海洋平台用高强钢的发展与应用：耐腐蚀性研究成焦点

海洋是人类活动不可缺少的重要组成部分，资源丰富，经济效益巨大。目前，全球海洋石油储量将超过100亿桶，预计到2015年，海洋石油产量将占世界石油总产量的39%。为满足这一需求，预计未来10年海洋平台钢材总消耗量将超过300万吨/年，我国2010-2011年需求量已达100万吨。海洋的开发利用离不开高强度钢的开发应用，其中海洋平台用高强度钢的需求量将不断扩大。海洋平台用高强度钢的研发及其耐腐蚀性能成为人们普遍关注的焦点。

海洋平台用高强钢使用环境恶劣，其水下结构长期受到海水和海洋生物的腐蚀，产生腐蚀问题，除承受自身重力载荷外，还要承受风浪、海流、海底地震、低温等恶劣海况及其它自然力的侵蚀和破坏。而且使用寿命长，应力强度高，易发生应力腐蚀开裂，因此要求有较高的抗大气和海水腐蚀及腐蚀开裂性能，还需要具有高强度、高韧性、耐低温、耐疲劳、抗层状撕裂、易加工和焊接等性能。目前，随着降低有害元素含量技术、低合金钢细晶粒技术、合金中纳米析出相控制技术、快速冷却TMCP等新技术的应用，高强钢的性能不断提高，在海洋领域的应用也逐渐增多。 欧美、日本等发达国家和地区对高强度钢的研发、生产和应用较早，标准规范齐全，耐腐蚀、强度等性能及加工工艺在国际上处于领先地位。我国也在不断提高海洋平台用高强度钢的研发、生产和应用水平，EH40以下海洋平台用高强度结构钢已实现国产化，开发生产了FH690船体及海洋平台用钢。我国海洋平台用高强度钢发展还面临诸多问题：高水平高强度钢研发和生产能力不足；强度和厚度不足，规格不全；高性能钢材过度依赖国外进口；海洋用高强度钢标准不完善，耐腐蚀性能要求少；高强度钢加工、焊接、防护和耐腐蚀应用方面存在不足； 高强度钢产品性能稳定性不足，这些问题制约了我国海洋工程的发展，因此研发海洋平台用高强度钢势在必行。

综述了国内外海洋平台用高强度钢的现状、标准、腐蚀及焊接问题，分析了海洋平台用高强度钢的发展趋势，为我国海洋开发中高强度钢的应用及相应防腐蚀技术的发展提供参考。

1 海洋平台用高强度钢现状

1.1 海洋平台设备分类

海洋平台设备按功能可分为海洋钻井设备、海洋生产设备和海洋开发船三类。海洋钻井设备可分为移动式和固定式两大类。生产设备又可分为固定式和浮式。随着开发不断向深海方向发展，固定式设备需求逐渐减少，浮式设备目前是主要类型。海洋开发船主要包括钻井船和辅助开发船。海洋平台设备分类如图1所示，海洋平台工作水深见表1。

1.2 海洋平台设备用高强度钢

在轻量化、降低成本等因素的驱动下，当今海洋平台用钢通过低碳、低夹杂物、微合金化、细化晶粒控制等手段不断向高强度、高韧性、耐腐蚀方向发展。世界海洋平台所用高强钢主要牌号为屈服强度355、420、460、500、550、620、690MPa级，低温性能要求至少达到-40℃，甚至-60℃，抗层状撕裂性能在z方向达到35%，耐腐蚀性能良好。主要交货方式为TMCP、正火和调质。 其中对自升式海洋平台的桩腿、悬臂梁、起重电动齿轮、齿条机构等的要求更加严格，要求采用钢级690MPa以上的高强度或特厚特种钢，同时还要有优良的低温韧性、焊接性能和抗腐蚀开裂性能。厚度规格需在100mm以上，最大可达259mm。目前，经船级社认证的海洋平台用高强度钢最高强度级别为FH690。国际上对海洋平台高规格齿条钢一般采用ASTM标准中的A517Q和A514Q，其力学性能要求见表2。随着海洋平台工作水深的增加和使用环境越来越恶劣，高强度钢的强度和厚度将不断提高，对耐腐蚀性能的要求也将越来越严格。

1）日本海洋平台设备用高强度钢。日本较早开始海洋平台用钢的研究，已开发出耐海水腐蚀、高能线焊接、低温使用的系列高强度钢板，强度水平达到980MPa级。JFE将Super-OLAC与JFE-EWEL工艺相结合，细化焊缝热影响区晶粒尺寸，使热影响区的韧性达到较高的水平。EWEL工艺利用热影响区析出的第二相，细化焊缝热影响区的组织和晶粒尺寸。同时采用Super-OLAC工艺降低钢中铌、钒含量，控制热影响区游离氮，可明显提高热影响区和母材的韧性和抗腐蚀开裂性能。同时，公司已形成自己的企业标准系列。 海洋平台用钢板抗拉强度为360～980MPa，主要品种为JFE-HITEN系列高强度钢板。新日铁利用微合金元素的析出，开发了HTUFF技术。其海洋平台用钢板主要有WEL-TEN系列高强度钢板、NAW-K、COR-TEN系列无涂层焊接结构用耐腐蚀钢板、MARILOY系列焊接结构用耐海水腐蚀钢板、NAW-TEN系列含Ni耐候钢板等。此外，新日铁还按API2W、EN10225、NORSOK、BS7191标准生产屈服强度在315～550MPa之间的A、D、E、F级钢板，最高强度可达950MPa。

2）欧洲海洋平台设备用高强度钢。欧洲作为海洋资源开发较早的地区，在海洋平台用钢的研发应用、品种系列化和标准化方面处于领先地位，可生产屈服强度在235~690MPa之间的A、B、D、E级各类钢板。目前欧洲海洋平台建设用钢最广泛使用的钢种为S355、S420、S460、S690等，这些钢种具有良好的耐腐蚀性能。

挪威Ekofisk II海上钻井平台是欧洲首个使用改进韧性的S690Q钢板的海上平台。俄罗斯Arkticheskaya自升式钻井平台用于北极地区的油气钻探，最大钻井深度为6500m。目前，S690级高强钢在海上平台的应用日益广泛，但扩大该类钢板的应用仍需解决高强钢板焊缝处易开裂、耐腐蚀性能差等问题。如今，更高强度的钢板也被用于海上平台的建造。高强钢板主要采用调质工艺生产，钢板的屈服强度可达1100MPa，但由于焊接困难、腐蚀开裂问题，超高强度钢在海上建造中很少使用。

3）我国海洋平台装备用高强度钢。我国首座自主设计建造的3000米深水半潜式钻井平台“海洋石油981”所用钢材强度已达690MPa；北海油田海上自升式平台固定结构已使用500MPa以上，甚至750MPa的高强度钢。但我国海洋平台所用钢材强度不够、规格不齐全、耐腐蚀性能差、配套工艺不完善等问题，仍然限制着我国自主开发海洋资源的能力。

我国海洋平台主要使用屈服强度为355～460MPa的D、E、F级钢板，基本实现国产化。产品牌号主要有A、B、D、E、AH322FH32、AH362FH36、AH402FH40、API2H、Cr42、Cr50等。少数企业已能生产屈服强度690MPa的FH中厚板，并通过了9家船级社的认证。此外，还开发了690MPa级海洋平台齿条特厚板等高附加值品种。厚度在120mm以上时，在产品质量和性能稳定性、满足较大规格、抗腐蚀开裂、配套焊接等技术要求等方面存在问题。 海洋工程建设关键部位使用的高强度、厚规格、耐海洋腐蚀开裂钢板大部分仍需进口，特别是综合力学性能好、厚度大于120mm、屈服强度大于690MPa、高韧性、耐腐蚀、易焊接的海洋平台用钢基本依赖进口。耐海水腐蚀钢板、大线能量焊接钢板及其焊接热影响区强韧化技术开发相对滞后。因此，高强度、厚规格、耐腐蚀性能好的海洋平台用高强度钢的研发与应用是我国今后一个时期的主要研究方向之一。

2 海洋平台高强度钢标准概述

目前，海洋平台用钢的生产标准主要遵循En10225、API、BS7191、Norsok及船舶标准等，对海洋平台用钢的力学性能、设计、制造等都有明确的规定，但缺乏对耐腐蚀性能方面的规定。

2.1 美国

美国高强度海洋用钢标准比较齐全，ABS、API对平台钢设计、制造均有相应的规范，主要对高强度钢的力学性能有明确的规定，但对耐腐蚀性能的要求相对缺乏。高强度海洋平台钢主要生产标准有5个：API SPEC 2H海洋结构用碳锰钢板规范；API SPEC 2W热机械轧制海洋结构钢板规范；API SPEC 2Y海洋结构调质钢板；A514焊接结构用高屈服强度调质合金钢；A517压力容器用高强度调质合金钢板。主要性能要求见表3。

2.2 欧洲

欧洲对海洋平台用高强度钢的研发和应用比较完善，标准化程度处于领先地位。目前，全球海洋平台用钢四大通用标准中，有三项是欧洲标准，即EN10225、BS7191和Norsok。这些欧洲标准对海洋结构钢的种类和性能要求做出了明确的规定，成为世界各国生产海洋用高强度钢的主要依据，但对抗腐蚀性能没有做出明确的描述。

2.3 中国

早期，我国海洋平台用钢均按照中国船舶检验局颁发的《海洋固定平台入级与建造规范》的要求进行研制。随着国内对海洋用高强度钢研究应用的不断发展，生产能力和品种都有了很大的提高，但我国至今还没有专门的海洋平台用钢标准，对海洋工程用钢耐腐蚀性能的规范也很少。国家标准《船舶与海洋工程用结构钢》由原船体结构用钢修改而成，覆盖屈服强度690MPa及以下，覆盖150mm以下的海洋平台用钢，尚未正式发布；GB 19189压力容器用调质高强度钢板，厚度范围为10～60mm，不涵盖厚规格齿条钢；GB16270高强度结构用调质钢板，最大厚度为150mm。 目前，我国海洋工程用钢除船舶规范系列或移植自压力容器用钢外，均采用国外标准，主要采用的标准有En 10225、BS 7191，以及美国API海洋结构用钢规范。

由于我国缺乏针对海洋平台用钢的专门标准和耐腐蚀性能要求，国产高强度钢在海洋工程中的应用受到了一定限制。我国正在改善海洋平台用钢无专门国家标准的状况，但相关标准在细节和耐腐蚀性能要求方面还需加强。

3 海洋平台用高强度钢的发展趋势及耐腐蚀性能

海洋平台用高强度钢的发展趋势主要有强度高、规格厚、低温韧性高、加工工艺适应性强、抗层状撕裂性能好、有害成分减少等，而这些性能都与提高材料的耐腐蚀和腐蚀开裂性能密切相关，提高耐腐蚀和腐蚀开裂性能已成为海洋平台用高强度钢的重要发展趋势之一。

1）高强度。高强度一直是海洋平台用钢的发展方向。一方面，海洋平台用钢为了提高质量强比、节省成本，趋向于采用高强度钢；另一方面，提高钢材强度还可以减轻海洋平台质量、减少焊接、提高承载能力、降低成本。随着深海资源开发的力度加大，海洋平台用钢的强度将不断提高，但在强度提高的同时，应力腐蚀等腐蚀问题也日益增多，引起了人们的广泛关注。

2）厚规格。随着海洋平台建造向大型化发展，设备和质量不断增加，使得所用钢材的厚度逐渐增加。厚度为125～150mm甚至更厚的特厚板已得到广泛应用，但厚度的增加也使焊接变得困难，对材料的强度、低温韧性和抗腐蚀开裂性能产生很大影响。由于厚度的增加，焊接困难，导致焊缝及其热影响区容易产生应力腐蚀开裂。

3)高的低温韧性。随着海洋资源开发区域和深度的不断增加，环境更加复杂多变，对海洋平台钢的低温韧性提出了更高的要求。通过细化晶粒、添加适当的镍含量，可以满足或提高低温韧性，对减少腐蚀开裂有积极作用。

4）加工工艺的适应性。加工工艺的适应性对于海洋平台用高强度钢也尤为重要。加工要求为：不得出现表面损伤、细小裂纹等可能破坏钢板金属连续性而引起应力腐蚀开裂的缺陷；允许多次加工或返修，特别是焊接作业；热加工和冷加工对材料力学性能的影响低于允许值，这些要求可减少腐蚀开裂问题的发生。

5)抗层状撕裂性能好。为了适应海洋环境，保证工程安全，要求海洋平台钢具有良好的抗层状撕裂性能。良好的抗层状撕裂性能可以降低材料腐蚀、开裂的可能性。

6）有害成分控制。海洋平台钢中的P、S、N、H、O等有害元素对钢材的性能影响很大，应控制在150×10-6以内。若控制不当，易在晶界产生偏析，导致钢材的回火脆性增加；或在钢中形成非金属夹杂物，造成裂纹源，导致腐蚀开裂；增大轧制钢板性能的不均匀性。

7)耐腐蚀性能高。海洋平台钢长期在盐雾、潮湿、海水、干湿交替等复杂环境中服役，受到海水和海洋生物的腐蚀，漆膜易发生皂化、老化，导致结构腐蚀严重。Cl-易吸附在金属表面，引起阳极溶解、点蚀，甚至发展成为裂纹源，在氢的共同作用下，引起应力腐蚀开裂。这些问题降低了海洋平台钢的力学性能和使用寿命。由于海洋平台服役年限长，且距离海岸较远，随着开发深度的不断增加，定期检修维护十分困难，因此对海洋平台钢的耐腐蚀性能的要求不断提高。

海洋平台钢在不同海洋环境中的腐蚀机理和腐蚀速率差异较大，对耐腐蚀性能的要求也不同，不同位置使用钢材的腐蚀速率见表4。目前的研究主要围绕不同元素、组织对钢材耐腐蚀性能的影响，开发耐海水腐蚀钢；改进和发展海洋用高强度钢的腐蚀防护方法；加强应力腐蚀开裂的防护与研究；优化冶金、焊接等工艺，降低腐蚀开裂的可能性。目前常采用增加腐蚀裕量、涂层保护、阴极保护等方法来防止海水腐蚀。

4. 海洋平台高强钢焊接及腐蚀开裂问题

海洋平台结构是开发海洋资源的重要超大型焊接钢结构，对焊接要求极其苛刻，特别是厚钢板焊接接头的韧性及其抗腐蚀开裂性能受到广泛关注。由于海洋平台结构尺寸大、钢材强度高、厚度大、焊接位置多，容易出现气孔、未熔合、夹渣、微裂纹、残余应力等焊接缺陷，导致韧性降低，并发生腐蚀开裂等安全问题。因此要求海洋平台用钢具有优良的焊接性能和配套的加工工艺，并尽量减少焊后热处理，降低对应力腐蚀的敏感性。

目前，海洋平台用钢焊接接头的韧性多采用裂纹尖端张开位移（CTOD）断裂韧性试验来评定，该试验是评定钢焊接接头抗脆性断裂特性的重要参数，可评估海洋平台结构最敏感部位裂纹的形成和扩展情况，从而预测其使用寿命。目前使用的主要标准有BS7448和DNVOS-C401。

4.1焊接裂纹和腐蚀开裂问题

海洋平台用高强钢大部分碳含量很低，随着强度水平提高，合金元素含量逐渐增加，但焊接接头中合金元素会导致焊接硬化过度、碳当量增加、裂纹敏感性增加，使焊接困难，同时增加腐蚀开裂敏感性。兼顾钢材的高强度、焊接性和抗腐蚀开裂性成为海洋平台用高强钢的关键因素。焊缝区的约束应力状态、有害元素和氢的含量以及焊缝区的组织是高强钢焊接和腐蚀开裂形成和发展的主要因素。

海洋平台钢焊接时，由于其厚度较大，约束条件相对较大，且该类钢大多经过TMCP处理。氢在母材、热影响区、焊缝中的溶解度依次增大。氢极易在稍有缺陷的焊接接头上聚集，诱发氢致裂纹。海洋平台钢需采用降低C、S、Mn、P的方法来减少元素偏析，同时控制钙硫比，减少长条状硫化锰的生成，减少氢的形核，减少氢致裂纹。

4.2 焊接热影响区的韧性

焊接热影响区(HAZ)韧性的降低主要是由于高焊接线能量下HAZ晶粒的粗化。在Cl-环境下，晶粒粗化引起的韧性降低极易形成腐蚀开裂等裂纹。海洋平台用高强度钢常采用铌、钒作为合金元素进行微合金化，但铌、钒对HAZ韧性有损害，使得大热输入焊接时难以获得优良的焊接HAZ韧性。新日铁公司通过有效细化热影响区晶粒尺寸、降低碳当量、通过TiN、AlN固定氮等措施，提高了焊接热影响区的韧性和抗腐蚀开裂性能。

5 结论

随着我国乃至世界对海洋资源的不断勘探开发，高强度钢以其不可替代的优异性能必然成为世界各国重点研究的领域之一。耐腐蚀性能是制约海洋用高强度钢发展的重要因素之一，必然受到广泛关注。

目前，我国在海洋平台用高强度钢的研发和应用方面取得了长足的进步，但与欧美等发达国家和地区相比，海洋平台用高强度钢还存在强度低、厚度薄、规格不全、标准不完善、焊接性能差等缺点，特别是在耐腐蚀性能和腐蚀开裂性能方面的研究还不够深入，限制了我国开发海洋资源的能力。因此，研发和提高强度高、厚规格、焊接性能好，特别是耐腐蚀性能和耐腐蚀开裂性能好的海洋平台用高强度钢是我国今后一个时期的重点研究方向之一。