海洋石油平台用钢的现状与发展趋势(二)

杜　伟，李鹤林

(中国石油集团石油管工程技术研究院，石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室　陕西　西安　710077)



·综述·

海洋石油平台用钢的现状与发展趋势(二)

杜伟，李鹤林

(中国石油集团石油管工程技术研究院，石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室陕西西安710077)

归纳了海洋石油平台用钢的类别品种，包括一般强度钢、高强度钢、超高强度钢，以及耐海水腐蚀低合金钢、齿条钢、Z向钢、适合高热输入焊接钢、高强度系泊链钢、高强度铸钢等特殊用途钢种；分析了海洋平台用钢的标准体系，并介绍了欧洲标准、API标准、船级社标准以及国家标准对平台用钢的性能要求；综述了国内外平台用钢的产品开发及应用现状；最后讨论提出了海洋石油平台用钢向高强、高韧以及良好低温韧性与焊接性方向发展的趋势。

海洋平台用钢；Z向钢；齿条钢；适应高热输入焊接钢；耐海水腐蚀钢

(接2016年第3期)

2　海洋平台用钢的标准及性能要求

国际上常用的海洋平台用钢标准包括欧洲的EN 10225、BS 7191、NORSOK标准，美国的API、ASTM标准，以及ABS、BV、CCS、DNV、GL、LR、KR、NK、RLNA等九大船级社标准等。其中，BS 7191-1989标准由2001年发布的EN 10225-2001代替，现行标准为EN 10225-2009《固定近海结构可焊接结构钢—交货技术条件》[10]。

国内海洋平台用钢标准包括GB 712-2011 《船舶及海洋工程用结构钢》[11]、YB/T 4283-2012《海洋平台结构用钢板》[12]。GB 712-2011是在原船体结构用钢的基础上修订为船舶及海洋工程用结构钢，成为我国首个海洋平台用钢国家标准。YB/T 4283标准作为我国首个海洋平台用钢专用标准，2012年由湘钢牵头编写完成，其修改参照了EN 10225-2009标准。

2.1EN 10225

EN 10225标准规定了用于固定近海岸构架的可焊接结构钢的要求。涉及产品的强度范围包括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)三个强度级别。355 MPa级别钢交货状态有正火或正火轧制(N)及轧制(M)；420 MPa和460 MPa级别钢交货状态有M及淬火和回火(QT)。典型牌号包括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内容包含了海洋平台用钢的分类及名称、生产过程、尺寸，质量及允许偏差、性能要求、检测及试验、标志，包装及保护涂层等，同时也提供了加严成分要求、应变时效试验、焊后热处理试验(PWHT)、Z向性能、CTOD、宽板试验、焊接性能试验、成型性能等18项附加要求，供用户结合钢板实际用途选择使用。

EN 10225对S355、S420和S460级钢板力学性能的要求见表4～表6。其力学性能要求不仅与钢材的级别有关，同时也受板材厚度影响。同时，不同牌号钢材的冲击试验温度也存在差别。

表4　S355级钢材的组别及力学性能要求

注：t为厚度，mm。

表5　S420级钢材的组别及力学性能要求

注：t为厚度，mm。

表6　S460级钢材力学性能要求

2.2API Spec 2H、2W 及2Y

海洋平台用钢相关的API标准包括：API Spec 2H 《近海结构用碳锰钢板规范》[13]、API Spec 2W[14]《海洋结构用热机械控轧(TMCP)钢板》和API Spec 2Y 《海洋结构调质钢板》[15]等。

API Spec 2H规定了近海焊接结构用厚度≤100 mm(4 in)的2种强度等级钢板，为42级和50级，依次标识为API 2H-42、API 2H-50。钢板的交货状态为正火态，对于厚度超过63.5 mm(2.5 in)的50级钢板也可采用淬火加回火态交货。标准规定了钢板的制造、化学成分、力学性能、标识等要求，同时也给出了超声波检测、低温冲击韧性、Z向性能、应变时效性能以及尺寸偏差等补充技术要求。

API Spec 2H对42级和50级碳锰钢的性能要求见表7。API Spec 2H在基本性能要求基础上，也提供了多种供用户选择的试验项目，以满足不同的应用需求。

表7　API Spec 2H的性能要求

API Spec 2W规定了用于海洋焊接结构的2种级别的高强度TMCP钢板，API Spec 2Y则规定了用于海洋焊接结构的2种级别的高强度调质钢板。强度级别均为50级和60级，依次标识为API 2W-50、API 2W-60 和API 2Y-50、API 2Y-60。50级钢板的最大厚度为150 mm(6 in)，60级钢板的最大厚度为100 mm(4 in)。API Spec 2W、API Spec 2Y标准与API Spec 2H标准的整体结构基本相同，均规定了包括制造、化学成分、力学性能、标识在内的基本要求及补充要求。而考虑到焊后热处理对TMCP钢、淬火回火钢的影响，API Spec 2W、API Spec 2Y还规定了关于焊后热处理(PWHT)的补充技术要求。此外，按照API Spec 2W、API Spec 2Y标准生产的钢板还需进行试生产鉴定，除进行基本的检验、试验项目外，还包括裂纹尖端张开位移(CTOD)试验、按API RP2Z进行的包括中等约束水平的可控热拘束试验(CTS)和高约束水平V型坡口试验的可焊性试验。

API Spec 2W对TMCP钢以及API Spec 2Y对淬火回火钢的性能要求参见表8。其中在对CTOD的规定中，标准考虑了材料厚度的影响，对于大厚度材料，对应更高的CTOD值。

2.3ASTM A 514及A 517

ASTM系列钢材中，ASTM A 514/A 514M《焊接结构用高屈服强度淬火回火合金钢》[16]和ASTM A 517/A 517M 《压力容器用高强度淬火回火合金钢板》[17]也常被用作海洋平台用钢。A514、A517中包含了A、B、E、F、H、P、Q和S等8个钢材级别，不同级别钢材的化学成分、最大厚度及适用范围各不相同。A514中A、B级别钢材的最大厚度为32 mm，H级别钢材最大厚度为50 mm，F、S级别钢材最大厚度为65 mm，E、P和Q级别钢材最大厚度为150 mm。A517中A、B级别的最大厚度为32 mm，H、S级别最大厚度为50 mm，F级别最大厚度为65 mm，E和Q级别最大厚度为150 mm。A514/A517 Gr.Q在自升式平台中应用较广，主要用于制造平台桩腿的齿条、半弦板等。

表8　API Spec 2W、API Spec 2Y性能要求

ASTM A514和ASTM A517标准对Gr.Q钢材化学成分和力学性能的规定(见表9)几乎相同。区别在于，A514用于焊接结构件，A517用于锅炉压力容器，出于对锅炉压力容器安全性的考虑，A517的抗拉强度更高。在实际工程应用中，A514和A517 Gr.Q常用于100 mm厚度以上齿条钢的生产和订货，最大适用厚度为150 mm。为满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。同时加入微合金元素B和V，以提高超厚板心部的性能。鉴于自升式平台齿条钢最大厚度达到259 mm，常规的供货厚度为178 mm，均超出了A514和A517规定的壁厚上限。用户企业在采购齿条钢时，常在A514和A517标准的基础上通过修正，制定相应的产品技术规格书以满足工程需求。目前，世界上普遍流行的是阿塞洛集团Indu steel制定的A517Q-MOD技术规范。

Indu steel根据实际工程需要，对美标A517Gr.Q进行了修正，形成企业标准A517Q-MOD，见表9。其修订的内容主要包括：1)为了满足实际工程需要，突破了厚度150 mm的限制。实际供货的最大厚度达到210 mm及以上，目前常规的供货厚度为178 mm。2)加严了对冲击韧性的要求。3)提高了对屈服强度的要求。ASTM标准对厚度大于65 mm的厚钢板采用降低屈服强度验收(Q690按照620 MPa验收)，而Indu steel则依然要求最低屈服强度690 MPa。4)基于以上对厚度规格和性能指标的更严格要求，Indu steel对A517Gr.Q的成分规定也作了相应的修改。主要包括：对C、Cr含量的上限进行了更严格的限制；为提高大厚度钢板的淬透性，提高了Mn、Ni含量的要求；考虑低温冲击功的要求，提高了Ni的含量水平，并可根据低温冲击的考核要求不同灵活选择；此外，V和B可同时加入，并允许Al的适量加入。

渤海装备辽河重工订货技术条件(见表9)中A517Q-MOD最大厚度达到178 mm；屈服强度提高至690 MPa；冲击韧性试验温度相对于A514/517未变，而冲击功要求值增加至69 J；在化学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以及相关企业标准A 517Q-MOD的性能要求

2.4CCS规范

海洋平台用钢在应用前需经船级社认证，ABS、BV、CCS、DNV、GL、LR、KR、NK、RLNA等九大船级社均制定了各自的材料标准，各船级社相关标准的内容及要求基本相同。中国船级社(CCS)的《材料及焊接规范》[18]适用于船体、机械、锅炉和受压容器及海上设施等的材料或产品的制造、试验和检验，包含了对钢板、扁钢与型钢、钢管、铸钢件、锻钢件等金属材料的性能要求及焊接要求。

CCS船级社规范中涉及的平台用钢包括一般强度船体用结构钢、高强度船体用结构钢和焊接结构用高强度淬火回火钢等。CCS规范对一般强度船体用结构钢、高强度船体用结构钢和焊接结构用高强度淬火回火钢的力学性能要求见表10、表11和表12。一般强度钢区分了A、B、D、E 4个等级，相应的冲击试验温度分别为20℃、0℃、-20℃和-40℃；高强度钢和高强度淬火回火钢区分了A、D、E、F 4个等级，冲击试验温度分别为0℃、-20℃、-40℃和-60℃。除A级钢外，规范均提出横向和纵向的冲击韧性要求，且冲击功要求值与强度和厚度均有关，强度越高、厚度越大，冲击功要求值也随之提高。

针对特殊用途平台钢，CCS规范还提出了对Z向钢、适应高热输入焊接钢以及锚链用轧制圆钢等的特殊要求。Z向钢适用于因结构中承受厚度方向拉伸载荷而对钢材厚度方向有性能要求的厚度不小于15 mm的板材或扁钢。适应高热输入焊接钢适用于采用热输入超过50 kJ/cm焊接工艺的平台钢焊接。锚链用轧制圆钢适用于制造船舶锚链、海上设施系泊链及其附件用的轧制圆钢。CCS规范规定的海上设施系泊链用钢包括OM3、OM3S、OM4、OM4S和OM5共5个级别。

表10　一般强度船体用结构钢的力学性能要求

注：t为厚度，mm。

表11　高强度船体用结构钢的力学性能要求

注：t为厚度，mm。

表12　焊接结构用高强度淬火回火钢的力学性能要求

Z向钢，CCS规范要求其化学成分除符合母级钢规定外，熔炼分析化学成分中S含量应≤0.008%。对于Z25钢，3个试样的厚度方向断面收缩率平均值应≥25%，单个值≥15%；对于Z35钢，3个试样的厚度方向断面收缩率的平均值应≥35%，单个值≥25%。CCS规范同时规定了对Z向钢的超声波检测。

适应高热输入焊接钢是在母级钢的基础上，经化学成分少量调整处理的钢材。适应高热输入焊接钢除满足特殊要求外，还应符合其母级钢的所有要求。适应高热输入焊接钢须按要求进行平板对接焊工艺认可试验，试验项目包括：焊缝拉伸、焊缝正反弯、焊接接头冲击、焊接接头硬度及断面宏观等。

对于系泊链用钢，规范规定其化学成分应满足认可的标准，同时OM4、OM4S和OM5级系泊链钢的钼含量应不低于0.20%。系泊链钢应进行奥氏体晶粒度检查；对于OM4S和OM5级钢需进行非金属夹杂物检查、宏观酸蚀检查(确认无有害的偏析和气孔)和淬透性试验；对于OM3S、OM4、OM4S和OM5级钢还需进行氢脆试验，未经烘焙试样的断面收缩率与烘焙后试样的断面收缩率比应≥0.85。系泊链钢的力学性能要求见表13，不仅包含了对强韧性指标的要求，还有对屈强比及硬度的规定。其中，OM5级钢的屈服强度达到760 MPa以上，-20℃冲击功≥58 J，屈强比≤0.92，硬度≤340 HBW。

表13　系泊链及附件用材料的力学性能

2.5GB 712

GB 712《船舶及海洋工程用结构钢》标准规定了船舶及海洋工程用结构钢的分类和牌号、订货内容、尺寸、外形、重量及允许偏差、要求、检验和试验、包装、标志和质量证明书。适用于制造远洋、沿海和内河航区航行船舶、渔船及海洋工程结构用厚度不大于150 mm的钢板、厚度不大于25.4 mm的钢带及剪切板和厚度或直径不大于50 mm的型钢。GB 712将船舶及海洋工程结构用钢按强度级别分为：一般强度(≤235 MPa)、高强度(315～390 MPa)和超高强度(420～490 MPa)三类。GB 712对于一般强度及高强度钢的规定与船级社规范基本相同，而在超高强度钢方面，相对于船级社的淬火回火钢，GB 712放开了对钢板交货状态的限制，既可采用QT状态交货，也可TMCP和TMCP+T状态交货。

(待续)

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

杜伟，男，1982年生，工程师，2008年硕士毕业于北京科技大学材料学专业，现主要从事石油管的工程应用与应用基础研究。E-mail:duw002@cnpc.com.cn

TE5

A

2096-0077(2016)04-0001-05

2016-04-14编辑：屈忆欣)