海洋工程用钢综述 期末论文

1、海洋工程材料论文题目海洋工程用钢综述学院专业学生学号目录、海洋结构用钢的工作环境和性能要求161、强度2、韧性3、可焊性4、腐蚀疲劳特性5、耐蚀性6、断裂韧性7、各向同性7.1、 Z 向钢断裂韧性试验7.2、 Z 向钢金相检验和断口分析二、造船及海洋工程用钢开发总结1、2、3、4、5、大线能量焊接船板钢油船货油舱用耐腐蚀钢大规格船用球扁钢海洋平台特厚齿条钢9Ni 低温钢参考文献1010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、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

2、， 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 C -20 C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

3、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/mm 2三档；英国劳埃德船级社 LR （1997）分成 29和 36 kgf/mm 2两档；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/mm 2，抗拉强度为 43.86-51.0 kgf/mm 2），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。

4、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

5、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。粧阳 *垃力悝16V度氏型ft冲击试验口*%JWr 应力应力睜动式转BIS榔软fq 札0a27(0?-5r b吟 I、r I F2乱5G43,se2&MH-20-10&老式敲置2乩显-20主Sfr甘SS的软做（正火）43.腐2J2Q34戏-303.31BUG?534t35J-20 ID正火*禅火、E丸骑蛀51.&3405)-对1主rwfrse*ii5U020KILj _Kib-=- 113D3、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

6、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热影响区裂纹受焊接时保护气体起的。金属在焊接时产生裂纹的敏感程度称为裂纹敏感性。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。HAZ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

7、加以限制。以避免或减轻电偶腐再者，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,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

8、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。F表列出了海洋腐蚀环境和钢的腐蚀速度的关系。 i* 水；蒂洋大气K0 ”j0一強*0-1由于前杓嗣飞丽.闻&第41于干幔龙替状ie気迪註区 d赞宜充井，钢说不斷追恂，sftirM* &英寸ffi fe.五料因邙膚帕乱-02讥5制S区的哀而ick于4期性的干讯丈

9、鼻戲，*海施翰附.厲址M抚 1十谢萇金*梅恤也较严tt. ff固堪11 t障画宀-阿来t嘩而-列来）于梅水申.W的窩建度更闿术含ftJL疑星* *解鸞1fl 33 .151tG&o3fe-iooja 甜索一MDjiO1J (KW7tS 上 ,：*r宀比试F 00：啓 H :恒盂上t /4 -1、- .1 小别试打1（M）X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

10、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。、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2型钢、角钢等)、0%3 0%。涉及的钢材品种主要包括钢板、型钢(船用球

11、扁钢、H其中板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6 0%左右,材又占8 8%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。比较各种脱采用“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。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C-Mn钢焊后热影响区的整体低温韧性水平较低，其中线能量E 大于5 0kJ/cm 时，低温韧性显著降低,仅为10J左右。而经过不同合金脱氧处

12、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IMO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(PCRP),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，著地细化了最终的铁素体晶粒尺寸

13、， 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B +固N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T1处理或稍过量的A1处理，均可使微量B的固溶比例达到5 0%以上,且偏聚于奥氏

14、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。采取上述合金优化思路，工业生产获得了截面均匀的淬透组织和良好力学性能的特厚齿条钢。对于15 2mm 厚的齿条钢，即使在钢板的心部,淬火冷却速率仅为iC/s左右，通过上述合金设计和工艺配合，也可获得以马氏体+下贝氏体-4L为主的显微组织，基于该思路开发的齿条钢和国 内外先进技术相比，具有较高的强韧性水平。图1（1152mm齿条钢心部的组缤结构马氐丼+下贝氏休）5、9Ni低温钢的储随着LNG工业的迅猛发展，9N1低温钢的研究和开发热度持续升温LNG存温度为一16 3C, 要求LNG储罐内壁用9N1钢，具有较高的强度、良好的低温韧性 和较小的

15、波动。研究发现，采用QLT热处理（在QT调质处理中增加一道两相区淬火），可在强度略微降低的情况下，显著提高9N1钢的低温韧性，同时大大扩展9N1钢的热处 理工艺窗口，提高9Ni钢的性能稳定性。在9N19N1钢的良好低温韧性与其中形成的一定含量的逆转变奥氏体有密切关系。钢中形成5%15%左右的、热稳定性高的逆转变奥氏体，可韧化马氏体基体， 在受载变形过程中吸收能量， 提高相变诱导塑性能力。 在一定范围内，9N1钢的逆转变奥氏体含量越高，低温韧性越好 9 10 。总结高技术船舶及海洋工程的国产化是建立在高端材料和技术大量依赖进口的背景之上的。要实现中国成为世界造船强国的战略目标， 还有大量关键技术

16、需要突破， 其中的核心问题之就是高品质造船及海洋工程用钢的研发和推广应用。2006 年以后，为了防止和减少油轮发生海损事故造成的污染，国际海事组织已经要求大型油轮必须设置双层底或双层船壳。 现在新造的大型油轮均是双壳结构， 大大增加了船用钢材的用量 11。目前我国在海洋平台用高强钢的研发和应用方面已取得了长足的进步，但和欧美等发达国家和地区相比，海洋平台用高强钢存在强度和厚度不高、规格不全、标准不完善、焊接性能较差等方面的不足， 尤其是耐腐蚀及腐蚀开裂问题研究不够深入，限制了我国海洋资源开发的能力。因此，研发和完善高强度、厚规格、可焊接性，尤其是耐腐蚀及耐腐蚀开裂性能好的海洋平台用高强钢是我国今后的重点研究方向之一12。参考文献1 韦明，李玉谦，王升 海洋平台用钢2 戴永寿 船用钢