張 翔 徐秀清 馬 飛

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·綜 述·

國內(nèi)外海洋工程用高強(qiáng)鋼研究進(jìn)展

張 翔1徐秀清1馬 飛2

(1.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077；2.中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司 新疆 庫爾勒 841000)

文章通過對(duì)國內(nèi)外海洋工程領(lǐng)域用鋼鐵種類、性能的介紹，分析了國內(nèi)外海洋油氣開發(fā)用高強(qiáng)鋼的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，認(rèn)為油氣開發(fā)用高強(qiáng)鋼將向高強(qiáng)度、大厚度、耐蝕性方向發(fā)展，為海洋油氣開發(fā)用材提供參考。

高強(qiáng)鋼；耐蝕性；海洋油氣開發(fā)

0 引 言

2012年3月，國家公布的《海洋工程裝備制造業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》中提出，2015年，海工裝備年銷售收入達(dá)到2000億元以上，其中海洋油氣開發(fā)裝備國際市場(chǎng)份額達(dá)到20%，2020年，這一數(shù)據(jù)將達(dá)到35%[1]。因此，對(duì)我國海洋工程裝備制造業(yè)及材料提出了更高的要求。

鋼鐵作為海洋工程裝備的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料，廣泛應(yīng)用于鉆井平臺(tái)、生產(chǎn)平臺(tái)以及海底管道等。由于服役時(shí)間長，要長期抵抗惡劣的風(fēng)浪條件，水下修理維護(hù)的成本極高，其采用的鋼板逐漸向高強(qiáng)度、高韌性、易焊接性、良好的耐腐蝕性以及大厚度、大規(guī)格化方向發(fā)展[2～4]。

1 國外研究現(xiàn)狀

目前海洋平臺(tái)用鋼遵循的四大國際標(biāo)準(zhǔn)，即En10225和BS7191(歐洲標(biāo)準(zhǔn))，API(美國標(biāo)準(zhǔn))， Norsok(北海標(biāo)準(zhǔn))，對(duì)海洋平臺(tái)用鋼的力學(xué)性能及設(shè)計(jì)制造等都有明確的規(guī)定，但對(duì)耐腐蝕性能的規(guī)范較為欠缺。

世界海洋平臺(tái)用高強(qiáng)度鋼的主要級(jí)別為屈服強(qiáng)度355 MPa、420 MPa、460 MPa、500 MPa、550 MPa、620 MPa、690 MPa，并對(duì)低溫性能要求至少-40 ℃，甚至-60 ℃，抗層狀撕裂性能達(dá)Z向35%，耐腐蝕性能良好，主要交貨方式為TMCP、正火以及調(diào)質(zhì)。

日本對(duì)海洋平臺(tái)用鋼的研究較早，已開發(fā)出耐海水腐蝕、大線能量焊接及低溫用等系列的高強(qiáng)鋼板，強(qiáng)度級(jí)別已達(dá)980 MPa。JFE開發(fā)出了厚度為140 mm、屈服強(qiáng)度為700 MPa、抗拉強(qiáng)度為800 MPa的含鎳平臺(tái)用鋼；同時(shí)該公司形成了自己的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)系列，海洋平臺(tái)的鋼板抗拉強(qiáng)度為360 MPa～980 MPa，品種主要有JFE-HITEN系列高強(qiáng)鋼板等。利用微合金化元素的析出，新日鐵開發(fā)了HTUFF技術(shù)，其用于海洋平臺(tái)的鋼板主要有 WEL-TEN 系列高強(qiáng)鋼板、NAW-K 及 COR-TEN系列無涂層焊接結(jié)構(gòu)用耐蝕鋼板、MARILOY系列焊接結(jié)構(gòu)用耐海水腐蝕鋼板及NAW-TEN系列含Ni耐候鋼板等品種。此外，新日鐵公司還按 API2W，EN10225，NORSOK及BS7191標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)屈服強(qiáng)度在315 MPa ～550 MPa之間的A，D，E，F(xiàn)級(jí)別的鋼板，最高強(qiáng)度達(dá)到950 MPa[5、6]。

歐洲作為海洋資源開發(fā)較早的區(qū)域，其海洋平臺(tái)用鋼的研發(fā)、應(yīng)用、品種系列化及標(biāo)準(zhǔn)化處于領(lǐng)先地位，已可生產(chǎn)A，B，D，E 級(jí)的屈服強(qiáng)度在235 MPa ～690 MPa之間的各種鋼板。目前歐洲用于海洋平臺(tái)建設(shè)的鋼種應(yīng)用最廣泛的為S355，S420，S460及S690[7]，耐腐蝕性能良好。挪威?？品扑箍刷蛱?hào)海洋鉆井平臺(tái)是歐洲第1座使用改進(jìn)韌性S690Q鋼板的海洋平臺(tái)。

俄羅斯Arkticheskaya自升式鉆井平臺(tái)用于北極地區(qū)的油氣鉆探，最大鉆探深度6 500 m。當(dāng)前S690級(jí)高強(qiáng)鋼在海洋平臺(tái)中的應(yīng)用越來越多，但仍需解決高強(qiáng)鋼板焊接處易開裂及耐蝕性差等問題。現(xiàn)今在海洋平臺(tái)建設(shè)中也應(yīng)用了更高強(qiáng)度級(jí)別的鋼板，其高強(qiáng)鋼板主要通過調(diào)質(zhì)工藝生產(chǎn)，鋼板屈服強(qiáng)度可達(dá)1 100 MPa，但由于焊接困難和耐腐蝕開裂問題，超高強(qiáng)鋼在海洋建設(shè)中應(yīng)用較少。

2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國開發(fā)海洋石油起步比較晚，到20世紀(jì)80年代才建成自己的海洋石油平臺(tái)。目前我國海洋平臺(tái)主要使用屈服強(qiáng)度為355 MPa～460 MPa的D，E及F級(jí)鋼板，基本實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。我國首次自主設(shè)計(jì)建造的3 000 m深水半潛式鉆井平臺(tái)“海洋石油981”(圖1)所用鋼的強(qiáng)度已達(dá)到690 MPa；北海油區(qū)海洋自升式平臺(tái)固定結(jié)構(gòu)已使用500 MPa以上，甚至750 MPa高強(qiáng)度鋼，但我國海洋平臺(tái)用鋼強(qiáng)度不高、規(guī)格不全、耐腐蝕性能較差、配套工藝不完善等問題，仍限制了我國自主開發(fā)海洋資源的能力。

圖1 3 000 m深水半潛式鉆井平臺(tái)“海洋石油981”

按照ASTM(美國)、EN(歐洲)、各船級(jí)社以及API(美國石油協(xié)會(huì))的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)來劃分，寶鋼擁有四大系列海洋平臺(tái)用厚板產(chǎn)品。寶鋼集團(tuán)浦鋼公司采用正火工藝開發(fā)了DH36-Z35、EH36-Z35等海洋石油平臺(tái)鋼板，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。采用調(diào)質(zhì)工藝試制了屈服強(qiáng)度690 MPa高強(qiáng)度海洋平臺(tái)用齒條鋼，同時(shí)自主研發(fā)的自升式海洋平臺(tái)樁腿用最大厚度為178 mm的厚板。

舞鋼成功開發(fā)了A、B、D、E、AH32-EH32、AH36-EH36級(jí)海洋平臺(tái)用鋼和EH40、FH40、E500、E550、E520、E690、A514GrQ和A517GrQ等高強(qiáng)度鋼板。其生產(chǎn)的D36-Z35海工鋼，被用于我國第一個(gè)世界級(jí)深水項(xiàng)目——位于南海東部1 500 m深海區(qū)域的“荔灣3-1”氣田中。生產(chǎn)的A514GrQ齒條鋼最大厚度達(dá)215 mm，比國外最大厚度還超出5 mm，解決了自升式平臺(tái)升降機(jī)構(gòu)齒條鋼、半圓板國產(chǎn)化的急需。

鞍鋼的鋼板級(jí)別涵蓋了普通強(qiáng)度A、B、D、E級(jí)和高強(qiáng)度AH32～EH32、AH36～EH36、AH40～EH40級(jí)的大線能量焊接用船體及海洋采油平臺(tái)用鋼系列，產(chǎn)品最大厚度為100 mm，焊接線能量為100 kJ/cm。其強(qiáng)度、低溫韌性、規(guī)格等指標(biāo)均達(dá)到國際先進(jìn)水平，大大超過一般鋼廠能達(dá)到的厚度40 mm、焊接線能量50 kJ/cm的水平。

國產(chǎn)海洋平臺(tái)鋼板已被廣泛采用，EH40以下的海洋平臺(tái)用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼材基本實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，但關(guān)鍵部位所用高強(qiáng)度、大厚度材料仍依賴進(jìn)口。因此高強(qiáng)度、厚規(guī)格及耐腐蝕性能好的海洋平臺(tái)用高強(qiáng)鋼的研發(fā)和應(yīng)用是我國今后的主要研究方向之一。

3 我國與國際先進(jìn)水平的差距

我國海洋平臺(tái)主要使用的屈服強(qiáng)度為355 MPa～460 MPa的D，E及F級(jí)鋼板，基本實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。鞍鋼、南鋼生產(chǎn)的中厚板屈服強(qiáng)度達(dá)550 MPa，武鋼、寶鋼和沙鋼都已具備生產(chǎn)屈服強(qiáng)度為690 MPa海洋平臺(tái)用鋼的能力，但厚度超過120 mm以上時(shí)，產(chǎn)品質(zhì)量及性能的穩(wěn)定性、滿足更大規(guī)格產(chǎn)品的技術(shù)需求、耐腐蝕開裂、配套焊接等方面都存在問題。建造海洋工程的關(guān)鍵部位所用的高強(qiáng)度、厚規(guī)格、耐海洋腐蝕開裂等性能的鋼板多數(shù)仍需進(jìn)口，特別是具有良好綜合力學(xué)性能且厚度在120 mm以上、屈服強(qiáng)度在690 MPa以上的高韌性、耐腐蝕、易焊接的海洋平臺(tái)用鋼基本依賴進(jìn)口。表1對(duì)比了我國海工用鋼先進(jìn)水平與國外先進(jìn)水平之間的差距。

表1 國內(nèi)外主要海工用鋼性能指標(biāo)對(duì)比[8]

4 結(jié)束語

目前，我國海洋工程關(guān)鍵部分用鋼依然需要進(jìn)口，面對(duì)海洋開發(fā)的巨大市場(chǎng)前景，鋼鐵企業(yè)應(yīng)按照國際海工用鋼的標(biāo)準(zhǔn)，從以下幾個(gè)方面借鑒：(1)開發(fā)系列鋼板品種,實(shí)現(xiàn)鋼板全系列供貨。實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)鋼國產(chǎn)化、全覆蓋。(2)進(jìn)一步優(yōu)化焊接工藝、性能。焊接部分往往是失效發(fā)生的重點(diǎn)部位，焊接工藝與性能的優(yōu)劣對(duì)工程質(zhì)量影響巨大。(3)逐漸形成我國的海工用鋼標(biāo)準(zhǔn)體系，規(guī)范海工鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量，為海洋油氣開發(fā)做好用材保障。

[1] 高 升，劉 琦．海洋工程裝備發(fā)展及用鋼前景分析[J]．冶金管理，2012，25(8)：29-31．

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Research on High-strength Steel Used for Offshore Engineering

ZHANG Xiang1XU Xiuqing1MA Fei2

(1.CNPCTubularGoodsResearchInstitute,Xi’an，Shaanxi710077,China；2.ChinesePetroleumNaturalGasLimitedLiabilityCompanyTalimuOilFieldSubsidiaryCompany,Kuerle,XinJiang841000,China)

The model and performance of steel used in marine engineering are reviewed, and the current situation and development of high-strength steel for the exploitation of offshore oil and gas resources are analyzed in the article. High strength, large size in thickness, corrosion-resistance should be the trend of the improvement of the high-strength steel for the exploitation of offshore oil and gas resources.

high strength steel, corrosion resistance, marine oil and gas resources development

張 翔，女，1985年生，工程師，碩士研究生，2011年畢業(yè)于西安理工大學(xué)材料學(xué)專業(yè)，目前在石油管工程技術(shù)研究院從事金屬材料性能測(cè)試與分析。E-mail：zhangxiang003@cnpc.com.cn

TE5

A

2096-0077(2015)01-0009-03

2014-12-08 編輯：姜婷)