船舶与海洋工程用钢：突破与挑战并存，高级别特种钢材仍依赖进口

中国船级社, 北京 100007

0 简介

21世纪是海洋的世纪，我国海洋工程与船舶工业取得了突破性进展，产业规模大幅提升，产品质量得到多方认可，在国际上占据了重要地位。随着船舶与海洋工程的快速发展，作为船舶与海洋工程主要结构物的钢材研发水平和生产能力也在不断提高。但船舶与海洋工程结构物的操作环境一般比较恶劣，在服役过程中会受到海水、海泥、海洋大气等侵蚀，不同地区的腐蚀特点也有较大差异。因此，船舶与海洋工程用钢应具有较高的综合性能，如优良的塑性、冲击韧性、焊接性和耐腐蚀性[1]。

目前，我国船舶与海洋工程用钢已能满足国内大部分市场需求，但部分高等级特钢仍依赖进口，主要为高强度、抗层状撕裂、大热输入焊接、超低温韧性、高止裂等性能钢板。其生产工艺十分严格，对设备要求高，开发难度大[2]。因此，亟待开发一系列高品质船舶与海洋工程用钢，进一步促进我国船舶与海洋工程产业的发展。

本文从船舶与海洋工程用钢基本性能要求出发，分析了典型海洋环境用钢研发现状，指出了我国在耐海水腐蚀用钢、大热输入焊接用钢方面与国外的差距，提出了我国发展新型船舶用钢的建议。

1 船舶与海洋工程用钢的基本要求

1.1 高强度、高韧性

高强度、高韧性是船舶与海洋工程用钢的基本要求。随着交通运输、勘探等行业对船体与海洋工程结构物安全性要求的不断提高，船舶与海洋工程用钢板的强度和质量等级也在逐步提高。20世纪90年代以来，日本、欧洲率先开发出屈服强度为390MPa级的热机械控制工艺（TMCP）高强度船板（YP40K）[3]，主要用于应力较大的船体侧缘顶板、坚强甲板等部位。在大型散货船、集装箱船中，390MPa级高强度钢已成为主导。在海洋平台等大型海洋结构物中广泛应用的TMCP工艺船体钢强度水平已达到550MPa以上。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，均需要采用屈服强度超过690MPa的高强度低合金钢。这些结构对材料的低温冲击韧性也有很高的要求，一般要求有-40℃的低温冲击性能，而在寒冷或极冷条件下则要求有-60℃甚至-80℃的低温冲击性能。有些用于低温油气储存使用的钢材，对低温冲击性能的要求更为严格，如用于储存LNG的9Ni钢，要求-196℃时的低温冲击功达到100J以上，用于储存和运输EG的5Ni钢也要求冲击功达到-120℃[4]。可见，高强度和高韧性是船舶和海洋工程用钢的两个必备特性。

1.2 耐腐蚀性能优良

由于海洋腐蚀破坏性强、造成的损失大，船舶与海洋工程结构的耐腐蚀性能越来越受到重视。国际海事组织相继通过了压载舱涂层防护和货油舱耐腐蚀用钢的性能标准，使得相应船舶用钢的开发研究愈加迫切。在压载舱环境中，船板钢在高温、高湿及CL-的协同作用下，特别是在压载舱潮差范围内，常常发生严重的局部腐蚀。JFE钢铁公司开发了“JFE-SIP-BT”钢，该钢可抑制船舶压载舱涂层的劣化，提高腐蚀产物对钢基体的防护性能。新日铁等开发的货油舱耐腐蚀钢通过添加耐腐蚀合金元素，显著降低腐蚀速度，从而提高其使用寿命[5]。

1.3 高热输入条件下的可焊性

钢材的焊接性是保证船体及海洋工程结构物整体质量和安全的关键。近年来，随着结构钢厚度规格的不断提高，对焊接工艺和焊接技术提出了更高的要求，以满足用户提高制造效率、降低生产成本的需求。因此，增加热输入的焊接技术和开发适用于大热输入焊接的钢种已成为国内外关注的热门技术问题[6]。

2 原油船用耐腐蚀钢

油船作为一种特殊船型，是海水环境下服役工况的代表。然而由于海上原油泄漏事件频发，造成严重的环境污染和安全隐患，海上原油船货油舱的耐腐蚀性能受到越来越多的关注。低合金耐腐蚀钢以其优异的环境友好性和较低的维护成本成为货油船用钢的研究热点[5]。2010年，国际海事协会（IMO）将低合金耐腐蚀钢确定为现行防腐涂层体系的唯一有效替代品。随后，中国船级社于2013年发布了《原油船货油舱耐腐蚀钢检验指南》，明确指出耐腐蚀钢可作为原油船防腐涂层的替代措施，使货油舱的耐腐蚀性能满足目标使用寿命要求。

日本自1999年开始原油船货油舱用耐腐蚀钢的研究，通过协会、钢厂、船厂、航运公司等机构联合合作机制，开展船用耐腐蚀钢的研发、生产和应用。其研究表明，钢中添加W、Cr对致密锈层的形成有明显的促进作用，可提高钢材的抗点蚀和均匀腐蚀性能。一定量的Mo、Sb等合金元素可进一步提高钢材的耐腐蚀性能。新日铁、JFE、住友金属、神户制钢等钢铁公司相继开发出货油舱用低合金耐腐蚀钢材，其耐腐蚀性能有明显提高，一般可达普通船板钢的4～7倍(见表1)。

相对而言，我国对货油船耐腐蚀钢的研究工作起步较晚，自2008年起，鞍钢、宝钢、首钢、武钢、南京钢铁研究院等单位就开始了原油船货油船用低合金耐腐蚀钢产品的研发。经过多年的研究探索，我国在原油船货油船耐腐蚀钢领域取得了重大进展。通过实际船舶跟踪和实验室研究，基本掌握了钢材在货油舱环境中的腐蚀行为和腐蚀机理。在此基础上，国内多家钢厂已成功开发出原油船货油船耐腐蚀钢，各项性能指标均满足IMO标准的要求，为进一步的实际船舶应用做好了准备。

表1 原油船货油舱耐腐蚀钢材

2.1 货油舱腐蚀环境及腐蚀特点

大量研究成果指出，原油船货油舱上甲板与下底板的腐蚀环境和腐蚀特性存在明显差异。货油舱内有原油挥发出来的H2S腐蚀气体，在昼夜温度交变条件下，上甲板内表面始终处于干湿交替的环境中，因结露而形成水膜，舱体内腐蚀气体溶解于水膜中引起上甲板的腐蚀，属于均匀腐蚀。为了保护上甲板，货油舱内通常充入由O2、CO2、SO2和N2组成的惰性气体。下底板表面覆盖一层油膜，通常对下底板起到一定的保护作用。但由于受高盐度海水的作用，下底板处于强酸性环境(pH值低至0.85)，加之洗舱过程中局部油膜会被破坏，因此下底板表面的腐蚀主要以点腐蚀为主。

2.2我国货油舱耐腐蚀钢发展研究现状

针对油船货油舱上甲板和下底板的腐蚀特点，多家钢铁公司和高校开展了货油舱耐腐蚀钢的研究。研究结果表明[7-9]，在钢中添加适量的Cu元素，能有效提高钢材的耐腐蚀性能，这是因为Cu元素在钢材表面富集，通过抑制阳极溶解过程，降低了钢材的腐蚀速度，提高了其在酸性Cl-环境中的耐腐蚀性能；当Cu元素添加量为0.5wt%时，低合金钢在腐蚀介质中生成的腐蚀产物中含有一层Cu元素富集层，这层腐蚀产物层对钢材基体提供了有效的保护，抑制了其进一步腐蚀。郝学辉等[10]研究发现，在Cu元素添加量为0.5wt%时，低合金钢在腐蚀介质中生成的腐蚀产物中含有一层Cu元素富集层，这层腐蚀产物层对钢材基体提供了有效的保护，抑制了其进一步腐蚀。 [9]研究了Cu元素对下部底板耐蚀钢表面微观电偶腐蚀行为的影响，发现Cu以元素形式弥散分布于试样表面，能够同时降低铁素体表面的阳极溶解速度和渗碳体表面的氢还原速度，从而降低钢材表面铁素体晶粒与残余渗碳体之间的电偶效应。可见，适量加入Cu元素有利于提高低合金耐蚀钢在底板环境中的耐蚀性能。此外，Mo元素可以通过细化组织、促进锈层中Cu的富集，改善钢板在货油舱底板环境中的腐蚀均匀性，抑制局部腐蚀，提高底板耐蚀钢的耐蚀性能；但需要注意的是，当Mo含量超过0.1wt%时，组织过于细化，由于整体表面反应自由能的降低，导致耐蚀性能降低[10]。梁金明等[11]的研究结果表明，Cr元素对上甲板和下底板腐蚀行为的影响不同。在货油舱底板环境中，当Cr含量为1%～3%时，随着Cr含量的增加，点蚀倾向逐渐增大，腐蚀速率也增大；但在上甲板环境中，由于Cr元素可以降低钢材中大角度晶界的含量，且在腐蚀产物中有一定的富集作用，因此可以提高其耐腐蚀性能。

综上所述可见，在低合金钢中添加适量的Cu、Cr、Mo元素，可以提高货油舱耐蚀钢的耐蚀性；同时，提高夹杂物控制水平和焊缝质量，也能有效提高货油舱耐蚀钢的耐蚀性[12-13]。

杨建伟等 [14] 研发了可同时满足货油舱上甲板和下底板要求的D36-RCW耐腐蚀钢及配套焊接材料。D36-RCW耐腐蚀钢在满足力学性能和焊接性能要求的基础上，具有优异的耐腐蚀性能，在25年上甲板腐蚀环境中外推腐蚀损失小于2 mm，下底板腐蚀环境中腐蚀速率约为0.3 mm/a，满足IMO对货油舱低合金耐腐蚀钢的综合性能要求。

3 大热输入焊接用钢

为降低制造成本、提高施工效率，结构钢加工企业普遍采用大热输入焊接方法。目前，大热输入焊接已广泛应用于船舶、海洋工程结构、桥梁等领域。一般将焊接热输入大于50kJ/cm的焊接方法称为大热输入焊接。大热输入焊接具有一次焊完、成本低、效率高的优点。与普通热输入焊接方法相比，大热输入焊接时热影响区温度会升至1400℃并长时间保温，导致热影响区组织粗化、奥氏体晶粒尺寸明显增大。在随后的相变过程中，易形成上贝氏体等脆性组织，侧板带钢铁素体由奥氏体晶界向晶粒内生长，严重影响粗晶热影响区的韧性，易产生焊接冷裂纹等缺陷。因此，开发满足大热输入焊接的钢是国内外研究的热点[15]。

自20世纪70年代以来，日本、韩国等数家钢铁公司相继成功开发出适用于大热输入焊接的钢种，并在船板、海洋工程用钢方面取得了重大进展，见表2。船板钢的热输入可达350～680kj/cm，而海洋工程用钢的热输入较低，约为200kj/cm。相比较而言，我国在大热输入焊接钢的开发研究方面起步较晚，目前鞍钢已能生产热输入为100kj/cm的船板。

表2 日韩钢厂大热输入焊接钢的发展

3.1 提高大热输入焊接热影响区韧性的方法

目前主要采用以下三种方法来提高大热输入焊接热影响区的韧性，使其满足性能的要求。

（1）采用TMCP工艺

传统的钢板生产工艺为热轧，其强化机制以固溶强化为主，因此需要提高碳等合金元素的含量。与传统热轧工艺相比，TMCP工艺可通过细化晶粒提高钢板的强度和韧性，降低韧脆转变温度，使钢板的碳当量降至0.40%以下，改善钢板的焊接性[16]。细晶强化机制在TMCP工艺中起着重要作用。因此在成分设计时，可在满足钢板所需强度的条件下降低钢板的碳当量，从而在一定程度上抑制侧板铁素体等脆性相的形成，提高焊缝热影响区的韧性。但单纯采用TMCP工艺只能在一定程度上缓解热影响区的脆性，还需要采取其他技术控制措施来满足更大的热输入要求。

(2) 第二相粒子钉扎机制

奥氏体晶粒的剧烈长大是影响奥氏体韧性的主要原因之一，第二相粒子在晶界上的钉扎作用可以有效控制加热和冷却过程中奥氏体晶粒的尺寸，从而提高其韧性[17]。通过微Ti处理以及Nb、Ti复合处理等方法，可以在钢中形成细小、弥散的TiN或复合析出的(Ti，Nb)N粒子，对高温奥氏体晶界的迁移起到拖拽和钉扎作用，从而抑制奥氏体晶粒的剧烈长大，保证钢在一定的大热输入下焊接后具有足够的韧性。

（3）控制热影响区的组织转变

焊接热影响区晶内针状铁素体板条间的“互锁”作用，能有效细化奥氏体晶粒，提高热影响区韧性。晶内针状铁素体是在奥氏体晶体内非金属夹杂物上形核、生长的中温转变产物。晶内针状铁素体一般以Ti2O3复合夹杂物为形核核心，Ti系夹杂物作为形核核心形成晶内针状铁素体的能力为：TiN-MnS<TiN-MnS-Fe2O3(CB)6<Ti2O3-TiN-MnS。此外，晶内针状铁素体也可以Mg、Ca氧化物为形核核心而形核。目前，利用钢中细小颗粒促进晶内针状铁素体的形成，从而提高热影响区韧性，已成为氧化物冶金学的重要研究领域[18]。

3.2我国大热输入焊接钢的发展及研究现状

杨才富等[19]的研究结果表明，Ti-Mg复合处理通过促进晶内针状铁素体的形核，可有效减小钢中氧化物颗粒尺寸，提高焊接热影响区塑性。在热输入为100～200 kJ/cm条件下，粗晶热影响区组织以针状铁素体为主，-20 ℃冲击功达到350J。余蕾等[20]研究了大热输入条件下Al元素对低合金高强钢粗晶热影响区MA组元及冲击韧度的影响，结果表明，Al元素可以降低MA组元含量，稳定MA组元内部残余奥氏体，降低MA组元中马氏体含量，从而明显提高试样冲击韧度。石明浩等[21]研究了Al元素对低合金高强钢粗晶热影响区MA组元及冲击韧度的影响。 [21] 研究了合金元素Zr对焊接粗晶热影响区晶内针状铁素体的形成过程、组织及韧性的影响。结果表明：以Ti、Zr氧化物为核心的复合夹杂物可以诱导晶内针状铁素体的形核，且其数量随小尺寸氧化物夹杂物数量和面积分数的增加而增加。由于这些针状铁素体的存在，即使在800 kJ/cm的热输入条件下，焊缝热影响区也能获得良好的冲击韧性。张鹏燕等[22]也对超大热输入焊接EH40钢的模拟熔合线组织与性能进行了室内研究，通过分析含Ti夹杂物对晶内组织的影响，探索出一条提高大热输入焊接热影响区韧性的有效途径。当钢中夹杂物密度较大且以含TiN-MnS和TiOx-MnS的复合夹杂物为主时，对晶内针状铁素体有良好的形核能力，晶内组织得到细化，有效提高抗裂纹扩展能力。

沙钢通过优化炼钢、轧制工艺，试制了40mm厚大热输入焊接钢板Q390E，并对轧制后的钢板进行了热输入370kJ/cm的电渣焊试验。通过对钢板及其焊接接头的组织和性能测试，评价了钢板性能和焊接性。结果表明，钢板电渣焊接接头力学性能满足要求。

4.对我国船舶及海洋工程用新型钢材发展的几点建议

4.1 问题与差距

我国海洋建筑用钢及耐腐蚀用钢需求量为60万吨/年，虽然我国钢铁企业目前已能生产多种规格、品种的船舶及海洋工程用钢，但与世界先进钢铁企业相比仍有差距，高端、大规格新材料主要依赖进口，自给率不足15%，主要体现在以下几个方面：

（1）新产品开发创新性和前瞻性不足。从日本开发耐腐蚀钢和推广止裂钢的过程可以看出，他们经常走访船东、船舶公司等用户，了解他们对新产品的需求，根据用户的要求，由科研院所、船级社、协会等有关机构参与，形成联合研发体制。这样，用户就有很大的积极性配合钢铁企业进行新产品的开发、使用和推广。而我国钢铁企业则满足于形成产品的规模化生产和良好的效益，对新产品首先关心的是能生产多少、能获得多少效益，缺乏创新性和前瞻性。一个企业研发能力的高低，关系到它未来的发展前景和动力。尤其在目前钢铁行业景气度不高的形势下，正是打好基础、加强新产品研发的好时机。

（2）知识产权保护意识淡薄。国外钢铁强国一旦决定开发新产品，都会提前在其他国家申请专利，以保护自己的知识产权。新产品开发成功后，立即在有关国际组织申请专利并提出标准草案，以达到引领新产品的目的。同时也可能对其他国家形成贸易壁垒。例如，日本提出原油船用耐腐蚀钢后，在中国等国家申请专利，在耐腐蚀钢标准的制定中发挥主导作用，对耐腐蚀钢关键技术严格保密。而我们对专利和标准作用的认识却远远落后于这些国家。

（3）产品结构处于低端水平。虽然我国能够生产大部分船舶及海洋工程用钢，但在产品综合性能、产品经济性、产品质量的均匀性与稳定性、表面质量等方面与国外先进钢铁企业还存在一定差距。

（4）海洋材料体系不健全。据统计，每年因海洋腐蚀造成的损失在1.6亿元以上。我国虽然也开展了一系列耐海水腐蚀钢试验，但尚无明确的海洋材料体系。各研究机构基本模仿美国、法国、日本的耐腐蚀钢成分体系，没有形成统一的认识。材料数据相对封闭孤立，缺乏系统的材料数据库和共享平台。系统的海洋材料服役性能评价体系和海洋材料腐蚀防护理论体系尚未建立，不能为标准的制定提供支撑，严重制约海洋材料的推广应用，缺乏完整的海洋产业链。

4.2 对策建议

与国外先进技术相比，我国船舶与海洋工程用钢开发应用最大的差距还是观念上的落后，这需要调整思路、转变观念。从用户需求出发，走产学研用相结合的联合研发之路，即由设计研发机构、生产制造机构、产品应用单位等参与的联合研发机制。对开发的新产品，制定产品的国际标准，形成自己的知识产权，在船舶与海洋工程新产品开发应用方面发挥引领作用，把我国打造成为世界钢铁强国。

参考

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19 杨才富, 柴峰, 苏航. 船体钢大能量输入焊接研究[J]. 上海金属, 2010, 32(1):1.

20 Yu Lei，Wang Honghong，Wang Xinglong。

21 Shi Minghao，Duan Zhengtao，Zhang Pengyan等。

22 Zhang Pengyan，Gao Cairu，Zhu Fuxian。