杜　偉，李鶴林

(中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　陜西　西安　710077)

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·綜述·

海洋石油平臺(tái)用鋼的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)(二)

杜偉，李鶴林

(中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陜西西安710077)

歸納了海洋石油平臺(tái)用鋼的類別品種，包括一般強(qiáng)度鋼、高強(qiáng)度鋼、超高強(qiáng)度鋼，以及耐海水腐蝕低合金鋼、齒條鋼、Z向鋼、適合高熱輸入焊接鋼、高強(qiáng)度系泊鏈鋼、高強(qiáng)度鑄鋼等特殊用途鋼種；分析了海洋平臺(tái)用鋼的標(biāo)準(zhǔn)體系，并介紹了歐洲標(biāo)準(zhǔn)、API標(biāo)準(zhǔn)、船級(jí)社標(biāo)準(zhǔn)以及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)平臺(tái)用鋼的性能要求；綜述了國(guó)內(nèi)外平臺(tái)用鋼的產(chǎn)品開發(fā)及應(yīng)用現(xiàn)狀；最后討論提出了海洋石油平臺(tái)用鋼向高強(qiáng)、高韌以及良好低溫韌性與焊接性方向發(fā)展的趨勢(shì)。

海洋平臺(tái)用鋼；Z向鋼；齒條鋼；適應(yīng)高熱輸入焊接鋼；耐海水腐蝕鋼

(接2016年第3期)

2　海洋平臺(tái)用鋼的標(biāo)準(zhǔn)及性能要求

國(guó)際上常用的海洋平臺(tái)用鋼標(biāo)準(zhǔn)包括歐洲的EN 10225、BS 7191、NORSOK標(biāo)準(zhǔn)，美國(guó)的API、ASTM標(biāo)準(zhǔn)，以及ABS、BV、CCS、DNV、GL、LR、KR、NK、RLNA等九大船級(jí)社標(biāo)準(zhǔn)等。其中，BS 7191-1989標(biāo)準(zhǔn)由2001年發(fā)布的EN 10225-2001代替，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)為EN 10225-2009《固定近海結(jié)構(gòu)可焊接結(jié)構(gòu)鋼—交貨技術(shù)條件》[10]。

國(guó)內(nèi)海洋平臺(tái)用鋼標(biāo)準(zhǔn)包括GB 712-2011 《船舶及海洋工程用結(jié)構(gòu)鋼》[11]、YB/T 4283-2012《海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)用鋼板》[12]。GB 712-2011是在原船體結(jié)構(gòu)用鋼的基礎(chǔ)上修訂為船舶及海洋工程用結(jié)構(gòu)鋼，成為我國(guó)首個(gè)海洋平臺(tái)用鋼國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。YB/T 4283標(biāo)準(zhǔn)作為我國(guó)首個(gè)海洋平臺(tái)用鋼專用標(biāo)準(zhǔn)，2012年由湘鋼牽頭編寫完成，其修改參照了EN 10225-2009標(biāo)準(zhǔn)。

2.1EN 10225

EN 10225標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了用于固定近海岸構(gòu)架的可焊接結(jié)構(gòu)鋼的要求。涉及產(chǎn)品的強(qiáng)度范圍包括355 MPa(板材最大厚度150 mm)、420 MPa(板材最大厚度100 mm)以及460 MPa(板材最大厚度100 mm)三個(gè)強(qiáng)度級(jí)別。355 MPa級(jí)別鋼交貨狀態(tài)有正火或正火軋制(N)及軋制(M)；420 MPa和460 MPa級(jí)別鋼交貨狀態(tài)有M及淬火和回火(QT)。典型牌號(hào)包括S355G2+N、S355G3+N、S355G5+M、S355G6+M、S355G7+N、S355G7+M、S355G8+N、S355G8+M、S355G9+N、S355G10+N、S355G9+M、S355G10+M、S420G1+QT、S420G1+M、S420G2+QT、S420G2+M、S460G1+QT、S460G1+M、S460G2+QT、S460G2+M。

EN 10225內(nèi)容包含了海洋平臺(tái)用鋼的分類及名稱、生產(chǎn)過(guò)程、尺寸，質(zhì)量及允許偏差、性能要求、檢測(cè)及試驗(yàn)、標(biāo)志，包裝及保護(hù)涂層等，同時(shí)也提供了加嚴(yán)成分要求、應(yīng)變時(shí)效試驗(yàn)、焊后熱處理試驗(yàn)(PWHT)、Z向性能、CTOD、寬板試驗(yàn)、焊接性能試驗(yàn)、成型性能等18項(xiàng)附加要求，供用戶結(jié)合鋼板實(shí)際用途選擇使用。

EN 10225對(duì)S355、S420和S460級(jí)鋼板力學(xué)性能的要求見表4～表6。其力學(xué)性能要求不僅與鋼材的級(jí)別有關(guān)，同時(shí)也受板材厚度影響。同時(shí)，不同牌號(hào)鋼材的沖擊試驗(yàn)溫度也存在差別。

表4　S355級(jí)鋼材的組別及力學(xué)性能要求

注：t為厚度，mm。

表5　S420級(jí)鋼材的組別及力學(xué)性能要求

注：t為厚度，mm。

表6　S460級(jí)鋼材力學(xué)性能要求

2.2API Spec 2H、2W 及2Y

海洋平臺(tái)用鋼相關(guān)的API標(biāo)準(zhǔn)包括：API Spec 2H 《近海結(jié)構(gòu)用碳錳鋼板規(guī)范》[13]、API Spec 2W[14]《海洋結(jié)構(gòu)用熱機(jī)械控軋(TMCP)鋼板》和API Spec 2Y 《海洋結(jié)構(gòu)調(diào)質(zhì)鋼板》[15]等。

API Spec 2H規(guī)定了近海焊接結(jié)構(gòu)用厚度≤100 mm(4 in)的2種強(qiáng)度等級(jí)鋼板，為42級(jí)和50級(jí)，依次標(biāo)識(shí)為API 2H-42、API 2H-50。鋼板的交貨狀態(tài)為正火態(tài)，對(duì)于厚度超過(guò)63.5 mm(2.5 in)的50級(jí)鋼板也可采用淬火加回火態(tài)交貨。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了鋼板的制造、化學(xué)成分、力學(xué)性能、標(biāo)識(shí)等要求，同時(shí)也給出了超聲波檢測(cè)、低溫沖擊韌性、Z向性能、應(yīng)變時(shí)效性能以及尺寸偏差等補(bǔ)充技術(shù)要求。

API Spec 2H對(duì)42級(jí)和50級(jí)碳錳鋼的性能要求見表7。API Spec 2H在基本性能要求基礎(chǔ)上，也提供了多種供用戶選擇的試驗(yàn)項(xiàng)目，以滿足不同的應(yīng)用需求。

表7　API Spec 2H的性能要求

API Spec 2W規(guī)定了用于海洋焊接結(jié)構(gòu)的2種級(jí)別的高強(qiáng)度TMCP鋼板，API Spec 2Y則規(guī)定了用于海洋焊接結(jié)構(gòu)的2種級(jí)別的高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼板。強(qiáng)度級(jí)別均為50級(jí)和60級(jí)，依次標(biāo)識(shí)為API 2W-50、API 2W-60 和API 2Y-50、API 2Y-60。50級(jí)鋼板的最大厚度為150 mm(6 in)，60級(jí)鋼板的最大厚度為100 mm(4 in)。API Spec 2W、API Spec 2Y標(biāo)準(zhǔn)與API Spec 2H標(biāo)準(zhǔn)的整體結(jié)構(gòu)基本相同，均規(guī)定了包括制造、化學(xué)成分、力學(xué)性能、標(biāo)識(shí)在內(nèi)的基本要求及補(bǔ)充要求。而考慮到焊后熱處理對(duì)TMCP鋼、淬火回火鋼的影響，API Spec 2W、API Spec 2Y還規(guī)定了關(guān)于焊后熱處理(PWHT)的補(bǔ)充技術(shù)要求。此外，按照API Spec 2W、API Spec 2Y標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的鋼板還需進(jìn)行試生產(chǎn)鑒定，除進(jìn)行基本的檢驗(yàn)、試驗(yàn)項(xiàng)目外，還包括裂紋尖端張開位移(CTOD)試驗(yàn)、按API RP2Z進(jìn)行的包括中等約束水平的可控?zé)峋惺囼?yàn)(CTS)和高約束水平V型坡口試驗(yàn)的可焊性試驗(yàn)。

API Spec 2W對(duì)TMCP鋼以及API Spec 2Y對(duì)淬火回火鋼的性能要求參見表8。其中在對(duì)CTOD的規(guī)定中，標(biāo)準(zhǔn)考慮了材料厚度的影響，對(duì)于大厚度材料，對(duì)應(yīng)更高的CTOD值。

2.3ASTM A 514及A 517

ASTM系列鋼材中，ASTM A 514/A 514M《焊接結(jié)構(gòu)用高屈服強(qiáng)度淬火回火合金鋼》[16]和ASTM A 517/A 517M 《壓力容器用高強(qiáng)度淬火回火合金鋼板》[17]也常被用作海洋平臺(tái)用鋼。A514、A517中包含了A、B、E、F、H、P、Q和S等8個(gè)鋼材級(jí)別，不同級(jí)別鋼材的化學(xué)成分、最大厚度及適用范圍各不相同。A514中A、B級(jí)別鋼材的最大厚度為32 mm，H級(jí)別鋼材最大厚度為50 mm，F(xiàn)、S級(jí)別鋼材最大厚度為65 mm，E、P和Q級(jí)別鋼材最大厚度為150 mm。A517中A、B級(jí)別的最大厚度為32 mm，H、S級(jí)別最大厚度為50 mm，F(xiàn)級(jí)別最大厚度為65 mm，E和Q級(jí)別最大厚度為150 mm。A514/A517 Gr.Q在自升式平臺(tái)中應(yīng)用較廣，主要用于制造平臺(tái)樁腿的齒條、半弦板等。

表8　API Spec 2W、API Spec 2Y性能要求

ASTM A514和ASTM A517標(biāo)準(zhǔn)對(duì)Gr.Q鋼材化學(xué)成分和力學(xué)性能的規(guī)定(見表9)幾乎相同。區(qū)別在于，A514用于焊接結(jié)構(gòu)件，A517用于鍋爐壓力容器，出于對(duì)鍋爐壓力容器安全性的考慮，A517的抗拉強(qiáng)度更高。在實(shí)際工程應(yīng)用中，A514和A517 Gr.Q常用于100 mm厚度以上齒條鋼的生產(chǎn)和訂貨，最大適用厚度為150 mm。為滿足大厚度截面淬透性的要求，加入Mn、Cr、Mo、Ni等合金元素，以提高淬透性。同時(shí)加入微合金元素B和V，以提高超厚板心部的性能。鑒于自升式平臺(tái)齒條鋼最大厚度達(dá)到259 mm，常規(guī)的供貨厚度為178 mm，均超出了A514和A517規(guī)定的壁厚上限。用戶企業(yè)在采購(gòu)齒條鋼時(shí)，常在A514和A517標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上通過(guò)修正，制定相應(yīng)的產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格書以滿足工程需求。目前，世界上普遍流行的是阿塞洛集團(tuán)Indu steel制定的A517Q-MOD技術(shù)規(guī)范。

Indu steel根據(jù)實(shí)際工程需要，對(duì)美標(biāo)A517Gr.Q進(jìn)行了修正，形成企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)A517Q-MOD，見表9。其修訂的內(nèi)容主要包括：1)為了滿足實(shí)際工程需要，突破了厚度150 mm的限制。實(shí)際供貨的最大厚度達(dá)到210 mm及以上，目前常規(guī)的供貨厚度為178 mm。2)加嚴(yán)了對(duì)沖擊韌性的要求。3)提高了對(duì)屈服強(qiáng)度的要求。ASTM標(biāo)準(zhǔn)對(duì)厚度大于65 mm的厚鋼板采用降低屈服強(qiáng)度驗(yàn)收(Q690按照620 MPa驗(yàn)收)，而Indu steel則依然要求最低屈服強(qiáng)度690 MPa。4)基于以上對(duì)厚度規(guī)格和性能指標(biāo)的更嚴(yán)格要求，Indu steel對(duì)A517Gr.Q的成分規(guī)定也作了相應(yīng)的修改。主要包括：對(duì)C、Cr含量的上限進(jìn)行了更嚴(yán)格的限制；為提高大厚度鋼板的淬透性，提高了Mn、Ni含量的要求；考慮低溫沖擊功的要求，提高了Ni的含量水平，并可根據(jù)低溫沖擊的考核要求不同靈活選擇；此外，V和B可同時(shí)加入，并允許Al的適量加入。

渤海裝備遼河重工訂貨技術(shù)條件(見表9)中A517Q-MOD最大厚度達(dá)到178 mm；屈服強(qiáng)度提高至690 MPa；沖擊韌性試驗(yàn)溫度相對(duì)于A514/517未變，而沖擊功要求值增加至69 J；在化學(xué)成分方面主要降低了C、以及S、P等有害元素的含量上限。

表9　ASTM A514Gr.Q、A517Gr.Q以及相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)A 517Q-MOD的性能要求

2.4CCS規(guī)范

海洋平臺(tái)用鋼在應(yīng)用前需經(jīng)船級(jí)社認(rèn)證，ABS、BV、CCS、DNV、GL、LR、KR、NK、RLNA等九大船級(jí)社均制定了各自的材料標(biāo)準(zhǔn)，各船級(jí)社相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容及要求基本相同。中國(guó)船級(jí)社(CCS)的《材料及焊接規(guī)范》[18]適用于船體、機(jī)械、鍋爐和受壓容器及海上設(shè)施等的材料或產(chǎn)品的制造、試驗(yàn)和檢驗(yàn)，包含了對(duì)鋼板、扁鋼與型鋼、鋼管、鑄鋼件、鍛鋼件等金屬材料的性能要求及焊接要求。

CCS船級(jí)社規(guī)范中涉及的平臺(tái)用鋼包括一般強(qiáng)度船體用結(jié)構(gòu)鋼、高強(qiáng)度船體用結(jié)構(gòu)鋼和焊接結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度淬火回火鋼等。CCS規(guī)范對(duì)一般強(qiáng)度船體用結(jié)構(gòu)鋼、高強(qiáng)度船體用結(jié)構(gòu)鋼和焊接結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度淬火回火鋼的力學(xué)性能要求見表10、表11和表12。一般強(qiáng)度鋼區(qū)分了A、B、D、E 4個(gè)等級(jí)，相應(yīng)的沖擊試驗(yàn)溫度分別為20℃、0℃、-20℃和-40℃；高強(qiáng)度鋼和高強(qiáng)度淬火回火鋼區(qū)分了A、D、E、F 4個(gè)等級(jí)，沖擊試驗(yàn)溫度分別為0℃、-20℃、-40℃和-60℃。除A級(jí)鋼外，規(guī)范均提出橫向和縱向的沖擊韌性要求，且沖擊功要求值與強(qiáng)度和厚度均有關(guān)，強(qiáng)度越高、厚度越大，沖擊功要求值也隨之提高。

針對(duì)特殊用途平臺(tái)鋼，CCS規(guī)范還提出了對(duì)Z向鋼、適應(yīng)高熱輸入焊接鋼以及錨鏈用軋制圓鋼等的特殊要求。Z向鋼適用于因結(jié)構(gòu)中承受厚度方向拉伸載荷而對(duì)鋼材厚度方向有性能要求的厚度不小于15 mm的板材或扁鋼。適應(yīng)高熱輸入焊接鋼適用于采用熱輸入超過(guò)50 kJ/cm焊接工藝的平臺(tái)鋼焊接。錨鏈用軋制圓鋼適用于制造船舶錨鏈、海上設(shè)施系泊鏈及其附件用的軋制圓鋼。CCS規(guī)范規(guī)定的海上設(shè)施系泊鏈用鋼包括OM3、OM3S、OM4、OM4S和OM5共5個(gè)級(jí)別。

表10　一般強(qiáng)度船體用結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)性能要求

注：t為厚度，mm。

表11　高強(qiáng)度船體用結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)性能要求

注：t為厚度，mm。

表12　焊接結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度淬火回火鋼的力學(xué)性能要求

Z向鋼，CCS規(guī)范要求其化學(xué)成分除符合母級(jí)鋼規(guī)定外，熔煉分析化學(xué)成分中S含量應(yīng)≤0.008%。對(duì)于Z25鋼，3個(gè)試樣的厚度方向斷面收縮率平均值應(yīng)≥25%，單個(gè)值≥15%；對(duì)于Z35鋼，3個(gè)試樣的厚度方向斷面收縮率的平均值應(yīng)≥35%，單個(gè)值≥25%。CCS規(guī)范同時(shí)規(guī)定了對(duì)Z向鋼的超聲波檢測(cè)。

適應(yīng)高熱輸入焊接鋼是在母級(jí)鋼的基礎(chǔ)上，經(jīng)化學(xué)成分少量調(diào)整處理的鋼材。適應(yīng)高熱輸入焊接鋼除滿足特殊要求外，還應(yīng)符合其母級(jí)鋼的所有要求。適應(yīng)高熱輸入焊接鋼須按要求進(jìn)行平板對(duì)接焊工藝認(rèn)可試驗(yàn)，試驗(yàn)項(xiàng)目包括：焊縫拉伸、焊縫正反彎、焊接接頭沖擊、焊接接頭硬度及斷面宏觀等。

對(duì)于系泊鏈用鋼，規(guī)范規(guī)定其化學(xué)成分應(yīng)滿足認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)OM4、OM4S和OM5級(jí)系泊鏈鋼的鉬含量應(yīng)不低于0.20%。系泊鏈鋼應(yīng)進(jìn)行奧氏體晶粒度檢查；對(duì)于OM4S和OM5級(jí)鋼需進(jìn)行非金屬夾雜物檢查、宏觀酸蝕檢查(確認(rèn)無(wú)有害的偏析和氣孔)和淬透性試驗(yàn)；對(duì)于OM3S、OM4、OM4S和OM5級(jí)鋼還需進(jìn)行氫脆試驗(yàn)，未經(jīng)烘焙試樣的斷面收縮率與烘焙后試樣的斷面收縮率比應(yīng)≥0.85。系泊鏈鋼的力學(xué)性能要求見表13，不僅包含了對(duì)強(qiáng)韌性指標(biāo)的要求，還有對(duì)屈強(qiáng)比及硬度的規(guī)定。其中，OM5級(jí)鋼的屈服強(qiáng)度達(dá)到760 MPa以上，-20℃沖擊功≥58 J，屈強(qiáng)比≤0.92，硬度≤340 HBW。

表13　系泊鏈及附件用材料的力學(xué)性能

2.5GB 712

GB 712《船舶及海洋工程用結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了船舶及海洋工程用結(jié)構(gòu)鋼的分類和牌號(hào)、訂貨內(nèi)容、尺寸、外形、重量及允許偏差、要求、檢驗(yàn)和試驗(yàn)、包裝、標(biāo)志和質(zhì)量證明書。適用于制造遠(yuǎn)洋、沿海和內(nèi)河航區(qū)航行船舶、漁船及海洋工程結(jié)構(gòu)用厚度不大于150 mm的鋼板、厚度不大于25.4 mm的鋼帶及剪切板和厚度或直徑不大于50 mm的型鋼。GB 712將船舶及海洋工程結(jié)構(gòu)用鋼按強(qiáng)度級(jí)別分為：一般強(qiáng)度(≤235 MPa)、高強(qiáng)度(315～390 MPa)和超高強(qiáng)度(420～490 MPa)三類。GB 712對(duì)于一般強(qiáng)度及高強(qiáng)度鋼的規(guī)定與船級(jí)社規(guī)范基本相同，而在超高強(qiáng)度鋼方面，相對(duì)于船級(jí)社的淬火回火鋼，GB 712放開了對(duì)鋼板交貨狀態(tài)的限制，既可采用QT狀態(tài)交貨，也可TMCP和TMCP+T狀態(tài)交貨。

(待續(xù))

Status and Development Trends of Offshore Platform Steels Ⅱ

DU Wei，LI Helin

(CNPCTubularGoodsResearchInstitute,StateKeyLaboratoryforPerformanceandStructureSafetyofPetroleumTubularGoodsandEquipmentMaterials,Xi′an,Shaanxi710077,China)

The main varieties and specifications of offshore platform steels are summarized, which include general strength steel, high strength steel, ultra-high strength steel and special purpose steeling (seawater corrosion resistant low alloy steel,gear steel, Z-direction steel, high heat input welding steel, mooring chain steel and high strength cast steel, etc.). The standard system of platform steels and the relevant requirements of European standards, API standards, classification society standards and national standards are concluded. Then the R&D status of platform steels are discussed. Lastly, the development trends of offshore platform steels are pointed out.

offshore platform steel；Z-direction steel；gear steel；high heat input welding steel；seawater corrosion resistant low alloy steel

杜偉，男，1982年生，工程師，2008年碩士畢業(yè)于北京科技大學(xué)材料學(xué)專業(yè)，現(xiàn)主要從事石油管的工程應(yīng)用與應(yīng)用基礎(chǔ)研究。E-mail:duw002@cnpc.com.cn

TE5

A

2096-0077(2016)04-0001-05

2016-04-14編輯：屈憶欣)