不同标准下几种高强度船板的化学成分及力学性能对比分析

2022-07-11陈欣

中国设备工程 2022年13期

陈欣

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

随着海洋石油勘探工作快速推进，在我国仅海洋平台结构板材的钢需求量每年就达30万吨以上，高强度结构板材的需求也逐年增大。海洋平台作为长期深处海洋复杂作业条件下的特殊平台，其服役期往往大于船舶类50%以上，由于长期受到低温、日照、海风及海浪的侵蚀，其结构设计和材料必须具备高强度、高韧性、抗冲撞、抗撕裂、抗侵蚀和抗疲劳和较优良的焊接性能。目前，我国水下生产设备的制造和研发也已快速发展至深水水平，为进一步适应深水海洋工程开发和国际市场需求，迫切需要对高强度船板性能进行研究，以实现板材选型和工程质量保障。以下就不同规范标准的高强度船用板材进行化学成分和力学性能对比分析。

1 规范标准概述

目前，世界造船业及船用钢材参照执行的主要船级社规范有中国船级社CCS、美国船级社ABS、德国船级社GL、法国船级社BV、挪威船级社DNV、日本船级社NK、英国船级社LR、韩国船级社KR及意大利船级社RINA等。随着海洋石油勘探及造船业的快速发展，吨位更大的海洋平台及大型货船不断出新，对船体板材的厚度要求及性能要求也越来越高，为此十几年间各国均对本国的船级社规范进行了一定的规范调整和改动。我国船体用结构钢标准GB/T 712颁布与实施已有10年多时间。

2 高强度船板的性能及轧制工艺

高强度船板在海洋工程中应用于大型船舶、海洋平台及水下设备。高强度船板板材较一般板材更厚、耐腐蚀性能、力学性能更好，同时，要求其低温韧性和焊接性能更高，因此对其加工工艺要求更高，加工技术也相应较为繁杂。生产厂家对冶炼工艺和内在质量的技术研发，极大地降低了高强度结构钢材中的有害元素及杂质含量。当前，国内高强度船板主要以热轧或控轧替代正火的方式生产船板。厚度小于35mm的采取二阶段控轧的方式生产，厚度大于35mm的多以热轧加正火的方式生产。

3 不同标准下高强度船板的化学成分及力学性能对比分析

本节将结合GB/T 712船体用结构钢标准、挪威船级社DNV-OS-B101、法国船级社BV NR216、美国材料与实验协会ASTM A131/A131M及中国船级社CCS规范，主要对比分析D、E系列高强度船板性能及要求。

3.1 化学成分

国外所产的钢材其实物的质量通常均高于标准水平且性能较为稳定，为此当前入级的其他国外船级社对钢内在成分质量的配比元素，没有进行较为严格的规定，但我国由于钢材的性能波动较大，为此对钢材质量和标准进行化学成分的上下限应进行严格明确的控制和调整。

为确保所生产的高强度船板的技术性能要求，多会应用微合金化技术，即在钢中添加Nb、V、Ti等合金元素，并结合所需控轧工艺达到细化晶粒，以提高船板的强韧性；对Mn和Si的上下限进行规定可以保证其力学性能的稳定；对钢中的S、P、N、0、H等含量要求应结合船级社的标准进行严格控制，确保钢坯钢质纯净度。见表1。

表1 不同标准下高强度钢的化学成分对比

由上表可见，仅在ASTM规范中对Si含量的下限值，在其他规范中均为对Si的上限进行规定。从上表中还可以明显看出，GB/T 712中的P和S元素的含量与其他标准有较大差别，其余元素在各个标准中的要求是一致的。除上表中对元素组分的规定，在标准中还说明了供方可以全部或部分用铌、钒代替铝，表中规定有铝、铌、钒等元素，或单独加某一种或同时加几种元素，如混合加入几种元素其含量可以小于表中规定的下限。GB/T 712与其他规范中对碳当量最大值的要求是一致的（BV和ASTM规范中不涉及厚度100～150mm的船板）。

船级社规范规定：钢应含有铝、铌、钒或其他合适的晶粒细化元素，可以是一种或任意几种配合，当只用一种时，钢应含有规定的最低含量晶粒细化元素，当几种元素配合使用时，对其中任一元素规定的最小含量就不再适用。

在三国船级社规范中，对钢种的脱氧方法明确规定：厚度大于25mm的D级钢和所有E级钢，须镇静处理并用铝作为细化晶粒元素。

3.2 力学性能

目前，我国标准规范中已将高强度钢的抗拉强度σb的上限由490N/mm2扩大为660N/mm2，见表2。

在抗拉强度要求中，ASTM规范中各级别的抗拉强度最大值与其他规范要求不同，32公斤级材料抗拉强度最大值大于其他规范20MPa，但36公斤和40公斤级抗拉强度最大值小于其他规范10MPa。

最小伸长率除ASTM规范中均为20%外，其他规范要求一致。

BV及ASTM规范对冲击功的要求适用于100mm以下板厚，其他规范适用于150mm以下板厚。在GB/T 712规范中，≤50mm钢板的纵横向冲击功要求均大于其他规范。

另外，从表1可知，将标准规范中增加了100厚度及≤100mm的钢板，另外，钢种方面增加了F级和40公斤级，由于近年来我国海上作业平台及大型船舶需求日益增大，深海油气田项目也日渐增多，因此，对万吨以上船舶、水下产品等需求增加，对船板厚度和强度要求也增加，所以市场对40kg级的钢材需求越来越大。

3.3 交货状态

目前，基于GB/T 712交货状态比较可见：交货中热轧、控轧和正火三种形式基础上已增加了与入级船级社规范中的热机械控制轧制方式（TMCP)，经过热机械轧制的轧件可获得正火或其他热处理后的性能。并经由冲击试验可以获得较为稳定的试验效果，经船检相关部门同意后，方可按热轧状态进行交货。与其他规范不同的是，在DNV规范各级别材料中均有淬火加回火的交货状态。此外，对于在厚度不大于50mm的材料，仅ASTM规范在EH40牌号中未标注有淬火加回火状态。

目前，所有供方钢材的交货状态均参照各国船级社的规范对细化晶粒方法、钢板厚度以及冲击试验频数一并考虑；由于海洋平台及大型船舶常年处于海洋运行环境中，因此，基于安全视角，各国船级社标准规范中均对钢材交货状态进行了明确的规定，且越来越细化和具体。为了确保我国钢材生产厂家在执行GB/T 712 标准时不出现和其他船级社规范发生冲突，未来应针对性在标准规范中对交货状态参照国外船级社规范进行修订。

3.4 表面质量

GB/T 712标准规范中明确规定了所有钢板的表面不得出现分层，不允许有气泡、结疤、裂纹、拉裂、折叠、夹杂和压入氧化铁皮等，但对允许的缺陷也有具体的规定，即：允许有且不妨碍检测表面的薄层氧化铁皮、铁锈，但对轧辊所造成的不明显的粗糙、划痕及其他局部缺陷，但应保证其深度不得大于相应的负差范围，且应保证钢板的最小厚度。

入级的其他的船级社规范中，没有针对性的规定出现不允许的缺陷；但规定了钢板的任何部位其厚度均不能低于公称厚度的93%，并确定了任何情况下其厚度均不得高于3mm的厚度减小值；进行表面研磨面积不高于0.25mm2；进行检测过程中的钢板的局部研磨面积的总和应不得高于总面积的2%。