，使构件焊接头处由于点蚀而产生疲劳破坏。经常在深海活动的潜水艇则受到超低频外力。疲劳破坏从材料上讲上讲与钢中夹杂的气体和杂质有关, 结构上则与断面大小、缺口、表面缺陷以及焊接缺陷有关。因此, 所使用的钢材必需在设计、材料选择、施工管理上使之能承受低频疲劳。实验证明, 高强度钢在海水中的疲劳强度一般与普通强度钢差不多 , 然而强度越高, 腐蚀影响就越大。低合金钢的腐蚀疲劳强度一般比碳钢稍高些。焊接接头的腐蚀疲劳特征与大气中相同, 它跟加强焊缝有关, 通过砂轮打磨, 钨极惰性气体保护处理和等离子修正等降低形状系数。焊接接头应力消除也改善其疲劳强度。在钢中添加铬和钢结构物实施阴极保护, 能有效地提高钢的抗腐蚀疲劳强度。5、耐蚀性海上石油平台长期经受海水和海洋大气的侵蚀作用, 对钢结构有很大影响。海水中溶解氧所起的作用特别大。如北海因温度比墨西哥湾低, 溶解氧多, 腐蚀较厉害。下表列出了海洋腐蚀环境和钢的腐蚀速度的关系。6因此平台设计选材时, 要考虑钢材的腐蚀性能。但平台的防腐主要靠采取保护措施。平台不同部位可采用以下保护措施: 海洋大气腐蚀区即海水面以上, 一般采用涂料加以保护。 平台的飞溅区和潮差区, 采用加厚 12.5% 板厚的方法, 给出腐蚀余量。也有用含0.5 - 2.0% C r 的耐海水钢, 其腐蚀性能比普通钢高 2 - 3 倍, 但由于其焊接工艺复杂和成本较高, 只能在局部地区使用。飞溅带也可用包覆 Moenl400 合金的方法加以保护。此外, 还有不锈钢以及橡胶和塑料涂覆层防腐, 喷镀和电镀金属层, 如 Z。和 AI 镀层等等。 对平台的水下部分采用电化学保护即栖牲阳极和外加电源法。 泥浆以下的土壤腐蚀, 一般比较轻微, 可采用涂料保护。6、断裂韧性材料抵抗裂纹扩展断裂的韧性性能称为断裂韧性。海洋工程中,构件的断裂破坏问题, 已引起普遍重视,对特殊构件用钢,明确规定要进行 COD（临界裂纹张开位移）试验和落锤试验测取 NDT（无延性转变）温度。 COD 试验被作为测定基体金属和焊缝脆性断裂起始特性的手段。挪威船级社已把 COD 值列为测定焊缝金属韧性的指标。77、各向同性一般结构钢材, 板厚方向的性能与其长度、宽度方向的性能差别较大。海上平台节点处结构复杂, 应力集中。为了防止由于层状撕裂而导致海上结构物破坏的恶性事故发生, 各国规范中对重要节点用钢都十分强调用硫含量相当低的抗层状撕裂钢即 Z 向钢。7.1、 Z 向钢断裂韧性试验Z 向钢的断裂韧性试验研究，是根据制造海上 D 级采油平台技术要求进行的。按照英国和国际标准做 COD 试验，可测得临界裂纹张开位移；按美国 ASTMA370 和英国 BS131标准，做 FATT 和系列冲击试验，测得金属料的低温脆性转变温度（低碳钢和高强度合金钢在某些工作温度下有较高的冲击韧性，即有较好的塑性，但随着温度的降低，其冲击韧性将有所下降。当冲击韧性显著下降时的温度称为金属料的 FATT）；按美国ASTME208_S6T 及我国试行的落锤试验标准，做 NDT 试验及断口宏观观察 7。87.2、Z 向钢金相检验和断口分析Z 向钢中夹杂物主要为板块状、条带状、类球状和环状。试样 1/4 处金相组织如图 2所示。所有试样金相组织类型为铁素体+珠光体，图 2 中灰黑色为珠光体，浅色为铁素体，珠光体沿轧制方向呈带状分布，铁素体由带状和等轴状晶粒组成。试样厚度方向拉伸断口表面呈白亮色，断口有块状、类球状夹杂物，且断口无颈缩现象。钢板中心区域有偏析带，在偏析带周围有贝氏体和马氏体组织出现，同时还有裂纹延贝氏体、马氏体组织扩展；通过和周围组织对比发现，偏析多发生在宽度较大的带状组织上，裂纹也是容易在该类组织上出现。分析原因是钢板芯部存在偏析，导致钢板轧后冷却过程中，中心部组织的转变 CCT 曲线右移，进入贝氏体或马氏体区，部分形成贝氏体或马氏体，钢中存在偏析带或夹杂物在冷却过程中比基体收缩大，使夹杂物周围产生裂纹和空隙。改进措施有提高连铸坯的质量，控制钢中非金属夹杂物，提高钢水纯净度，优化加热和控轧控冷工艺等 8。 9二、造船及海洋工程用钢开发钢材是造船及海洋工程结构建造的主要原材料，占据了船体及海洋工程建造成本的 。涉及的钢材品种主要包括钢板、型钢（船用球扁钢、 型钢、角钢等）、铸锻钢以及配套焊接材料等。其中船体建造耗用钢材量约占全船质量的左右，其中板材又占左右。1、大线能量焊接船板钢氧化物冶金即利用炼钢过程中生成的尺寸细小、弥散分布、成分可控的氧化物夹杂作为硫化物、氮化物等异相析出核点，以改变钢的组织和晶粒度，使钢材具有优异的韧性、较高的强度，尤其是优良的焊接性能。采用“氧化物冶金”的技术思路开展了大线能量焊接用钢的研究开发工作。比较各种脱氧处理条件下焊接热影响区的低温韧性可得，普通未进行任何处理的钢焊后热影响区的整体低温韧性水平较低，其中线能量 大于 时，低温韧性显著降低，仅为左右。而经过不同合金脱氧处理后模拟焊接粗晶区的低温韧性显著提高。2、油船货油舱用耐腐蚀钢在内底板腐蚀环境下，微量合金元素对船板钢的耐蚀性存在显著影响。添加 0.1%以上的 B 和 C 耐蚀合金元素可以使腐蚀速率显著降低到原来的 1/41/3。观察腐蚀后的形貌可以看出，在 货油舱内底板腐蚀环境下，传统钢表面主要形成大量直径大而深的腐蚀点蚀坑，而开发的耐蚀钢表面只出现少量小而浅的点蚀坑，点蚀坑的深度直径比显著降低 10。3、大规格船用球扁钢利用新型的钒氮微合金化设计碳氮化钒控制析出轧制工艺（），可开发出高韧性、大规格船用球扁钢品种技术。依靠奥氏体中析出的碳氮化钒促进晶内铁素体形核，10显著地细化了最终的铁素体晶粒尺寸，获得显著的细晶强化效果。同时，依靠铁素体中弥散析出的碳氮化钒的析出强化作用，显著提高钢的强度。4、海洋平台特厚齿条钢随着海洋石油工业的深入开展和钻采难度的加大，对自升式钻井平台用齿条钢提出了大厚度、高强度、高韧性的发展要求，这类产品一般使用调质热处理状态交货。但是，随着齿条钢厚度的增加，截面厚度方向上组织、性能差异增大，提高特厚齿条钢的淬透性成为这类产品开发的难点。钢在淬火时获取淬硬层深度的能力称为钢的淬透性。采用微固 元素的复合处理可以在获得良好强韧性的条件下大幅度提高齿条钢的淬透性。同时，采用微处理或稍过量的处理，均可使微量的固溶比例达到以上，且偏聚于奥氏体晶界处，有效地延缓了高温相变，显著提高齿条钢的淬透性。采取上述