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)用鋼的特點和性能要求，耐海水用鋼，耐腐蝕鋼，海洋石油平臺用鋼的工作條件與性能要求，低合金高強度鋼的生產(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，如我國的渤海灣（冬季），還應能抗-30℃--20℃的低溫脆性。此外，還應具有良好的焊接性能和機械加工性能［1］。<

3、;/p><p><b>　　1、強度</b></p><p>　　海洋結(jié)構(gòu)用鋼，需要承受波浪和強風所造成的水平載荷，抗拉強度以采用50-60公斤/毫米2為適宜。而接頭部位，由于應力集中以及三向應力，所以要求海洋結(jié)構(gòu)用鋼既要有足夠的強度，又要求具有良好的塑性變形性能。此外，強度越高的鋼材就越容易引起應力腐蝕。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)高強的材料[

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

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

6、了可以作為細化晶粒元素使用外，還有析出強化作用[5][6]。</p><p>　　低合金高強度鋼生產(chǎn)的現(xiàn)代工藝流程為：高爐- 鐵水脫硫- 轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖秃洗禑捇虺吖β孰娀t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)處于嚴酷的環(huán)境之中，局部聯(lián)結(jié)處會受到波力和風力的沖擊

7、，造成應力集中。尤其是在嚴寒區(qū)域低溫下工作時，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。當前平臺建造規(guī)范中廣泛使用V型缺口夏比沖擊試驗，用其沖擊功來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，接頭形狀復雜，剛性大，不少焊接接頭位于

8、應力集中部位，又多在現(xiàn)場焊接，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必須十分嚴格。</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。金屬在焊接時產(chǎn)生裂紋的敏感程度稱為裂紋敏感性。熱影響區(qū)裂紋受焊接時保護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成分和焊接預熱溫度、線能量等。通常用碳當量來評價化學成分對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力腐蝕開裂和陰極保護引起的氫脆等，曾對HAZ的硬度加以限制。</p><p>　　再者，焊縫金屬與母材的材質(zhì)和電化學性能應盡可能相同或相似，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>　　海上石油平臺由于長期處在海水和海洋大氣的腐蝕環(huán)境中，經(jīng)受波浪，潮流引起的交變應力，使構(gòu)件焊接頭處由于點蝕而產(chǎn)生疲勞破壞。經(jīng)常在深?；顒拥臐撍t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, 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。因此, 所使用的鋼材必需在設計、材料選擇、施工管理上使之能承受低頻疲勞。</p><p>　　實驗證明

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

12、></p><p>　　海上石油平臺長期經(jīng)受海水和海洋大氣的侵蝕作用, 對鋼結(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系。</p><p>　　因此平臺設計選材時, 要考慮鋼材的腐蝕性能。但平臺的防腐主要靠采取保護措施。平臺不同部位可采用以下

13、保護措施: </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。</p><p>　?、?平臺的飛濺區(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。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>　　③ 對平臺的水下部分采用電化學保護即棲牲陽極和外加電源法。</p><p>　?、?泥漿以下的土壤腐蝕, 一般比較輕微, 可采用涂料保護。</p><p><b>　　6、斷裂韌性</b></p><p>　　材料抵抗裂紋擴

15、展斷裂的韌性性能稱為斷裂韌性。海洋工程中,構(gòu)件的斷裂破壞問題, 已引起普遍重視,對特殊構(gòu)件用鋼,明確規(guī)定要進行COD（臨界裂紋張開位移）試驗和落錘試驗測取NDT（無延性轉(zhuǎn)變）溫度。COD試驗被作為測定基體金屬和焊縫脆性斷裂起始特性的手段。挪威船級社已把COD值列為測定焊縫金屬韌性的指標。</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度、寬度方向的性能差別較大。海上平臺節(jié)點處結(jié)構(gòu)復雜, 應力集中。為了防止由于層狀撕裂而導致海上結(jié)構(gòu)物破壞的惡性事故發(fā)生, 各國規(guī)范中對重要節(jié)點用鋼都十分強調(diào)用硫含量相當?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</p><p>　　Z向鋼的斷裂韌性試驗研究，是根據(jù)制造海上D級采油平臺技術要求進行的。按照英國和國際標準做COD試驗

17、，可測得臨界裂紋張開位移；按美國ASTMA370和英國BS131標準，做FATT和系列沖擊試驗，測得金屬料的低溫脆性轉(zhuǎn)變溫度（低碳鋼和高強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。當沖擊韌性顯著下降時的溫度稱為金屬料的FATT）；按美國ASTME208_S6T及我國試行的落錘試驗標準，做NDT試驗及斷口宏觀觀察[7]。</p><p>　　7.2、Z向鋼金相

18、檢驗和斷口分析</p><p>　　Z向鋼中夾雜物主要為板塊狀、條帶狀、類球狀和環(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、類球狀夾雜物，且斷口無頸縮現(xiàn)

19、象。鋼板中心區(qū)域有偏析帶，在偏析帶周圍有貝氏體和馬氏體組織出現(xiàn)，同時還有裂紋延貝氏體、馬氏體組織擴展；通過和周圍組織對比發(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組織上出現(xiàn)。分析原因是鋼板芯部存在偏析，導致鋼板軋后冷卻過程中，中心部組織的轉(zhuǎn)變CCT 曲線右移，進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程中比基體收縮大，使夾雜物周圍產(chǎn)生裂紋和空隙。</p><p>

20、　　改進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程中生成的尺寸細小、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，以改變鋼的組織和晶粒度，使鋼材具有優(yōu)異的韌性、較高的強度，尤其是優(yōu)良的焊接性能。</p><p>　　采用“氧化物冶金”的技術思路開展了大線能量焊接用鋼的研究開

22、發(fā)工作。比較各種脫氧處理條件下焊接熱影響區(qū)的低溫韌性可得，普通未進行任何處理的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，低溫韌性顯著降低，僅為１０Ｊ左右。而經(jīng)過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蝕坑，而開發(fā)的耐蝕鋼表面只出現(xiàn)少量小而淺的點蝕坑，點蝕坑的深度／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計＋碳氮化釩控制析出軋制工藝（ＰＣＲＰ）

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

25、這類產(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產(chǎn)品開發(fā)的難點。</p><p>　　鋼在淬火時獲取淬硬層深度的能力稱為鋼的淬透性。采用微Ｂ＋固Ｎ 元素的復合處理可以在獲得良好強韌性的條件下大幅度提高齒條鋼的淬透性。同時，采用微Ｔｉ處理或稍過量的Ａｌ處理，均可使微量Ｂ的固溶比例達到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性能的特厚齒條鋼。對于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，通過上述合金設計和工藝配合，也可獲得以馬氏體＋下貝氏體為主的顯微組織，基于該思路開發(fā)的齒條鋼和國內(nèi)外先進技術相比，具有較高的強韌性水平。</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低溫鋼的研究和開發(fā)熱度持續(xù)升溫。ＬＮＧ 的儲存溫度為－１６３℃，要求ＬＮＧ儲罐內(nèi)壁用９Ｎｉ鋼，具有較高的強度、良好的低溫韌性和較小的波動。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），可在強度略微降低的情況下，顯著提高９Ｎｉ鋼的低溫韌性，同時大大擴展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，在受載變形過程中吸收能量，提高相變誘導塑性能力。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>　　高技術船舶及

29、海洋工程的國產(chǎn)化是建立在高端材料和技術大量依賴進口的背景之上的。要實現(xiàn)中國成為世界造船強國的戰(zhàn)略目標，還有大量關鍵技術需要突破，其中的核心問題之一就是高品質(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，國際海事組織已經(jīng)要求大型油輪必須設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>　　目前我國在海洋平臺用高強鋼的研發(fā)和應用方面已取得了長足的進步，但和歐美等發(fā)達國家和地區(qū)相比，海洋平臺用高強鋼存在強度和厚度不高、規(guī)格不全、標準不完善、焊接性能較差等方面的不足，尤其是耐腐蝕及腐蝕開裂問題研究不夠深入，限制了我國海洋資源開發(fā)的能力。因此，研發(fā)和完善高強度、厚規(guī)格、可焊接性，尤其是耐腐蝕及耐腐蝕開裂性能好的海洋平臺用高強鋼是我國今后的重點研究方向之一[12]。</p><p>&

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

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