海洋工程用鋼綜述-期末論文

1、<p><b>　　海洋工程用鋼綜述</b></p><p><b>　　劉斌</b></p><p>　　摘要：海洋結(jié)構(gòu)用鋼的特點(diǎn)和性能要求，耐海水用鋼，耐腐蝕鋼，海洋石油平臺(tái)用鋼的工作條件與性能要求，低合金高強(qiáng)度鋼的生產(chǎn)工藝，Z向鋼斷裂</p><p>　　一、海洋結(jié)構(gòu)用鋼的工作環(huán)境和性能要求</p&g

2、t;<p>　　海洋結(jié)構(gòu)用鋼所處環(huán)境惡劣，除了需要承受重力載荷之外，還要考慮到風(fēng)載荷、波浪載荷、海流載荷、冰載荷、地震載荷、海水腐蝕、污損、海底地質(zhì)情況等因素的影響。所以海洋結(jié)構(gòu)用鋼，要求耐海洋大氣腐蝕和海水腐蝕，具有足夠的抗波浪和潮流作用所產(chǎn)生的周期疲勞強(qiáng)度。此外，由于部分海洋結(jié)構(gòu)用鋼所處環(huán)境為寒冷地帶，如我國(guó)的渤海灣（冬季），還應(yīng)能抗-30℃--20℃的低溫脆性。此外，還應(yīng)具有良好的焊接性能和機(jī)械加工性能［1］。<

3、;/p><p><b>　　1、強(qiáng)度</b></p><p>　　海洋結(jié)構(gòu)用鋼，需要承受波浪和強(qiáng)風(fēng)所造成的水平載荷，抗拉強(qiáng)度以采用50-60公斤/毫米2為適宜。而接頭部位，由于應(yīng)力集中以及三向應(yīng)力，所以要求海洋結(jié)構(gòu)用鋼既要有足夠的強(qiáng)度，又要求具有良好的塑性變形性能。此外，強(qiáng)度越高的鋼材就越容易引起應(yīng)力腐蝕。深海潛艇除了承載高壓之外，還需要輕量化，所以要追求輕質(zhì)高強(qiáng)的材料[

4、2]。</p><p>　　按照屈服強(qiáng)度，美國(guó)ABS（除采用規(guī)定的船體鋼外），分成24-31和31-41，41-70kgf/mm2三檔；英國(guó)勞埃德船級(jí)社LR（1997）分成29和36 kgf/mm2兩檔；西德GL和挪威DNV與其本國(guó)船規(guī)鋼級(jí)相同[3]。</p><p>　　對(duì)大多數(shù)固定平臺(tái),適宜選用低、中強(qiáng)度（屈服強(qiáng)度為22.44-35.70 kgf/mm2，抗拉強(qiáng)度為43.86-51.0

5、 kgf/mm2），對(duì)移動(dòng)式平臺(tái)（包括固定式平臺(tái)上層建筑），為減輕構(gòu)件重量，增加浮力和平臺(tái)容量，則采用高強(qiáng)度鋼。例如自升式平臺(tái)樁腿就采用ASTMA514鋼，系船支柱，泥層中的管樁等也采用調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度鋼[4]。</p><p>　　研究顯示，晶粒細(xì)化可以同時(shí)提高屈服強(qiáng)度和沖擊韌性。在適當(dāng)條件下, 低合金高強(qiáng)度鋼中可以形成一定體積分?jǐn)?shù)的尺寸為納米級(jí)的碳氮化物粒子, 具有非常強(qiáng)烈的沉淀硬化效果。加入的釩、鈮、鈦等元素，除

6、了可以作為細(xì)化晶粒元素使用外，還有析出強(qiáng)化作用[5][6]。</p><p>　　低合金高強(qiáng)度鋼生產(chǎn)的現(xiàn)代工藝流程為：高爐- 鐵水脫硫- 轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)合吹煉或超高功率電弧爐冶煉- 鋼包噴粉- 真空除氣- 板坯或方坯連鑄。</p><p><b>　　2、韌性</b></p><p>　　海上結(jié)構(gòu)處于嚴(yán)酷的環(huán)境之中，局部聯(lián)結(jié)處會(huì)受到波力和風(fēng)力的沖擊

7、，造成應(yīng)力集中。尤其是在嚴(yán)寒區(qū)域低溫下工作時(shí)，由于鋼的韌性下降而產(chǎn)生脆性破壞，因此要求結(jié)構(gòu)鋼具有高的低溫韌性。當(dāng)前平臺(tái)建造規(guī)范中廣泛使用V型缺口夏比沖擊試驗(yàn)，用其沖擊功來(lái)衡量鋼材韌性的好壞。</p><p><b>　　3、可焊性</b></p><p>　　大型海洋結(jié)構(gòu)物的樁腿等構(gòu)件多為圓柱構(gòu)架狀組合，由厚鋼板卷成圓筒焊接而成，接頭形狀復(fù)雜，剛性大，不少焊接接頭位于

8、應(yīng)力集中部位，又多在現(xiàn)場(chǎng)焊接，施工條件惡劣，故很容易發(fā)生焊接裂紋，因此要求比船用鋼具有更好的焊接性能，并在選擇鋼材和焊接工藝時(shí)必須十分嚴(yán)格。</p><p>　　在這種結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)的焊接裂紋主要是焊接熱影響區(qū)（HAZ）的低溫裂紋和層狀撕裂引起的。金屬在焊接時(shí)產(chǎn)生裂紋的敏感程度稱(chēng)為裂紋敏感性。熱影響區(qū)裂紋受焊接時(shí)保護(hù)氣體和焊接材料中侵入的氫、裂紋敏感性高的HAZ組織及拘束度的影響。</p><p&

9、gt;　　HAZ組織的裂紋敏感性取決于化學(xué)成分和焊接預(yù)熱溫度、線能量等。通常用碳當(dāng)量來(lái)評(píng)價(jià)化學(xué)成分對(duì)HAZ組織硬化性的影響。為防止污染海水中微量硫化氫引起的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂和陰極保護(hù)引起的氫脆等，曾對(duì)HAZ的硬度加以限制。</p><p>　　再者，焊縫金屬與母材的材質(zhì)和電化學(xué)性能應(yīng)盡可能相同或相似，以避免或減輕電偶腐蝕。</p><p><b>　　4、腐蝕疲勞特性</b&g

10、t;</p><p>　　海上石油平臺(tái)由于長(zhǎng)期處在海水和海洋大氣的腐蝕環(huán)境中，經(jīng)受波浪，潮流引起的交變應(yīng)力，使構(gòu)件焊接頭處由于點(diǎn)蝕而產(chǎn)生疲勞破壞。經(jīng)常在深?；顒?dòng)的潛水艇則受到超低頻外力。疲勞破壞從材料上講上講與鋼中夾雜的氣體和雜質(zhì)有關(guān), 結(jié)構(gòu)上則與斷面大小、缺口、表面缺陷以及焊接缺陷有關(guān)。因此, 所使用的鋼材必需在設(shè)計(jì)、材料選擇、施工管理上使之能承受低頻疲勞。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)證明

11、, 高強(qiáng)度鋼在海水中的疲勞強(qiáng)度一般與普通強(qiáng)度鋼差不多, 然而強(qiáng)度越高, 腐蝕影響就越大。低合金鋼的腐蝕疲勞強(qiáng)度一般比碳鋼稍高些。焊接接頭的腐蝕疲勞特征與大氣中相同, 它跟加強(qiáng)焊縫有關(guān), 通過(guò)砂輪打磨, 鎢極惰性氣體保護(hù)處理和等離子修正等降低形狀系數(shù)。焊接接頭應(yīng)力消除也改善其疲勞強(qiáng)度。在鋼中添加鉻和鋼結(jié)構(gòu)物實(shí)施陰極保護(hù), 能有效地提高鋼的抗腐蝕疲勞強(qiáng)度。</p><p><b>　　5、耐蝕性</b

12、></p><p>　　海上石油平臺(tái)長(zhǎng)期經(jīng)受海水和海洋大氣的侵蝕作用, 對(duì)鋼結(jié)構(gòu)有很大影響。海水中溶解氧所起的作用特別大。如北海因溫度比墨西哥灣低, 溶解氧多, 腐蝕較厲害。</p><p>　　下表列出了海洋腐蝕環(huán)境和鋼的腐蝕速度的關(guān)系。</p><p>　　因此平臺(tái)設(shè)計(jì)選材時(shí), 要考慮鋼材的腐蝕性能。但平臺(tái)的防腐主要靠采取保護(hù)措施。平臺(tái)不同部位可采用以下

13、保護(hù)措施: </p><p>　　①海洋大氣腐蝕區(qū)即海水面以上, 一般采用涂料加以保護(hù)。</p><p>　?、?平臺(tái)的飛濺區(qū)和潮差區(qū), 采用加厚12.5% 板厚的方法, 給出腐蝕余量。也有用含0.5 - 2.0% C r 的耐海水鋼, 其腐蝕性能比普通鋼高2 - 3倍, 但由于其焊接工藝復(fù)雜和成本較高, 只能在局部地區(qū)使用。飛濺帶也可用包覆Moenl400合金的方法加以保護(hù)。此外, 還有

14、不銹鋼以及橡膠和塑料涂覆層防腐, 噴鍍和電鍍金屬層, 如Z。和AI鍍層等等。</p><p>　?、?對(duì)平臺(tái)的水下部分采用電化學(xué)保護(hù)即棲牲陽(yáng)極和外加電源法。</p><p>　?、?泥漿以下的土壤腐蝕, 一般比較輕微, 可采用涂料保護(hù)。</p><p><b>　　6、斷裂韌性</b></p><p>　　材料抵抗裂紋擴(kuò)

15、展斷裂的韌性性能稱(chēng)為斷裂韌性。海洋工程中,構(gòu)件的斷裂破壞問(wèn)題, 已引起普遍重視,對(duì)特殊構(gòu)件用鋼,明確規(guī)定要進(jìn)行COD（臨界裂紋張開(kāi)位移）試驗(yàn)和落錘試驗(yàn)測(cè)取NDT（無(wú)延性轉(zhuǎn)變）溫度。COD試驗(yàn)被作為測(cè)定基體金屬和焊縫脆性斷裂起始特性的手段。挪威船級(jí)社已把COD值列為測(cè)定焊縫金屬韌性的指標(biāo)。</p><p><b>　　7、各向同性</b></p><p>　　一般結(jié)構(gòu)鋼

16、材, 板厚方向的性能與其長(zhǎng)度、寬度方向的性能差別較大。海上平臺(tái)節(jié)點(diǎn)處結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 應(yīng)力集中。為了防止由于層狀撕裂而導(dǎo)致海上結(jié)構(gòu)物破壞的惡性事故發(fā)生, 各國(guó)規(guī)范中對(duì)重要節(jié)點(diǎn)用鋼都十分強(qiáng)調(diào)用硫含量相當(dāng)?shù)偷目箤訝钏毫唁摷碯 向鋼。</p><p>　　7.1、 Z向鋼斷裂韌性試驗(yàn)</p><p>　　Z向鋼的斷裂韌性試驗(yàn)研究，是根據(jù)制造海上D級(jí)采油平臺(tái)技術(shù)要求進(jìn)行的。按照英國(guó)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)做COD試驗(yàn)

17、，可測(cè)得臨界裂紋張開(kāi)位移；按美國(guó)ASTMA370和英國(guó)BS131標(biāo)準(zhǔn)，做FATT和系列沖擊試驗(yàn)，測(cè)得金屬料的低溫脆性轉(zhuǎn)變溫度（低碳鋼和高強(qiáng)度合金鋼在某些工作溫度下有較高的沖擊韌性，即有較好的塑性，但隨著溫度的降低，其沖擊韌性將有所下降。當(dāng)沖擊韌性顯著下降時(shí)的溫度稱(chēng)為金屬料的FATT）；按美國(guó)ASTME208_S6T及我國(guó)試行的落錘試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，做NDT試驗(yàn)及斷口宏觀觀察[7]。</p><p>　　7.2、Z向鋼金相

18、檢驗(yàn)和斷口分析</p><p>　　Z向鋼中夾雜物主要為板塊狀、條帶狀、類(lèi)球狀和環(huán)狀。試樣1/4處金相組織如圖2所示。</p><p>　　所有試樣金相組織類(lèi)型為鐵素體+珠光體，圖2中灰黑色為珠光體，淺色為鐵素體，珠光體沿軋制方向呈帶狀分布，鐵素體由帶狀和等軸狀晶粒組成。</p><p>　　試樣厚度方向拉伸斷口表面呈白亮色，斷口有塊狀、類(lèi)球狀?yuàn)A雜物，且斷口無(wú)頸縮現(xiàn)

19、象。鋼板中心區(qū)域有偏析帶，在偏析帶周?chē)胸愂象w和馬氏體組織出現(xiàn)，同時(shí)還有裂紋延貝氏體、馬氏體組織擴(kuò)展；通過(guò)和周?chē)M織對(duì)比發(fā)現(xiàn)，偏析多發(fā)生在寬度較大的帶狀組織上，裂紋也是容易在該類(lèi)組織上出現(xiàn)。分析原因是鋼板芯部存在偏析，導(dǎo)致鋼板軋后冷卻過(guò)程中，中心部組織的轉(zhuǎn)變CCT 曲線右移，進(jìn)入貝氏體或馬氏體區(qū)，部分形成貝氏體或馬氏體，鋼中存在偏析帶或夾雜物在冷卻過(guò)程中比基體收縮大，使夾雜物周?chē)a(chǎn)生裂紋和空隙。</p><p>

20、　　改進(jìn)措施有提高連鑄坯的質(zhì)量，控制鋼中非金屬夾雜物，提高鋼水純凈度，優(yōu)化加熱和控軋控冷工藝等[8]。 </p><p>　　二、造船及海洋工程用鋼開(kāi)發(fā)</p><p>　　鋼材是造船及海洋工程結(jié)構(gòu)建造的主要原材料，占據(jù)了船體及海洋工程建造成本的２０％ ～３０％。涉及的鋼材品種主要包括鋼板、型鋼（船用球扁鋼、Ｈ 型鋼、角鋼等）、鑄鍛鋼以及配套焊接材料等。其中船體建造耗用鋼材量約占全船質(zhì)量的

21、６０％左右，其中板材又占８８％左右。</p><p>　　1、大線能量焊接船板鋼</p><p>　　氧化物冶金即利用煉鋼過(guò)程中生成的尺寸細(xì)小、彌散分布、成分可控的氧化物夾雜作為硫化物、氮化物等異相析出核點(diǎn)，以改變鋼的組織和晶粒度，使鋼材具有優(yōu)異的韌性、較高的強(qiáng)度，尤其是優(yōu)良的焊接性能。</p><p>　　采用“氧化物冶金”的技術(shù)思路開(kāi)展了大線能量焊接用鋼的研究開(kāi)

22、發(fā)工作。比較各種脫氧處理?xiàng)l件下焊接熱影響區(qū)的低溫韌性可得，普通未進(jìn)行任何處理的Ｃ－Ｍｎ鋼焊后熱影響區(qū)的整體低溫韌性水平較低，其中線能量Ｅ 大于５０ｋＪ／ｃｍ 時(shí)，低溫韌性顯著降低，僅為１０Ｊ左右。而經(jīng)過(guò)不同合金脫氧處理后模擬焊接粗晶區(qū)的低溫韌性顯著提高。 </p><p>　　2、油船貨油艙用耐腐蝕鋼</p><p>　　在內(nèi)底板腐蝕環(huán)境下，微量合金元素對(duì)船板鋼的耐蝕性存在顯著影響。添加0

23、.1%以上的B和C耐蝕合金元素可以使腐蝕速率顯著降低到原來(lái)的1/4~1/3。觀察腐蝕后的形貌可以看出，在ＩＭＯ 貨油艙內(nèi)底板腐蝕環(huán)境下，傳統(tǒng)鋼表面主要形成大量直徑大而深的腐蝕點(diǎn)蝕坑，而開(kāi)發(fā)的耐蝕鋼表面只出現(xiàn)少量小而淺的點(diǎn)蝕坑，點(diǎn)蝕坑的深度／直徑比顯著降低[10]。</p><p>　　3、大規(guī)格船用球扁鋼</p><p>　　利用新型的釩氮微合金化設(shè)計(jì)＋碳氮化釩控制析出軋制工藝（ＰＣＲＰ）

24、，可開(kāi)發(fā)出高韌性、大規(guī)格船用球扁鋼品種技術(shù)。依靠奧氏體中析出的碳氮化釩促進(jìn)晶內(nèi)鐵素體形核，顯著地細(xì)化了最終的鐵素體晶粒尺寸，獲得顯著的細(xì)晶強(qiáng)化效果。同時(shí)，依靠鐵素體中彌散析出的碳氮化釩的析出強(qiáng)化作用，顯著提高鋼的強(qiáng)度。</p><p>　　4、海洋平臺(tái)特厚齒條鋼</p><p>　　隨著海洋石油工業(yè)的深入開(kāi)展和鉆采難度的加大，對(duì)自升式鉆井平臺(tái)用齒條鋼提出了大厚度、高強(qiáng)度、高韌性的發(fā)展要求，

25、這類(lèi)產(chǎn)品一般使用調(diào)質(zhì)熱處理狀態(tài)交貨。但是，隨著齒條鋼厚度的增加，截面厚度方向上組織、性能差異增大，提高特厚齒條鋼的淬透性成為這類(lèi)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)。</p><p>　　鋼在淬火時(shí)獲取淬硬層深度的能力稱(chēng)為鋼的淬透性。采用微Ｂ＋固Ｎ 元素的復(fù)合處理可以在獲得良好強(qiáng)韌性的條件下大幅度提高齒條鋼的淬透性。同時(shí)，采用微Ｔｉ處理或稍過(guò)量的Ａｌ處理，均可使微量Ｂ的固溶比例達(dá)到５０％以上，且偏聚于奧氏體晶界處，有效地延緩了高溫相變

26、，顯著提高齒條鋼的淬透性。</p><p>　　采取上述合金優(yōu)化思路，工業(yè)生產(chǎn)獲得了截面均勻的淬透組織和良好力學(xué)性能的特厚齒條鋼。對(duì)于１５２ｍｍ 厚的齒條鋼，即使在鋼板的心部，淬火冷卻速率僅為１℃／ｓ左右，通過(guò)上述合金設(shè)計(jì)和工藝配合，也可獲得以馬氏體＋下貝氏體為主的顯微組織，基于該思路開(kāi)發(fā)的齒條鋼和國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)相比，具有較高的強(qiáng)韌性水平。</p><p><b>　　5、9Ni

27、低溫鋼</b></p><p>　　隨著ＬＮＧ工業(yè)的迅猛發(fā)展，９Ｎｉ低溫鋼的研究和開(kāi)發(fā)熱度持續(xù)升溫。ＬＮＧ 的儲(chǔ)存溫度為－１６３℃，要求ＬＮＧ儲(chǔ)罐內(nèi)壁用９Ｎｉ鋼，具有較高的強(qiáng)度、良好的低溫韌性和較小的波動(dòng)。研究發(fā)現(xiàn)，采用ＱＬＴ熱處理（在ＱＴ調(diào)質(zhì)處理中增加一道兩相區(qū)淬火），可在強(qiáng)度略微降低的情況下，顯著提高９Ｎｉ鋼的低溫韌性，同時(shí)大大擴(kuò)展９Ｎｉ鋼的熱處理工藝窗口，提高９Ｎｉ鋼的性能穩(wěn)定性。</p&

28、gt;<p>　?。梗危殇摰牧己玫蜏仨g性與其中形成的一定含量的逆轉(zhuǎn)變奧氏體有密切關(guān)系。在９Ｎｉ鋼中形成５％～１５％左右的、熱穩(wěn)定性高的逆轉(zhuǎn)變奧氏體，可韌化馬氏體基體，在受載變形過(guò)程中吸收能量，提高相變誘導(dǎo)塑性能力。在一定范圍內(nèi)，９Ｎｉ鋼的逆轉(zhuǎn)變奧氏體含量越高，低溫韌性越好[9]。</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　高技術(shù)船舶及

29、海洋工程的國(guó)產(chǎn)化是建立在高端材料和技術(shù)大量依賴(lài)進(jìn)口的背景之上的。要實(shí)現(xiàn)中國(guó)成為世界造船強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略目標(biāo)，還有大量關(guān)鍵技術(shù)需要突破，其中的核心問(wèn)題之一就是高品質(zhì)造船及海洋工程用鋼的研發(fā)和推廣應(yīng)用。</p><p>　　2006年以后，為了防止和減少油輪發(fā)生海損事故造成的污染，國(guó)際海事組織已經(jīng)要求大型油輪必須設(shè)置雙層底或雙層船殼?，F(xiàn)在新造的大型油輪均是雙殼結(jié)構(gòu)，大大增加了船用鋼材的用量[11]。</p>

30、<p>　　目前我國(guó)在海洋平臺(tái)用高強(qiáng)鋼的研發(fā)和應(yīng)用方面已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但和歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)相比，海洋平臺(tái)用高強(qiáng)鋼存在強(qiáng)度和厚度不高、規(guī)格不全、標(biāo)準(zhǔn)不完善、焊接性能較差等方面的不足，尤其是耐腐蝕及腐蝕開(kāi)裂問(wèn)題研究不夠深入，限制了我國(guó)海洋資源開(kāi)發(fā)的能力。因此，研發(fā)和完善高強(qiáng)度、厚規(guī)格、可焊接性，尤其是耐腐蝕及耐腐蝕開(kāi)裂性能好的海洋平臺(tái)用高強(qiáng)鋼是我國(guó)今后的重點(diǎn)研究方向之一[12]。</p><p>&

31、lt;b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]韋明，李玉謙，王升 海洋平臺(tái)用鋼</p><p>　　[2]戴永壽 船用鋼和海洋工程結(jié)構(gòu)鋼的發(fā)展和應(yīng)用</p><p>　　[3]胡伯航，汪榮生，殷柏林，吳始棟 海洋石油平臺(tái)用鋼</p><p>　　[4]汪廣海，陳伯真 中國(guó)海洋平臺(tái)用鋼的發(fā)展</p>

32、<p>　　[5]劉嘉禾，王祖濱 低合金高強(qiáng)度鋼生產(chǎn)工藝技術(shù)的發(fā)展</p><p>　　[6]翁宇慶，楊才福，尚成嘉 低合金鋼在中國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)</p><p>　　[7]杜廣勤，孫長(zhǎng)利，陳洪凱 Z向鋼斷裂韌性研究</p><p>　　[8]谷盟森，羅君高，王建國(guó) Z向鋼斷裂原因分析</p><p>　　[9]楊才福，蘇航 高性