全球气候变暖下俄罗斯北极耐候钢开发及应用现状分析

全球气候变暖的地缘政治效应日益凸显，使得极地航线和资源的开发与利用成为各国竞相争夺的焦点。俄罗斯北极地区绵延的海岸线长达19724公里，曾于2017年和2021年分别在圣彼得堡成功举办了两届“北极材料与技术”研讨会，吸引了包括俄罗斯国内知名的材料研发机构、结构设计公司、造船厂以及油气能源企业在内的众多与会单位。在经过两次会议的讨论之后，本文对俄罗斯在北极地区使用耐候钢的开发与应用情况进行了筛选，并收录了相关信息。至于耐候钢的焊接技术、复合材料的应用、钛合金的使用以及北极地区材料抗腐蚀防护等方面的内容，将在后续工作中根据实际情况进行适当的补充和更新。

图1. 俄罗斯北极地区海岸线情况

（一）苛刻的环境及使用工况

在极端低温环境下，海洋工程结构的计算温度（T设计）需考虑结冰区域的温度范围，通常在-50至-60℃之间，而在开放区域，这一温度则降至-35℃。

图2展示了北极项目在计算过程中得出的（最低）温度数据：其中，“普里拉兹洛姆纳亚”项目的设计温度设定为T=-45℃；而“北极”项目的设计温度则被设定为T=-35℃。

载荷承受状况包括：静止、周期性以及动态的加载形式。在这些情况中，由冰层和海浪引起的周期性载荷，其循环次数介于10的7次方到10的8次方周次之间；同时，内部压力较高，数值可达到22至25兆帕。

图3. （a）“因迪加”号油轮甲板在-24℃条件下出现的脆性断裂现象；（b）进口钢S690QL焊接而成的结构在-5℃时发生的脆性断裂情况。

（3）海水腐蚀的影响。

（4）断裂后的环境后果严重，可维护性低。

（二）结构钢的厚度区间

（1）破冰船—60-70mm；

固定平台及浮动式钻井装置的厚度，一般不超过70毫米，而部分结构则可达到130毫米。

（3）冰下管道—40mm。

（三）材料预防脆性断裂的准则

（1）高耐寒、高抗脆和延长断裂韧性材料的使用；

（2）基于耐寒和抗裂纹要求的金属母材及其焊接结构的加工；

（3）按上述要求完成的材料和焊接工艺认证；

（4）考虑到疲劳的海工结构设计与建造的补充要求。

（四）北极地区低合金钢和焊接材料使用规范

俄罗斯海事登记局的规定明确指出，在《海洋船舶设备及建造分类规定》的《耐寒钢》部分中，需关注《电弧钢种类》章节，同时，《浮式钻机和海上固定平台的分类、建造和设备规则》中也应包含极低温度下的试验方法及材料选择的步骤。

欧共体成员国采用的标准包括：ISO 1906极地结构规范；ISO 1902石油天然气工业中固定式海上结构标准；EN 10225关于固定式海上结构焊接用结构钢的规定；DNV-OS-B101海上标准中的金属材料要求；以及Norsok标准M-120提供的结构钢材料数据表。

请注意，在（欧共体）的明确规定中，温度限制仅至-12至-20摄氏度；目前，针对更低温度的规范正依据订购者的具体需求加紧制定中。

（五）俄罗斯北极用钢的发展历程

（六）俄罗斯耐寒船用钢材料体系

目前，我们拥有超过20种不同牌号的材料，具体包括：用于船舶的钢材有4种牌号，其镍含量最高可达2%，屈服强度介于235至500MPa之间；适用于破冰船及平台的钢材则有13种牌号，镍含量最高可达4%，屈服强度在500至900MPa范围内；而针对深海科技领域的钢材，共有3种牌号，其镍和钼含量最高可达8%，屈服强度范围在900至1400MPa之间。

（七）“Arc”电弧钢指定要求

确保安全等级为1，需防范因工艺瑕疵及使用磨损引发的易脆性断裂风险，通过确保材料CTOD值不低于计算所得的CTOD值来实现。这一规定适用于基体材料、焊接区域及其所用焊材。

安全级别为2时，母材能够有效抑制主要的脆性断裂。脆断温度T脆断不超过设计温度T设计。这一限制仅适用于母材。

（八）耐寒Arc电弧钢的加工工艺

钢坯直径为315毫米，经过加工成为毛坯，再进一步加工成板材，其厚度在60至70毫米之间。在此过程中，晶粒的尺寸由100微米逐渐减小至200至400纳米。伴随着晶粒尺寸从微米级别向纳米级别的发展，材料的强度和韧性得到了同步提升。