海洋工程用钢品种开发(杨才福)

船舶海洋工程用钢的发展

杨才福

钢铁研究总院

先进钢铁材料技术国家工程研究中心

海洋工程用钢产业技术创新战略联盟内容提要船舶海洋工程用钢发展需求关键品种技术的研究开发工作大线能量焊接用钢耐腐蚀油船用钢止裂船板低温用钢“十三五”规划中国海洋经济的发展国家战略：2012-9-16:国务院《全国海洋经济发展“十二五”规划》中国制造2025：十大领域航空航天、海洋工程、轨道交通“走向深蓝”的海洋经济是我国经济的“蓝色引擎”南海是“海上丝绸之路”战略的重点中国造船业的发展2014年指标数量万吨份额%完工量390541.7新接订单599550.5手持订单1489047.1中国造船用钢发展产能迅速扩展，满足船舶行业发展需求，产能过剩品种规格系列配套品种、规格系列化高强度船板如36、40公斤级大量应用品种、质量差距表面质量、尺寸工差特种船舶（LNG、化学品）新标准规范的要求（耐蚀油轮钢、集装箱止裂板）焊接性差距大海工用钢技术现状国内外对比：

我国海工用特种钢品种的国产化率不到40%，390-690MPa级高强度关键品种主要依赖进口。材料类型国外水平国内现状高强厚板F420-890，厚10-256mm，易焊接E36-690，10-127mm，E420以上基本进口高强支撑管X100等级，最大壁厚80mmX80等级，最大壁厚30mm，X100全部进口深海管线X80等级，最大壁厚44mmX70，最大壁厚32mm，高强空白深海隔水管X80等级，高抗疲劳空白，全部进口海洋工程用钢需求、差距与问题序号类型名称钢材用量（吨）典型材料备注1固定式平台浅水导管架平台(F-P)3000E36强度低、焊接施工效率差2深水导管架平台(BSP)3000-35000E364移动式平台自升式平台(Jack-Up)4000E/F550高强度、大厚度依赖进口9500E/F69011000E/F6905半潜式平台（Semi）30000E36工作海深差距大6张力腿平台（TLP）—国内空白7柱筒式平台（Spar）—国内很少9浮式生产储油船（FPSO）50000E36强度升级10油气船储运船超大型油轮（VLCC）40000D32耐腐蚀船舶11液化天然气船（LNG）30000E369Ni、InVar进口12化学品船1000-20000E36、2205双相不锈钢海洋工程用钢技术特点高强度、大规格（256mm厚钢板）易焊接、高效率（大线能量焊接）高耐蚀、低成本（耐海洋腐蚀）弦板齿条板支撑管产品典型规格(mm)屈服强度(MPa)每平台需求量(吨)生产现状齿条钢127,150,180,210,259≥6901000-2000150mm以上全面进口弦板25,50,85≥690300-1000全面进口支撑管(273～406)X(17～60)≥550≥690700-1500690MPa全面进口配套焊材手工焊、埋弧焊等强60-150全面进口海洋工程用钢重大技术需求（1）高强度、大规格导管架平台是目前使用最多的采油平台；世界最大的导管架平台单重超过40000吨，使用水深超过460米。导管架平台用钢厚度普遍在60-80mm，最大130mm，焊接占到建造总工时的40%、总成本的50%。仅焊接一个节点就需要2-3月。平台钢厚板实现100-200kJ/cm以上大线能量焊接，可成倍提高焊接效率，并降低制造成本，意义十分重大。导管架上部模块海洋工程用钢重大技术需求

（2）易焊接、高效率海洋腐蚀环境特别是近海岸腐蚀环境极为恶劣钢在海岸的腐蚀比沙漠中大400倍以上，在距离海岸24米时比距离海岸240米的腐蚀快12倍；南海因其高湿热、强辐射、高Cl-环境腐蚀性更强，装备维护十分困难，成本很高。16年大气暴露试验，碳素钢在南海万宁的腐蚀速率是武汉的20倍、青岛的5倍；现有耐候钢在南海均出现腐蚀速率先低后高，n值大于1的异常现象.海洋工程用钢重大技术需求

（3）高耐蚀、低成本内容提要船舶海洋工程用钢发展需求关键品种技术的研究开发工作大线能量焊接用钢耐腐蚀油船用钢止裂船板低温用钢“十三五”规划船舶海工用钢大线能量焊接技术GEVWElectro-slagWeldHeatinput,KJ/cmThickness,mm焊接占

40%制造成本焊接热输入

>100kJ/cmHAZ韧性氧化物对HAZ韧性的影响Ti-Mg钢Ti-Mg,

0.7μmAl，2.2μm大线能量焊接用钢技术MicrostructuresoftheCGHAZatt8/5=180sV-Ti-NmicroalloyingBetterCGHAZtoughness(t8/5timelongerthan100s.)Microstructure:V-N-Tisteel:morethan80%isFerriteNb-TiandV-Tisteel:thecoarsebainiticmicrostructure.100kJ/cmV-Ti-NSteel氮含量对大线能量焊接HAZ韧性影响Tp=1350°Cx1s,t8/5=180sTp=1350°Cx1s,t8/5=100-300sBasedMetal:0.08C-1.20Mn-0.2Si-0.012Ti-0.06VN=44-240ppmEffectofNonCGHAZMicrostructure0.0044%N0.0094%N0.0140%N0.0190%N0.0240%NTp=1350°Cx1s,t8/5=180sQuantitativeAnalysisforCGHAZMicrostructureFS:FerritewithSecondphaseFSP:FerriteSidePlateAF:AcicularFerritePF:PolygonalFerriteQuantitativeAnalysisforCGHAZMicrostructureV-TiPrecipitatesintheAs-RolledPlatesTi-richparticlesinhotrolledplatearesignificantlyrefinedwiththeincreasingofNcontentfrom94ppmto190ppm94ppmNitrogen190ppmNitrogen94ppm[N]V-TiPrecipitatesatPeakTempduringweldedsimulation190ppm[N]190ppmNitrogen94ppmNitrogenV-TiPrecipitatesatCGHAZMorefinerTiV(C,N)particlesinhigh[N]190ppmas-rolledsteel.Thefineparticlesinthehighernitrogensteelaremorestableathightemperature,resultinginfineraustenitegrainsizeintheCGHAZ.Increasing[N]promotesTiV(C,N)precipitationinγduringcoolingfromTp,andreducestheaverageparticlesizeintheCGHAZ.大线能量焊接海洋工程用厚板工业试验MechanicalPropertiestmmRm，MPaRp0.2,MPaA，%Z，%KV（-40℃）BendN605453812875169goodH-1505343723478181H-2505233623580207Spec.490-630≥355≥21≥27CSiMnPSAlsNiCuTiVNbNCeqN0.160.161.600.0120.0030.0270.34--0.0080.0430.0360.0040.46H-10.1470.281.550.0090.0010.0360.005--0.0110.074--0.0090.42H-20.1320.321.480.0090.0020.0350.240.250.0120.050--0.0090.43焊接接头低温韧性Nb-VSteelH-1H-2Nb-VSteel:<50kJ/cmV-Ti-N:~100kJ/cmfortoughnessrequestat-40℃~160kJ/cmfortoughnessrequestat-20℃Rp0.2,MPaRm,MPaA,%Z标准≥290≥415≥21表面324504361/4333491331/232146533Z向63.0海工用超厚E36钢板250mmE36特厚钢板钢锭模铸+直接轧制，降低工艺成本采用V-N微合金化，改善截面均匀性性能特点良好强韧性匹配，表面、1/4和1/2性能均匀心部-40℃冲击功达到300J以上平台用大规格型钢和船用球扁钢为孔型轧制，道次变形小、既无法控轧、又无法控冷E550级别H型钢和D40级别球扁钢为世界难题。大规格高强度型钢例如，D40球扁钢：最大规格腹板宽430mm腹板厚20mm最大规格钢级Rel/MPaRm/MPaA%Akv-20℃/J船检认证Akv-40℃/JHP430*20D40≥390≥510≥20≥34≥34单球扁钢对称球扁钢VCN析出控制轧制技术NewTMCPProcessinV-NSteelsFerriteGrainRefinementbyIGFTechnologycombinedwithVCNPrecipitationControlRolledProcess(PRCR)inV-N

SteelSchematicDiagramofVCN-PCRP采用钒氮微合金化设计+控制析出轧制工艺（PCRP），已经开发出屈服强度355、390、440MPa级系列高韧性船用球扁钢品种技术。D40极限规格430mmx20mm热轧球扁钢屈服强度高于410MPa，-40℃冲击功达到200J大规格高强度型钢国际海事组织（IMO）规范升级的要求油轮建造规范涂层保护标准耐腐蚀钢（日本）2010年5月MSC第87次会议批准执行新规范2014年1月1日执行耐腐蚀油轮用钢开发30万吨级VLCC日本1999年启动，2010年IMO国际标准确定中国，5年完成开发工作2010年内部立项，突破核心技术，完成钢板试制2011年立项，实现焊接材料配套，申报专利2012年船级社规范建立，建成检测考核系统2013年完成型钢配套，10月开始示范船建造2014年完成实船建造，10月17日示范船下水耐腐蚀油轮用钢开发实验室耐蚀钢关键技术研究实验室3年30余炉次试验钢的探索，证明了在不突破船标的前提下，通过洁净度、夹杂物、成分、组织系统控制，可以开发出满足IMO规范的国产耐蚀船板。研制开发的耐蚀钢腐蚀速率与传统钢对比成分符合现有船标，成本增加不超过20%，远远低于涂层成本下底板腐蚀速率是传统钢的1/13，上顶板腐蚀速率是传统钢的1/2力学性能、焊接性能及冷热加工性能与传统船板相当耐蚀钢工业试制配套焊接材料及工艺试验设备、方法、标准货油舱舱实船挂片试验船级社规范和实船建造“三会一社”组织模式政、产、学、研、检、用与中国船级社CCS合作，制定我国耐蚀钢油轮用钢入级规范2012年工信部示范项目中外运长航5万吨级油轮（2014-9-17下水）研究、设计、钢厂、造船、船东、CCS大型集装箱船用止裂钢板集装箱船大型化：18000TUE，94.3%是>10000TUE甲板和上甲板的舱口围板：高强度厚板，抗裂纹止裂性能三菱重工公司建造的“MOLComfort”号，（8000TEU），2013年6月27日，在印度洋遭遇事故断成两截大型集装箱船用止裂钢板为了提高大型集装箱船特厚钢板的止裂性能，从2007年开始，日本NK船级社联合造船厂、钢铁公司、高校和研究机构，发布了《脆性裂纹止裂设计指南》。为了评估钢板的止裂性能，随同发布脆性裂纹止裂韧性Kca测试方法国际船级社协会(IACS)

2013年1月发布URW31《ApplicationofYP47steelplates》，将Kca标准测试写入YP47钢验收要求同时发布的还有URS33《Requirementforuseofextremelythicksteelplates》，于2014年1月实施、基本完全采用了NK船级社的《脆性裂纹止裂设计指南》里Kca的测试方法和要求。目前该Kca测试方法已经被CCS、GL、ABS和DNV等各大船级社采用。世界各国从2013年后开发，加快了集装箱船用止裂钢的研发进程。大型集装箱船用止裂钢板止裂性能的提高途径提高钢板的整体韧性水平，整体细晶化（提高有限）表面超细晶化，使剪切唇的比例增加，使断裂从平面应变状态向平面应力状态转变，提高止裂韧性（目前的研究热点之一）大型集装箱船用止裂钢板返温轧制工艺在轧制过程中间中引入加速冷却，使钢板表层温度降到Ac1以下，控制返红温度进入Ac1~Ac3之间，然后进行控制轧制使表层的晶粒得到细化

(a)400

℃(b)450℃(c)500℃(d)600℃(e)650℃(f)700℃表层超细化工艺400℃~600℃的范围内，都得到了超细晶组织650℃~700℃时，晶粒明显长大为获得表面超细晶，粗轧后表面迅速冷却到600℃以下大型集装箱船用止裂钢板大型集装箱船用止裂钢板

显微组织工业试制SUF止裂钢：65mm厚细晶层厚度为5~7mm，平均等效直径约2μm。SUF大型集装箱船用止裂钢板SUF钢表层(112)[110]，取向密度4.8TMCP钢表层(110)[001]，取向密度24.6（强烈的高斯织构），不利于表面韧化的改善SUF钢的韧脆转化温度比TMCP钢低20℃左右通过SUF工艺，获得兼具表面的超细晶和高韧性以及整体良好强韧匹配的止裂钢板。SUF止裂钢表层TMCP止裂钢表层大型集装箱船用止裂钢板LNG,LEG,LPG用5Ni、9Ni钢我国LNG工业的发展对9％Ni低温钢提出了迫切需求LNG工厂LNG储罐LNG运输船LNG工业十二五规划：9%Ni钢需求数十万吨，实现国产化意义重大，巨大的社会、经济效益9%Ni钢超低温韧化控制开发了QLT工艺，获得一次和二次马氏体相间排布的细化组织产生8-16%稳定的逆转变奥氏体具有良好的-196℃超低温韧性和强韧匹配工艺窗口拓宽，便于工业化批量稳定生产国产化9Ni钢板的应用国产化9%Ni钢板已用于中石油LNG项目（大连、江苏）的建设。随着国内使用经验的积累，中海油和中石化也陆续实现LNG储罐低温材料的国产化。5%Ni钢国产化LPG船上实际应用首批500吨正在供货过程中，用于LPG船上一个4200m3半冷半压乙烯液罐的建造第二批1500吨，用于建造一个12000m3LPG船三个液罐的建造内容提要船舶海洋工程用钢发展需求关键品种技术研究开发工作大线能量焊接用钢耐腐蚀油船用钢止裂船板低温用钢“十三五”规划“政－产－学－研－检－用”结合－实例：大型油船用耐蚀钢项目联盟成员单位，31家用户行业：中海油、中石油、中石化海工制造企业：中船工业、中船重工、海油工程、中集、巨涛钢铁行业：鞍钢、舞阳、宝钢、武钢、首钢、湘钢、马钢、南钢、天管、兴澄特钢、太钢等科研、高校：钢研院、金属所、北科大、东大应用研究：725所、611所、管材所设计单位：中海油研究

总院、中石化工程设计公司标准规范：中国船级社、冶金标准院行业协会和学会：中钢协、中船协、造船学会跨行业合作平台：政-产-学-研-检-用2014年6月14日，联盟成立大会钢铁研究总院：联盟理事长、秘书处海洋工程用钢产业技术创新战略联盟深水导管架平台(BSP)自升式平台(Jack-Up)半潜式平台（Semi）超大型油轮（VLCC）液化天然气船（LNG）化学品船海水淡化钻采输送系统导管架用钢强度升级E36→E46，厚10～120mm厚板可大线能量焊接40kJ/cm→100kJ/cm海洋工程用钢总体需求南海岛礁建筑舰船用钢新型耐候钢345-450MPa级，3倍寿命，低成本新型耐蚀钢400-500MPa级，8倍寿命，低成本国家科技体制改革

中央财政科技计划（专项、基金等）布局国家重点研发计划国家科技重大