国内外海洋工程用高强钢研究进展

张 翔 徐秀清 马 飞



·综 述·

国内外海洋工程用高强钢研究进展

张 翔1徐秀清1马 飞2

(1.中国石油集团石油管工程技术研究院 陕西 西安 710077；2.中国石油天然气股份有限公司塔里木油田分公司 新疆 库尔勒 841000)

文章通过对国内外海洋工程领域用钢铁种类、性能的介绍，分析了国内外海洋油气开发用高强钢的现状及发展趋势，认为油气开发用高强钢将向高强度、大厚度、耐蚀性方向发展，为海洋油气开发用材提供参考。

高强钢；耐蚀性；海洋油气开发

0 引 言

2012年3月，国家公布的《海洋工程装备制造业中长期发展规划》中提出，2015年，海工装备年销售收入达到2000亿元以上，其中海洋油气开发装备国际市场份额达到20%，2020年，这一数据将达到35%[1]。因此，对我国海洋工程装备制造业及材料提出了更高的要求。

钢铁作为海洋工程装备的关键结构材料，广泛应用于钻井平台、生产平台以及海底管道等。由于服役时间长，要长期抵抗恶劣的风浪条件，水下修理维护的成本极高，其采用的钢板逐渐向高强度、高韧性、易焊接性、良好的耐腐蚀性以及大厚度、大规格化方向发展[2～4]。

1 国外研究现状

目前海洋平台用钢遵循的四大国际标准，即En10225和BS7191(欧洲标准)，API(美国标准)， Norsok(北海标准)，对海洋平台用钢的力学性能及设计制造等都有明确的规定，但对耐腐蚀性能的规范较为欠缺。

世界海洋平台用高强度钢的主要级别为屈服强度355 MPa、420 MPa、460 MPa、500 MPa、550 MPa、620 MPa、690 MPa，并对低温性能要求至少-40 ℃，甚至-60 ℃，抗层状撕裂性能达Z向35%，耐腐蚀性能良好，主要交货方式为TMCP、正火以及调质。

日本对海洋平台用钢的研究较早，已开发出耐海水腐蚀、大线能量焊接及低温用等系列的高强钢板，强度级别已达980 MPa。JFE开发出了厚度为140 mm、屈服强度为700 MPa、抗拉强度为800 MPa的含镍平台用钢；同时该公司形成了自己的企业标准系列，海洋平台的钢板抗拉强度为360 MPa～980 MPa，品种主要有JFE-HITEN系列高强钢板等。利用微合金化元素的析出，新日铁开发了HTUFF技术，其用于海洋平台的钢板主要有 WEL-TEN 系列高强钢板、NAW-K 及 COR-TEN系列无涂层焊接结构用耐蚀钢板、MARILOY系列焊接结构用耐海水腐蚀钢板及NAW-TEN系列含Ni耐候钢板等品种。此外，新日铁公司还按 API2W，EN10225，NORSOK及BS7191标准生产屈服强度在315 MPa ～550 MPa之间的A，D，E，F级别的钢板，最高强度达到950 MPa[5、6]。

欧洲作为海洋资源开发较早的区域，其海洋平台用钢的研发、应用、品种系列化及标准化处于领先地位，已可生产A，B，D，E 级的屈服强度在235 MPa ～690 MPa之间的各种钢板。目前欧洲用于海洋平台建设的钢种应用最广泛的为S355，S420，S460及S690[7]，耐腐蚀性能良好。挪威埃科菲斯克Ⅱ号海洋钻井平台是欧洲第1座使用改进韧性S690Q钢板的海洋平台。

俄罗斯Arkticheskaya自升式钻井平台用于北极地区的油气钻探，最大钻探深度6 500 m。当前S690级高强钢在海洋平台中的应用越来越多，但仍需解决高强钢板焊接处易开裂及耐蚀性差等问题。现今在海洋平台建设中也应用了更高强度级别的钢板，其高强钢板主要通过调质工艺生产，钢板屈服强度可达1 100 MPa，但由于焊接困难和耐腐蚀开裂问题，超高强钢在海洋建设中应用较少。

2 国内研究现状

我国开发海洋石油起步比较晚，到20世纪80年代才建成自己的海洋石油平台。目前我国海洋平台主要使用屈服强度为355 MPa～460 MPa的D，E及F级钢板，基本实现国产化。我国首次自主设计建造的3 000 m深水半潜式钻井平台“海洋石油981”(图1)所用钢的强度已达到690 MPa；北海油区海洋自升式平台固定结构已使用500 MPa以上，甚至750 MPa高强度钢，但我国海洋平台用钢强度不高、规格不全、耐腐蚀性能较差、配套工艺不完善等问题，仍限制了我国自主开发海洋资源的能力。

图1 3 000 m深水半潜式钻井平台“海洋石油981”

按照ASTM(美国)、EN(欧洲)、各船级社以及API(美国石油协会)的规范或标准来划分，宝钢拥有四大系列海洋平台用厚板产品。宝钢集团浦钢公司采用正火工艺开发了DH36-Z35、EH36-Z35等海洋石油平台钢板，各项性能指标均达到相关标准规范要求。采用调质工艺试制了屈服强度690 MPa高强度海洋平台用齿条钢，同时自主研发的自升式海洋平台桩腿用最大厚度为178 mm的厚板。

舞钢成功开发了A、B、D、E、AH32-EH32、AH36-EH36级海洋平台用钢和EH40、FH40、E500、E550、E520、E690、A514GrQ和A517GrQ等高强度钢板。其生产的D36-Z35海工钢，被用于我国第一个世界级深水项目——位于南海东部1 500 m深海区域的“荔湾3-1”气田中。生产的A514GrQ齿条钢最大厚度达215 mm，比国外最大厚度还超出5 mm，解决了自升式平台升降机构齿条钢、半圆板国产化的急需。

鞍钢的钢板级别涵盖了普通强度A、B、D、E级和高强度AH32～EH32、AH36～EH36、AH40～EH40级的大线能量焊接用船体及海洋采油平台用钢系列，产品最大厚度为100 mm，焊接线能量为100 kJ/cm。其强度、低温韧性、规格等指标均达到国际先进水平，大大超过一般钢厂能达到的厚度40 mm、焊接线能量50 kJ/cm的水平。

国产海洋平台钢板已被广泛采用，EH40以下的海洋平台用高强度结构钢材基本实现国产化，但关键部位所用高强度、大厚度材料仍依赖进口。因此高强度、厚规格及耐腐蚀性能好的海洋平台用高强钢的研发和应用是我国今后的主要研究方向之一。

3 我国与国际先进水平的差距

我国海洋平台主要使用的屈服强度为355 MPa～460 MPa的D，E及F级钢板，基本实现国产化。鞍钢、南钢生产的中厚板屈服强度达550 MPa，武钢、宝钢和沙钢都已具备生产屈服强度为690 MPa海洋平台用钢的能力，但厚度超过120 mm以上时，产品质量及性能的稳定性、满足更大规格产品的技术需求、耐腐蚀开裂、配套焊接等方面都存在问题。建造海洋工程的关键部位所用的高强度、厚规格、耐海洋腐蚀开裂等性能的钢板多数仍需进口，特别是具有良好综合力学性能且厚度在120 mm以上、屈服强度在690 MPa以上的高韧性、耐腐蚀、易焊接的海洋平台用钢基本依赖进口。表1对比了我国海工用钢先进水平与国外先进水平之间的差距。

表1 国内外主要海工用钢性能指标对比[8]

4 结束语

目前，我国海洋工程关键部分用钢依然需要进口，面对海洋开发的巨大市场前景，钢铁企业应按照国际海工用钢的标准，从以下几个方面借鉴：(1)开发系列钢板品种,实现钢板全系列供货。实现高强钢国产化、全覆盖。(2)进一步优化焊接工艺、性能。焊接部分往往是失效发生的重点部位，焊接工艺与性能的优劣对工程质量影响巨大。(3)逐渐形成我国的海工用钢标准体系，规范海工钢铁产品质量，为海洋油气开发做好用材保障。

[1] 高 升，刘 琦．海洋工程装备发展及用钢前景分析[J]．冶金管理，2012，25(8)：29-31．

[2] 杨才福，苏航．高性能船舶及海洋工程用钢的开发[J]．钢铁，2012,47(12)：1-8．

[3] 郝文魁，刘智勇，王显宗，等．海洋平台用高强钢强度及其耐蚀性现状及发展趋势[J]．装备环境工程，2014,11(2)：50-56．

[4] K.Sampath．An understanding of HSLA-65 plate steels [J]．Journal of Materials Engineering and Performance，2006，15(1)：32-40．

[5] 黄 维，张志勤，高真凤，等．日本海洋平台用厚板开发现状[J]．轧钢，2012，29(3)：38-42．

[6] C Miki, K Homma, T Tominaga．High strength and high performance steels and their use in bridge structures [J]．Journal of Constructional Steel Research，2002，58(1): 3-20．

[7] 邹德辉，郭爱民．武钢含铌铁路桥梁用钢的应用技术[N]. 世界金属导报，2009-5-26(第16版).

[8] 杨忠民．我国海洋工程用钢发展现状[J]．新材料产业，2013，15(11)：17-19．

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

张 翔，女，1985年生，工程师，硕士研究生，2011年毕业于西安理工大学材料学专业，目前在石油管工程技术研究院从事金属材料性能测试与分析。E-mail：zhangxiang003@cnpc.com.cn

TE5

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2096-0077(2015)01-0009-03

2014-12-08 编辑：姜婷)