海洋平台用钢的研发生产现状与发展趋势

刘振宇，唐帅，陈俊，叶其斌，王国栋

（东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，辽宁 沈阳 110004）

目前，全球陆地石油及天然气资源已远远满足不了社会发展的需求，而海洋周围储存着丰富的未开发的石油与天然气资源，因此海洋资源开发显得日益重要。但是，除了少数海域以外，世界大部分地区的近海油气资源已日趋减少，而目前已探明的世界海洋石油、天然气储量的80%以上在水深500 m以下的深海区域，且全部海洋面积的90%以上水深在200～6 000 m之间，其中北极地区拥有约900亿桶原油储量和超过47万亿m3的天然气储量，分别占全球未探明石油储量的13%和未开采天然气储量的30%，但大部分位于500 m 以下深水区［1］。

海洋平台是海洋资源开发工程中的标志性设施，是超大的焊接钢结构，海洋平台用钢作为工程结构用钢在保证海洋设施安全方面起着最为重要的作用。海洋平台应用在波浪、海潮、风暴及极寒流冰等严峻的海洋工作环境中，支撑总重量超过数百吨的钻井设备。这些使用特征决定了海洋平台用钢必须具有高强度、高韧性、抗疲劳、抗层状撕裂、良好的可焊性和冷加工性、以及耐海水腐蚀等性能指标，这对于保证操作人员生命安全，提高海洋平台用钢使用寿命以及开发海洋资源具有重要意义。同时，为了提高海洋平台用钢的安全性及可移动性，高强、高韧钢的使用比例逐年增加。例如，自升式钻井平台中高强钢占55%～60%，半潜式钻井平台中高强钢占90.0%～97.5%，其中平台用的桩腿、悬臂梁及升级齿条机构等需要460～690 MPa级别及690 MPa以上级别的高强度或特大厚度（最大厚度达到259 mm）等专用钢［2］。本文对国内外海洋平台用钢发展现状及趋势加以概述。

1 国外海洋平台用钢发展现状

目前，国际上海洋平台用钢板生产所遵循的通用标准主要为 BS7191、EN10225、NORSOK 及API标准。日本主要钢铁公司如JFE、新日铁住金等在海洋平台用钢品种的系列化、焊接热影响区韧化及应用标准制定等方面一直处于世界领先水平，海洋平台用钢板抗拉强度覆盖360～980 MPa范围，高强钢板、大线能量焊接钢板、适应高纬度极寒环境及耐海水腐蚀钢板等系列品种可实现全系列供货［3］。

图1为典型的自升式钻井平台、半潜式钻井平台及浮式储油卸油装置。表1为日本各大钢铁企业生产的690 MPa级别海洋平台用钢的品种与特点。

表1 日本钢铁企业生产的690MPa级高强高韧海洋平台用钢品种及特点

表1显示，JFE、新日铁住金生产的海洋平台用高强钢板具有良好的焊接性，并可实现大线能量焊接，同时兼有优良的低温韧性，可满足环境恶劣的深海及极地海洋平台对于加强结构件、减重部件及焊接结构用钢板的需求［4-6］。另外，迪林根、瑞典SSAB 等公司开发的 S690、E690、0X812、SE702 或DSE690V等高强度海洋平台用钢的屈服强度达到690 MPa以上，低温冲击功分别为100 J（-80℃），120 J（-40 ℃）和 74 J（-60 ℃），钢板厚度达到30～100 mm，很好满足了固定平台结构的各项要求。从产品的成分设计来看，690 MPa级海洋平台用钢均需采用Cr、Mo、Ni合金化，为了保证钢板的低温韧性，甚至需要添加近4%的Ni元素，因此生产成本较高。

当前国外海洋工程用钢生产主要具有以下特点：

（1）品种的多功能化：海洋平台用钢板都可成系列供货，如高强钢板、大线能量焊接钢板、低温及耐海水腐蚀钢板等系列品种，实现了全系列供货。

（2）焊接热影响区韧化技术：国外钢铁企业都开发了自己独有的焊接热影响区韧化技术，如JFE公司的JFE-EWEL技术和新日铁公司的HTUFF技术等。

（3）形成企业独有的标准：国外钢铁企业除能按通用的标准生产海洋平台用钢板外，还形成了性能要求更加严格、应用环境更加特殊的企业标准。

（4）实施专利保护战略：国外钢铁企业积极进行海洋平台用钢的国际专利布局，特别重视在中国申请专利，意图对我国钢铁企业形成技术壁垒，达到降低我国海洋平台用钢竞争力的目的。

海洋平台结构是超大型焊接结构，对钢的焊接性能有更严格的要求，因此相关标准规定高强及超高强海工钢的Mn含量上限一般为1.60%［7］。目前，690 MPa级等超高强海洋平台结构用钢一般采用低C、低 Mn成分基础上添加大量 Ni、Cr、Mo、Cu的成分设计思路，通过“淬火+回火”工艺形成以回火马氏体为主的强韧化显微组织。这类传统调质钢不仅合金原料成本高，而且因存在具有脆性裂纹源的渗碳体而难以保证低温冲击韧性，延性较差且屈强比普遍高于90%，限制了超高强钢在海洋平台结构领域的推广应用。由于深海区和极地海洋平台要经受更加强烈的海浪、飓风或低温冰层的冲击，除要求关键结构用钢具有高强韧性能外，还必须具有较低的屈强比以满足安全设计要求。传统的超高强低合金钢满足不了未来深海和极地海洋平台发展对关键材料的安全性要求，因此必须创新钢铁材料新产品设计和开发思路。

Mn和C是钢中最主要的强奥氏体稳定化元素，显著降低奥氏体转变温度，起到细化奥氏体晶粒效果，也能有效增加钢的淬透性，但含量过高则不利于钢的焊接性能，并且Mn含量高于2%时增加了热轧和冷却过程开裂的危险。近年来，“Mn/C”合金化的TWIP钢和TRIP钢在解决汽车车身轻量化和提高安全性方面已经取得令人瞩目的进展，人们对Mn在钢中的作用机理有了新的更深理解［8-9］。Mn对钢的显微组织和相变行为影响与Ni有着相似的作用，而成本只有Ni的1/5～1/10。早期在以Mn代Ni提高钢的低温韧性研究中，发现Mn含量18%～25%的奥氏体钢具有非常优异的低温韧性，但强度相对较低［8-10］。后来，Niikura 和Morris等人研究表明，5Mn钢经过热处理细化晶粒和提高奥氏体稳定性获得了-196℃下的优异冲击韧性［11］。新型 Fe-(15-30)%Mn-Al-Si-C高锰TWIP钢通过添加适量的Al或Si来控制层错能以在冷成型时形成变形孪晶而提高塑性（即TWIP效应），其拉伸伸长率可达60%～95%，而强度可达600～1 100 MPa［12］。添加 5%～10%Mn 的相变诱导塑性即TRIP钢近年来也得到越来越多的关注［14-18］。20世纪70年代，Miller进行了Fe-0.1C-5Mn合金体系的低碳中锰TRIP钢研究，通过两相区退火使稳定的残余奥氏体含量达到20%～30%，获得了良好的力学性能［13］。

通过“Mn/C”合金化和热处理工艺优化，可增加钢中稳定奥氏体的含量，使钢在室温下显微组织保持为 “奥氏体+贝氏体/马氏体”，在后续加工过程中残余奥氏体发生TRIP甚至TWIP效应，在保证强度的同时，极大地提高了应变硬化能力、抗拉强度和低温韧性，也保证了较低的屈强比，这正是常规低合金钢中厚板产品所不具备的，也是最吸引人的性能优势。国外已经加快了“Mn/C”合金化钢中厚板产品的研发，有的已经走出实验室达到工业化水平。如最近韩国浦项制铁公司在厚板热轧生产线成功试制了30 mm高锰TWIP钢板，浦项公司厚板线生产的30 mm厚高锰钢以及与9Ni和低碳钢的腐蚀速率比较见图2。图2（a）为30 mm厚高锰TWIP钢板，目标是代替昂贵的9Ni钢应用于LNG低温储罐建造。经过全面评估高锰钢厚板母材和焊接部位的常、低温拉伸、冲击韧性、裂纹尖端张开位移、疲劳、腐蚀以及焊接性能，表明与现有9Ni钢相比，高锰钢在性能和成本上具有更好的综合优势［14］。图2（b）显示了 3种钢在温度25℃下3.5%NaCl溶液中浸泡14天的腐蚀结果，表明高锰钢具有与9Ni钢和低碳钢相当的耐海水腐蚀性能［15］。图3 所示为“Mn/C”合金化钢的主要应用及显微组织状态。“Mn/C”合金化钢中厚板产品未来在海洋平台用、管线、工程机械用、船舶、LNG等多个领域有着广泛的应用前景。预期“Mn/C”合金化钢因其独有的性能优势可以更好满足深海和极地海洋平台的安全性要求，是海洋平台用钢的重要发展方向。

2 我国海洋平台用钢的发展现状及基础

近年来，我国在海工装备用钢的生产方面取得了很大的进步，国产海工装备用钢被广泛采用。在国内，海洋工程用钢领域中处于领跑地位的钢铁企业主要为宝钢、鞍钢、新余、舞钢、南钢、湘钢和济钢等，其产品在厚度和强度方面已达到基本标准的要求，EH36以下平台用钢完全实现国产化，但关键部位所用的大厚度、高强度、抗层状撕裂的Z向钢等高附加值钢板仍主要依赖进口。表2是关键海工用钢国内外性能指标对比，从表中可以看出，从产品规格、力学性能指标及焊接性能指标上，国内关键海工用钢产品与国外同类产品差距较大，其中我国钢铁企业在690 MPa级海洋平台用钢开发主要集中在自升式平台齿条钢方面，如鞍钢采用锻造坯试制了152 mm厚齿条钢，舞钢最厚177.8 mm 690 MPa级齿条钢A517GrQ通过了ABS船级社认证并有少量供货，宝钢152.4 mm 690 MPa级齿条钢A517Q也实现了少量供货，沙钢也开展了齿条钢特厚板的试制工作。但总体而言，产品性能稳定性差、产品厚度规格较薄，尚不能满足深海及极寒海域用海洋平台对高强韧钢的性能要求，且其成分设计路线以跟踪国外Ni、Cr及Mo合金化为主，生产成本较高。

表2 关键海工用钢品种性能指标对比

我国在高端海洋工程用钢的研发方面差距很大。通过前期国家863和支撑计划等资助，已成功开发出F500-550级宽厚板并成功应用于我国具有自主知识产权的CP-300-1自升式海洋平台的建设。但是，其强度、强屈比、韧性及产品规格等指标尚落后于国际先进水平，深海及极地用海洋平台关键部位所用高强度、大厚度钢材仍主要依赖进口，特别是屈服强度690 MPa级高强度、高韧性、耐腐蚀、易焊接的海洋工程用钢完全从国外进口。因此，海工装备高端用钢国产化程度亟待提高，关键制备工艺技术亟待取得突破，否则将严重制约我国海洋平台设施的建设，进而影响我国海洋资源的开发和利用。

3 海洋平台用钢的发展趋势

随着我国不断加大海洋开发力度，对高性能海洋平台用钢的需求量将不断增加，海洋平台用钢也将成为未来几年国内钢铁企业重点研发和生产的产品。综合分析我国海洋工业的市场需求及现有海洋平台用钢与国外产品的差距，可以看到，目前海洋平台用桩腿、悬臂梁及半圆板等结构件急需升级换代，特厚规格齿条用钢、极地低温用钢等均需开展细致的研究工作，具体发展趋势体现在以下几方面。

3.1 加快开发高强度、高韧性的海洋平台用钢

从海洋平台结构设计角度出发，采用高强度和超高强度钢可以有效减轻平台结构自重，增加平台可变载荷和自持能力，提高总排水量与平台钢结构自重比。国内的海洋平台用钢多集中在E550级别以下，而国外的同类产品多集中在E690级别以上，且使用量远远超过国内水平。另外，随着深海及极地海洋平台建设的快速发展，海洋工程用钢的低温韧性更显重要，同系列的E级和F级钢板的需求量逐渐增加，高强度、高韧性海洋平台用钢将是今后重点研发的品种。表3列出了目前不同海洋平台类型及使用的超高强钢级别，屈服强度690 MPa级超高强钢已用于自升式平台桩腿、悬臂梁和张力腿、半潜式平台系泊构件等。新一代的超深水半潜平台采钻深度将在3 000 m以下，高度可达118 m，总排水量与平台自重比值将超过4.0。据计算，以屈服强度355 MPa级钢材为基准，若采用690 MPa级钢替代，则钢板厚度可减少30%以上，将大幅降低平台的建造和安装成本，因此开发并广泛使用高强韧钢材对海洋平台的发展至关重要。

表3 海洋平台结构类型、工作水深及使用钢级

3.2 研发低成本高附加值产品

海洋平台是由钢结构焊接而成，其中高强钢所占比例高达60%～90%，如果在高强钢合金设计上实现减量化，将会大大降低海洋平台的建设成本。国内现有的690级高强钢均采用添加大量的Ni、Mo等贵重合金元素，如能通过合金设计，实现“以Mn/C代Ni”的成分设计思路，可以大幅度降低成本。首先，Mn是一种强奥氏体稳定元素，其价格只是Ni的1/5～1/20，其次，高Mn钢具有优异的强度和塑性的综合性能以及优异的低温韧性。高Mn钢本身的优异综合性能可以解决目前海洋平台用690 MPa级超高强钢的低温韧性差、屈强比高等问题，能够满足未来深海和极地海洋平台对超高强钢安全性能和建造成本需求，这也是今后高强、高韧海洋平台用钢的重要发展方向。

3.3 良好成形性能的低屈强比海洋平台用钢开发

从海洋平台底部结构设计出发，如果采用先进的桩腿（包括桩靴）结构和升降机构，将会增加平台的承重能力、抗冲击能力及耐久性。目前，升降齿条用钢采用了690 MPa级超高强钢，但其他桩腿结构用钢一般仅为550 MPa级别高强钢。主要原因在于，其他结构用钢不仅要求具有较高的强度，同时需要良好的成形性能，因而对屈强比进行了严格限制，海洋平台安全设计中结构件用钢的屈强比不允许超过0.85，以确保塑性失效前有足够的延展性来防止发生灾难性的脆性断裂。海洋平台用钢屈强比一般随着强度级别增加而升高，如图4所示。屈服强度500 MPa以上钢级已很难满足低屈强比要求，屈服强度690 MPa级高强钢的屈强比高达0.90～0.95。这也是造成目前平台结构用钢级别限制460 MPa以下的主要原因。总之，开发并使用良好成形性能的低屈强比高强钢已成为海洋平台建设的必然趋势，“Mn/C”合金化能够有效调控高强钢的组织结构，具有明显降低钢材屈强比的优势，将成为开发新型海洋平台用钢的重要保障。

3.4 止裂性能高强钢开发

针对船舶、建筑、储油罐、海洋结构、管线等结构设施所发生的一系列的结构件断裂灾难事故，国际工程领域提出了生产和应用止裂性性能钢板的要求，且正在形成并推广相关的国际标准。钢中存在一定量的残余奥氏体时，在裂纹扩展时可以使其沿残余奥氏体发生偏转，或者因裂纹尖端的应力集中引发 “残余奥氏体→马氏体”相变的TRIP效应而产生相变韧化，从而提高钢材的止裂性能，其作用原理如图5所示。由于“Mn/C”合金化可以有效调控钢中残余奥氏体含量，因此通过合理的成分设计以及组织性能控制，实现钢中残余奥氏体含量、大小、分布的精确控制，从而有效提高钢材的止裂性能，这是高强韧海洋平台用钢的又一重要发展趋势。

4 结论

围绕国家在建设海洋重大基础设施、快速发展海洋经济方面遇到的关键原材料制约问题，通过分析国外海洋平台用钢研发生产现状、发展特点以及推广应用面临的技术瓶颈，指出我国超高强海洋平台用钢方面的现状与差距，提出高强高韧、低成本“以Mn/C代Ni”成分设计、低屈强比和高止裂性能的新技术发展趋势，应重点研制屈服强度为690 MPa级海洋平台用高强韧钢，以实现海洋平台建造中关键材料的国产化。

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