高强度结构用钢在海洋工程结构中的应用研究

2024-02-23王飞

中国设备工程 2024年3期

王飞

（中海油田服务股份有限公司，河北廊坊 065201）

高强度结构用钢是现代社会工程建设中应用的一种主要材料，具有强度高、韧性好的特点。海洋工程中应用高强度结构用钢，不仅是海洋工程建设的必然需求，同时也是海洋工程质量提升的主要途径。海洋工程建设与陆地工程建设有所不同，海洋中结构所承受外力，所处环境不同，尤其是风力作用较大，海水腐蚀比较严重，都影响海洋工程稳定性，所以采用更高强度的钢材，能够有效地提升海洋工程结构质量，提升海洋工程使用寿命，对于我国海洋探索以及海洋科技开发都有关键的作用。

1 高强度结构用钢材料

高强度结构用钢材料是现代钢筋材料的主要种类，是现代钢筋材料的新研发。高强度结构用钢是一种低合金钢材料，是在传统钢材基础上研发的新型钢筋材料，该材料与传统钢材相比，具有更优的性能。

高强度结构用钢具有良好的焊接性能、塑性、韧性和加工工艺性，较好的耐蚀性，同时在较高强度的性能之下，高强度结构钢在应用过程中，冷脆的转换温度也比较低，从而使高强度结构用钢材料的使用寿命增加。在当前，高强度结构用钢材料主要包括Q295、Q345、Q390、Q420、Q460 以及Q500 等。不同的高强度钢材性能不同，同时应用方向也有所不同。例如，Q345（16Mn）具有良好的综合力学性能、低温冲击韧性、冷冲压、切削加工性、焊接性能等，但缺口敏感性较大，广泛用于受动荷载作用的焊接结构，如桥梁、车辆、船舶、管道、锅炉、大容器、油罐、重型机械设备，矿山机械和－40℃低温压力容器。再如，Q420 钢材也适合应用与大型船舶、海洋桥梁以及海洋工程建设，对于海洋工程建设有重要的意义。

2 高强度结构用钢材料在海洋工程结构中的应用探讨

高强度结构用钢材料在海洋工程结构中应用，对于海洋工程建设有重要的意义，以下是从必要性、作用等角度分析海洋工程中应用高强度结构用钢。

（1）海洋工程建设过程中应用高强度型钢具有必要性。其一，海洋资源丰富，以北冰洋为例，蕴藏资源超过2000 亿吨油气。所以，在陆地资源濒临枯竭的背景之下，资源探测开采开始进入海洋领域。所以，现代海洋工程逐渐增加，而海洋工程建设中，钢筋材料又是不可或缺的材料。在海洋工程中，海洋工程平台基建，海洋船舶建造、海洋油气开发管道等材料都是钢筋材料，所以在海洋工程建设过程中，继续使用高强度钢材。其二，海洋工程建设过程中，对于钢材的屈服强度要求非常高。主要原因是我国沿海受台风影响较大，极端海况时有发生，这就要求结构物具有较大的极限强度和冗余。据相关数据分析显示，海洋移动平台结构可分为主要结构、次要结构和特殊结构，其中主要结构和特殊结构对整体安全性起主要作用，一般要求钢材屈服强度达到355MPa、420MPa 以及690MPa，普通钢材难以达到强度要求。

（2）海洋工程建设结构用钢采用刚强度结构钢具有重要的意义。其一，从工程本身而言，其作用是提升了海洋工程结构的使用寿命。高强度结构用钢的耐蚀性、强度性能都全面优于普通钢材，所以其应用于海洋工程结构当中，就具有耐久性优势，给予海洋工程更高强度的保护作用。其二，从海洋工程角度而言，采用高强度钢，提升了海洋工程的强度和使用寿命，对于后续的海洋资源开发以及海洋工程建设也有重要的意义。

3 高强度结构用钢在海洋工程结构中的应用方向

海洋领域拥有着广阔的空间资源，所以海洋工程建设非常必要，我国海洋资源也非常丰富，在海洋工程建设过程中，采用高强度结构用钢，有利于海洋工程质量提高。当前，高强度结构用钢已经广泛应用于海洋工程建设中，以下是对海洋工程结构中高强度结构钢的具体应用。

3.1 海洋船体结构用钢

海洋工程建设中，海洋船舶也是工程使用船只非常关键，主要作用包括科学考察、运输物资等，所以在海洋工程建设中，相关专家也提出了采用高强度用钢建造船只的思路，以提升海洋船舶质量。现代海洋船舶船体结构建造过程中，通常采用A、D、E、F 四种不同级别的钢材。当前，在海洋船体结构设计应用过程中，EQ56是常见的高强度结构用钢材料，同时也包括EQ56-Z15、EQ56-125 等。该高强度结构钢材料应用过程中，抗拉强度为798MPa、屈服强度达到579MPa、延伸率为17，非常适合应用于海洋船舶制造。

3.2 海洋工程平台结构用钢

海洋工程平台结构是现代海洋工程建设中非常重要的结构，也是海洋工作开展，海洋探索作业的特殊场所，与海洋船舶相比，海洋平台的使用具有时间长的特点。据相关数据研究表示，海洋平台的服役使用时间比海洋船舶的使用时间多1/2 以上，所以要求海洋工程平台结构用钢质量性能要比船只结构钢性能更高。在海洋工程建设过程中，要求海洋平台结构用钢其抗冲击屈服强度应该在690MPa 以上，同时平台的钢下部分要与海水直接联系，所以其下部分结构钢材在使用过程中，要求具有更优化的抗腐蚀性能，以确保平台的使用寿命。如当前适合应用于海洋平台工程的高强度用钢材料主要包括AQ51、DQ51、EQ51、EQ56、EQ63 等不同级别钢材，不同级别钢材的良好使用，适合不同的平台位置，对于海洋平台工程建设也有重要的意义。

3.3 海底管线中高强度用钢材料的应用

海底管线也是海洋工程建设的重要组成部分，在海上油气开发过程中，管线的应用十分重要，承担着油气资源的承载和传输作用，管线钢材的设计应用符合海洋区域内的压力和冲击力情况，具有良好的耐腐蚀以及抗冲击能力，才能够提升海底管线的使用寿命，也能够有效地预防海底管线泄露等问题。高强度用钢材料的耐腐蚀性正适合应用与海底管线工程建设。同时，也要高强度钢材具有良好的水滴焊接能力。如现代海底管线研发中，应用的铁素体X70 级别管线钢材，就是一种新研发的海底管线高强度钢材料，该材料在设计过程中采用超低碳元素设计理念，从而提升了钢材的焊接性能，碳元素应用量减少，也提升了钢材的韧性，确保钢材的使用更加合理。另外，在X70 钢材料中，也增加了Nb、Ti等微合金化材料，提升了钢材的本身强度。在对该型号高强度结构用钢采用实验过程中，实验计算该钢材的屈服强度在490MPa 以上，抗拉强度在580MPa 上，满足了海底管线的抗压强度需求，有利于海底管线工程高质量施工。

4 案例分析

在海洋工程结构建设过程中，不同结构对于高强度结构用钢材料的应用需求不同，在具体的工程建设好，应该满足相关的钢材使用规范，同时根据区域内的环境情况，设计使用不同的高强度结构用钢。在某海洋井场开发项目中，就十分注重高强度用钢材料的使用，该工程建设中，主要包括海洋半潜式钻井平台、FPSO、以及水下井口等多种结构，以下是该开发项目中高强度结构用钢的具体应用要点。

4.1 某开发项目中结构用钢的主要特点分析

对于不同结构物特点，钢材的使用至关重要，其钢材结构的应用呈现出以下几个特点。

（1）高强度结构用钢采用多规范以及多级别的用钢。根据海洋工程的建设需求，应用了不同的高强度钢材料，钢材使用要求符合ASTM 标准、API 规范、EN 规范。

（2）高强度结构用钢要求比较严格，同时要求更为细致。在工程建设过程中，对于高强度结构用钢的需求增加，在一定程度上关系到钢材料的应用质量。在本次钢材料应用过程中，材料需求的厚度跨度非常大，最薄厚度需求为5mm、最厚钢板需要180mm、屈服强度要求在400 ～800MPa 之间，冲击韧性测试温度为-60℃。

4.2 该项目中高强度结构用钢的应用分析

在本次海洋工程建设过程中，使用到型钢种类非常多，主要包括API 系列产品、ASTM 系列钢材以及EQ 系列钢材。以表1 为本次海洋工程建设中，高强度结构钢材的具体应用情况。

表1 高强度结构钢材型号列表

4.3 项目所用钢材特点分析

在该项目中，使用的高强度结构用钢种类比较多，其中主要包括API 系列、ASTM 系列以及EQ 系列，以下是对钢工程中，不同海洋工程钢材使用情况分析。

（1）API 系列高强度用钢主要应用与海底管线以及海洋结构工程，该钢材碳元素含量为0.07。屈服强度为433MPa、抗拉强度为548MPa、延伸率37%、屈服强度与比83%、时效冲击为338/267、260/267、303/267。在本工程中，该级别材料主要应用于制造浮箱和基座。

（2）ASTM 系列高强度结构用钢。该结构用钢主要应用于FPSO 的建造。该钢材碳元素含量为0.13。屈服强度为772MPa、抗拉强度为832MPa、延伸率22%、时效冲击为268/267、260/267、303/267。同时，在本工程建设中，该型号钢材使用主要包括88mm 和178mm 两种厚度，该型号钢材不仅应用于海洋船舶制造，同时在水下设施的支撑结构建造中也有应用。

（3）EQ 系列海洋船舶产品。EQ 系列高强度钢材是现代海洋工程中常见的钢材，该材料的性能非常优越。在本工程，该类材料主要应用于半潜式平台船体结构的建造中，主要包括EQ56 和EQ70 材料。

①EQ56 高强度钢材使用厚度为50mm、屈服强度为736MPa、抗拉强度为772MPa、延伸率20%、时效冲击为265/269、274/269、366/269。

②EQ70 高强度钢材使用厚度为88mm、屈服强度为733MPa、抗拉强度为792MPa、延伸率19%、时效冲击为218/233、240/233、241/233。两种不同的材料，应用于不同的结构，对于该海洋工程的质量提升有重要的意义。

5 高强度结构用钢在海洋工程中的应用工艺

高强度结构用钢在海洋工程中应用十分关键。在海洋工程建设中，不仅需要合理地使用钢材料，还需要对施工工艺进行有效的把控。控制各项工艺要点，实现钢材料的全过程应用控制。高强度钢材的焊接必须具备船级社认可的焊接工艺，同时对焊接过程把控要求相当严格，包括焊材和焊接仪器的选择、电压电流的限制、焊接人员的技术、保温温度和时间等。在完成焊接后，需要对焊接质量进行检查，确保不存在焊接缺陷。