21 世纪中国船舶及海洋石油工业：高速增长，成就世界第一

进入21世纪，我国船舶制造及海洋石油工业进入新的快速增长时期，已成为我国国民经济发展的重要支柱，就船舶工业而言，根据英国克拉克森公司的研究数据，我国船舶完工量、新接订单量和手持订单量分别占世界市场份额的41.9%、48.5%和40.8%，均居世界第一，中国已成为世界船舶制造中心。

在海洋石油工业方面，“十一五”期间，我国累计投入海洋油气开发1200多亿元，建成海上油气田15个、平台76座、FPSO6座，铺设海底管线1400多公里，产量已达到5000万吨油当量。按照中海油的规划，“十二五”期间还将新建5000万吨油当量产能。预计“十二五”、“十三五”期间海洋石油工业投资将分别达到6700亿元，海洋工程装备总投资将达到2500亿至3000亿元。 目前，中国船厂可建造国际航运业所需的95%左右的船型，包括17.5万吨级散货船、30万吨级超大型油轮（VLCC）、30万吨级浮式生产储卸船（FPSO）、8530吨级大型油轮等。全国已建成9座30万吨级造船船坞，并正在规划50万吨级和100万吨级船坞。

船舶制造和海洋石油工业的快速发展，对船舶制造和海洋工程用钢提出了迫切需求。为满足高效船体建造的需求，对船板钢提出了100～500kJ/cm的高能量焊接要求，从而实现船板钢的一次焊接；为提高船体作业的安全性，延长钢材的使用寿命，对压载舱、货舱船板钢提出了耐腐蚀要求，提高了作业寿命，降低了维护成本；大型船体平台的建造需要大规格D40球扁钢，突破了传统钢材生产发展的限制；自升式海洋平台的桩腿部件需要127～210mm厚度的高强度特厚板，突破了中厚板生产厚度规格的限制；油气储运设备需要超低温钢材，最低使用温度可达-196℃，服役环境极其恶劣。 在此基础上，根据液化天然气（LNG）、液化石油气（LPG）、液化乙烯气（LEG）等低温油气不同的使用温度要求，开发了质量分数为9%、5%、3%、5%Ni系列低温钢。总之，高强度、高韧性、易焊接、耐腐蚀性能好、大厚度、大规格是船舶及海洋工程用钢的发展方向。

但我国与世界先进船舶及海洋工程装备设计制造技术还存在较大差距，我国船舶建造的船舶中，60%～70%以技术含量较低的散货船为主，主要业务是提供技术含量较高的钻井船、液化天然气船等，项目数量较少。在海洋工程装备领域，国外深水钻井最大水深已达3095m，我国为1480m；国外已开发油气田最大水深为2743m，我国为300m，自主研制的装备采油能力不超过200m水深，落后国外近10年。南海水深为500～2000m，我国目前尚不具备在此海域进行油气勘探开发的装备和技术。 必须发展一系列高新技术和产品作为支撑，发展一系列船舶及海洋工程用优质钢材是其中的重要内容，将推动我国船舶工业和海洋石油工业的发展，为保障我国能源、交通等产业的安全奠定良好的基础。

1 船舶及海洋工程用钢研究进展

钢材是船舶制造与海洋工程结构建造的主要原材料，约占船体及海洋工程建造成本的20%~30%，涉及的钢材品种主要有钢板、型钢（船用球扁钢、H型钢、角钢等）、铸钢、锻钢及配套焊接材料等。船体建造所消耗的钢材约占船舶总质量的60%，其中板材约占88%。

高强度、高韧性是船舶与海洋工程用钢的基本要求，早期大型船舶结构多采用235MPa以下的钢板，随着船舶结构安全要求的不断提高，船用钢板强度逐步提高，由235MPa到315MPa、355MPa逐步提升，钢材质量等级也由A级提高到E级甚至F级。到了20世纪90年代，随着船舶大型化、轻型化、快速化的要求，日本、欧洲率先开发了屈服强度为390MPa的TMCP高强度船板（YP40K），主要用于船体受力比较大的侧缘顶板、坚固甲板等部位。船体钢板已成为主导，采用TMCP工艺生产的船体钢强度水平已达550MPa以上，在海洋平台等大型海洋结构物上得到广泛应用。 海洋工程中自升式钻井平台的桩腿结构如齿条板、半圆板、无缝支撑管等，均需采用屈服强度超过690MPa的高强度低合金钢，对低温冲击韧性的要求也极高，即使在正常工作条件下也要求低温冲击性能达到-40℃（E级），在寒区或极寒条件下则要达到-60℃（F级）甚至-80℃。油气储存用钢低温冲击性能要求更为严格，如用于储存LNG的9Ni钢要求在-196℃时低温冲击功达到100J以上，用于储存和运输EG的5Ni钢也要求冲击功达到-120℃。

焊接性也是船体结构钢的关键问题之一。20世纪30年代以前，船体结构多采用铆接或螺栓连接。第二次世界大战前后，焊接技术开始广泛应用于船体结构。对钢板热影响区(HAZ)的要求也随之提出。焊接时钢板热影响区(HAZ)要经受高温热循环，易造成钢板HAZ组织粗化，显著降低HAZ韧性。近年来，为降低建造成本，提高造船生产率，船厂强烈要求采用高能线焊接，国外广泛采用100～500kJ/cm高能线焊接。为此，各国开发了一系列高能线焊接船体钢。 如日本80年代初开发的YP335钢，90年代中期开发的YP390钢，以及目前正在开发的YP460钢等。

近年来，船舶与海洋工程结构物的耐腐蚀性能越来越受到人们的重视，近年来，国际海事组织（IMO）相继通过了《压载舱保护涂层标准》（PSPC）和《货油舱耐腐蚀钢性能标准》（MSC87），使相关的研究工作更加紧迫。在压载舱环境中，船板钢要经受高温、高湿及Cl-腐蚀，特别是在潮差范围内的压载舱会发生严重的局部腐蚀。JFE钢铁公司开发了一种新型高耐腐蚀压载舱钢“JFE-SIP-BT”，可抑制船舶压载舱上涂膜劣化元素提高基于腐蚀产物的钢材防护性能，可将涂层膨胀、剥落等劣化速度减缓至原钢的一半左右。 新日铁等通过提高钢材纯度、添加Ni、Cu、W、Mo等耐蚀合金元素，开发出货油舱用D36耐蚀钢，使船体结构使用寿命由15年提高到25年。2005年开发的货油舱耐蚀钢的腐蚀速度约为传统钢材的1/4。

厚度规格也是船体用钢技术水平的重要指标之一，虽然一般船体结构对船体钢板的最大厚度要求为40mm，但中国新船体用钢标准GB712-2011已将规格上限扩大到150mm。船体用钢主要用于海洋平台等大型海洋结构物，自升式钻井平台桩腿所用的齿条板厚度一般在100mm以上，目前主力机型JU2000齿条板一般采用178mm厚钢板。

厚规格船板、平台钢的重要性能指标之一是抗层状撕裂性能，由于轧制变形小，且受钢锭偏析的影响，厚板的Z向(厚度方向)性能一般明显偏低。GB5313-2010规定了有厚度方向性能要求的钢板，其中最高等级Z35钢要求截面收缩率在35%以上，大型船体结构不仅对钢板要求更厚的规格，而且对造船用钢也提出了厚规格的要求，30万吨级大型船舶的舭龙骨要求采用43号大规格D40球扁钢，腹板最大厚度可达20mm，是目前开发的钢材中强韧性要求最高、截面尺寸最大的钢材。型材一般采用道次轧制生产。 由于单道次变形量小、终轧温度高、轧后不能实现快速冷却，大尺寸高强度型钢的生产技术难度比钢板大。

造船用钢板应具有良好的止裂特性。近年来，散货船损毁事故和超大型原油船（VLCC）搁浅事故不断增多。除了设计上的改进外，在造船用钢方面，要求船舶的耐碰撞性能。当造船过程中发生较大的塑性变形（10%）时，造船用钢板必须具有良好的止裂特性，以抵抗脆性裂纹的扩展。TMCP工艺可以生产出表面具有超细晶粒组织、厚度方向性能均匀的钢板，具有良好的阻止脆性裂纹扩展的能力。该类船板钢已成功用于液化石油气（LPG）船和散货船中受剪应力最大的部位。随着造船业的发展，船舶对止裂钢板的需求量会越来越多。

2.船舶及海洋工程用高品质钢材开发

2.1船板钢高能量线焊接

利用“氧化物冶金”技术理念开展大热输入焊接用钢研发，研究了Ti处理、Zr处理、Ti-Mg复合处理、Ti-Zr复合处理对船体钢大热输入焊接性的影响。对试验钢进行20~200 kJ/cm焊接热模拟试验，焊接热模拟最高加热峰温度为1350 ℃。结果表明，经Ti-Mg、Ti-Zr复合处理后，钢中获得了大量的细小复合夹杂物，Ti氧化物颗粒(图1)直径约为1~2μm。 对比各种脱氧处理条件下热影响区低温韧性可看出(图2)，焊接后未经任何处理的普通C-Mn钢热影响区整体低温韧性水平较低，且当线能量E大于50kJ/cm时，低温韧性明显降低，仅为10J左右。不同合金经脱氧处理后，模拟焊接粗晶区低温韧性均有明显改善。其中，经Ti-Mg处理(低Mg)后的粗晶区低温韧性水平最高，各种线能量下低温冲击值均在300J以上，且对线能量的变化不敏感。 从图3可以看出，Al处理钢主要获得大量平行排列的侧板状铁素体组织，而Ti-Mg复合处理钢主要获得大量交错排列的晶内铁素体组织。利用复合脱氧处理方法，我们在大规模工业生产条件下开发了100~240kJ/cm高能焊接钢，最大钢板厚度可达80mm。

2.2 油船货油舱耐腐蚀钢

深入分析了船板钢在货油舱上甲板及内底板环境中的腐蚀行为，研究了提高船板钢耐腐蚀性能的不同技术思路。通过设计不同的耐腐蚀合金，研究了各类合金元素对船板钢在货油舱腐蚀环境中耐腐蚀性能的影响。图4是三种不同合金元素对腐蚀速率的影响。从研究结果可以看出，在内底板腐蚀环境中，微量合金元素对船板腐蚀速率影响很大，对钢的耐腐蚀性能有显著影响。加入0.1%以上的B、C类耐腐蚀合金元素，可以明显降低腐蚀速率为原来的1/4~1/3。 观察腐蚀后形貌（图5）可以看出，在IMO货舱底板腐蚀环境中，传统钢材表面主要形成大量大而深的腐蚀坑，而研制的耐腐蚀钢表面仅出现少量小而浅的腐蚀坑，点蚀坑深度/直径比明显减小。基于以上结果研制的工业用钢（NSD32和NSD36）内底板腐蚀速率均低于标准腐蚀速率要求1mm/a（图6），其中NSD36钢的腐蚀速率可达到0.38mm/a的超低水平，约为传统钢材的1/13。

2.3 船舶用大尺寸球扁钢

综合利用新型钒氮微合金化设计+钒碳氮化物控制沉淀轧制工艺（PCRP），通过集成创新开发了高韧性大尺寸船舶球扁钢品种技术。钒促进铁素体在晶粒内形核（图7），显著细化最终铁素体晶粒尺寸，达到​​明显的细晶强化效果。沉淀强化效果使钢材强度明显提高。利用上述技术思路，在传统槽型轧制条件下，可开发出屈服强度为355、390、440MPa级的系列高韧性船用球扁钢品种。D40极限规格43号（边长430mm、腹板厚度20mm）热轧船舶球扁钢屈服强度高于410MPa，-40℃冲击功达到200J（图8）。 高强韧大尺寸船用球扁钢的开发，解决了船用高强韧球扁钢生产的技术难题，满足了我国造船的需要。

2.4 海洋平台用特厚齿条钢

随着海洋石油工业的深入发展和钻井生产难度的不断加大，对自升式钻井平台用齿条钢提出了大厚度、高强度、高韧性的要求。该类产品一般采用回火热处理状态。但随着齿条钢厚度的增加，截面厚度方向的组织和性能差异增大，提高特厚齿条钢的淬硬性成为该类产品开发的难点。结果表明，微量B+固溶N元素的复合处理，在获得良好强韧性的同时，可显著提高齿条钢的淬硬性(图9(a))。采用少量Ti处理或略过量的Al处理，微量B的固溶比例可达50%以上(图9(b))，且富集于奥氏体晶界，有效延缓了高温相变，显著提高了齿条钢的淬硬性。

采用上述合金优化思路，工业生产获得了截面淬硬组织均匀、力学性能良好的特厚齿条钢。对于厚度为152mm的齿条钢，即使在钢板心部，淬火冷却速度仅为1℃/s，通过上述合金设计和工艺组合，也能获得以马氏体+下贝氏体为主的组织（图10）。基于此思路开发的齿条钢与国内外先进技术相比，具有较高的韧性水平（图11）。

2.5 9Ni低温钢

随着LNG工业的快速发展，9Ni低温钢的研究开发持续升温，LNG的储存温度为-163℃，要求LNG储罐内壁采用9Ni钢，具有强度高、低温韧性好、变形小等特点。研究发现，采用QLT热处理（在QT淬火回火过程中增加两相区淬火）可以在强度略有下降的情况下明显提高9Ni钢的低温韧性，大大拓展了9Ni钢的热处理工艺窗口，从而提高了9Ni钢的性能稳定性（图12）。

进一步研究表明，9Ni钢良好的低温韧性与其中一定量的逆相变奥氏体形成密切相关（图13），9Ni钢中约有5%～15%的具有较高热稳定性的逆相变奥氏体形成。奥氏体可以强韧马氏体基体，在载荷变形时吸收能量，提高相变诱发塑性的能力。在一定范围内，9Ni钢的逆相变奥氏体含量越高，低温韧性越好。

9Ni钢中逆转奥氏体的形成与稳定与C、Ni、Mn等奥氏体稳定元素的显著富集密切相关（图14），理论计算与实验结果表明，采用适当的工艺，9Ni钢中C、Ni、Mn的质量分数分别可达0.5%、25%和2%，使得热处理过程中形成的奥氏体即使冷却到液氮温度也能在室温下保持稳定。奥氏体逆转变控制技术也是改善和增强9Ni钢低温断裂韧性特别是裂纹止裂韧性的关键工艺技术之一。

3 结论

高技术船舶与海洋工程国产化，是在高端材料和技术严重依赖进口的背景下实现的，要实现我国成为世界船舶强国的战略目标，还有大量关键技术需要突破，其中最核心的问题之一，就是船舶与海洋工程用高品质钢材的研发与推广。

船舶及海洋石油工业的快速发展，对船舶及海洋工程用钢提出了高强度、高韧性、高线能量焊接、耐腐蚀等要求，以及大厚度、大尺寸规格的要求。开发了Ti复合加工技术，开发了适用于100～200kJ/cm高能量线焊接的船体用钢，在200kJ/cm高能量线焊接时，-20℃热影响区粗晶区冲击功高达3​​50J。通过超纯净冶炼和添加合金元素增加耐腐蚀性能，开发了NS-D32、NS-D36船板钢，在底板环境中的腐蚀速度仅为传统钢材的1/13。采用+钒碳氮化物控制沉淀轧制工艺，开发了性能优异的43规格D40球扁钢。 此外，齿条钢由过去的100mm、127mm发展到主要船型的178mm，210mm齿条钢的使用量也逐步增加，部分工况最大厚度已达259mm，服役条件更加苛刻，强韧性匹配要求更高，油气储运设备的大型化趋势也使用户更加重视Ni基低温钢安全裕度的考核。20万m3、25万m3巨型LNG储罐的设计、建造推动了超级9Ni钢的发展，通过研发，产品厚度达到50mm以上，在保持强度水平的同时，-196℃冲击功由150~220J提高到250J以上，-163℃CTOD值达到0.3mm以上。