海洋工程用钢品种开发(杨才福)

1、船舶海洋工程用钢的发展船舶海洋工程用钢的发展杨才福杨才福钢铁研究总院钢铁研究总院先进钢铁材料技术国家工程研究中心先进钢铁材料技术国家工程研究中心海洋工程用钢产业技术创新战略联盟海洋工程用钢产业技术创新战略联盟内容提要内容提要1. 船舶海洋工程用钢发展需求船舶海洋工程用钢发展需求2. 关键品种技术的研究开发工作关键品种技术的研究开发工作 大线能量焊接用钢大线能量焊接用钢 耐腐蚀油船用钢耐腐蚀油船用钢 止裂船板止裂船板 低温用钢低温用钢3. “十三五十三五”规划规划中国海洋经济的发展 国家战略：国家战略： 2012-9-16:国务院全国海洋经济发展“十二五”规划 中国制造中国制造2025：十大领域

2、：十大领域 航空航天、海洋工程海洋工程、轨道交通“走向深蓝走向深蓝”的的海海洋经济洋经济是我国经济是我国经济的的“蓝色引擎蓝色引擎”南海是南海是“海上海上丝绸之路丝绸之路”战战略的重点略的重点中国造船业的发展中国造船业的发展2014年指标数量万吨份额%完工量 3905 41.7新接订单5995 50.5手持订单14890 47.1中国造船用钢发展中国造船用钢发展1. 产能迅速扩展，满足船舶行业发展需求，产能过剩产能过剩2. 品种规格系列配套 品种、规格系列化 高强度船板如36、40公斤级大量应用3. 品种、质量差距 表面质量、尺寸工差 特种船舶（LNG、化学品） 新标准规范的要求（耐蚀油轮钢、

3、集装箱止裂板） 焊接性差距大海工用钢技术现状l 国内外对比：国内外对比： 我国海工用特种钢品种的国产化率不到我国海工用特种钢品种的国产化率不到40%，390-690MPa级高强度关键品种主要依赖进口。级高强度关键品种主要依赖进口。材料类型材料类型国外水平国外水平国内现状国内现状高强厚板F420-890，厚10-256mm，易焊接E36-690，10-127mm，E420以上基本进口高强支撑管X100等级，最大壁厚80mmX80等级，最大壁厚30mm，X100全部进口深海管线X80等级，最大壁厚44mmX70，最大壁厚32mm，高强空白深海隔水管X80等级，高抗疲劳空白，全部进口海洋工程用海洋工

4、程用钢需求、差距与问题钢需求、差距与问题序号类型名称钢材用量（吨）典型材料备注1固定式平台浅水导管架平台(F-P)3000E36强度低、焊接施强度低、焊接施工效率差工效率差2深水导管架平台(BSP)3000-35000E364移动式平台自升式平台(Jack-Up)4000E/F550高强度、大厚度高强度、大厚度依赖进口依赖进口9500E/F69011000E/F6905半潜式平台（Semi）30000E36工作海深工作海深差距大6张力腿平台（TLP）国内空白国内空白7柱筒式平台（Spar）国内很少国内很少9浮式生产储油船（FPSO）50000E36强度升级10油气船储运船超大型油轮（VLCC）

5、40000D32耐腐蚀船舶耐腐蚀船舶11液化天然气船（LNG）30000E369Ni、InVar进口进口12化学品船1000-20000E36、2205双相不锈钢海洋工程用钢技术特点海洋工程用钢技术特点 高高强强度、度、大大规格规格 （256mm厚钢板）厚钢板） 易易焊焊接、高效率接、高效率 （大线能量焊接）（大线能量焊接） 高耐高耐蚀蚀、低成本、低成本 （耐海洋腐蚀）（耐海洋腐蚀）弦板弦板齿条板齿条板支撑管支撑管产品典型规格 (mm)屈服强度 (MPa)每平台需求量 (吨)生产现状齿条钢127, 150, 180, 210,2596901000-2000150mm以上全面进口弦板25,50,

6、85690300-1000全面进口支撑管(273406)X(1760)550 690700-1500690MPa全面进口配套焊材手工焊、埋弧焊等强60-150全面进口海洋工程用钢重大技术需求海洋工程用钢重大技术需求（1）高强度、大规格）高强度、大规格导管架平台是目前使用最多的采油平台；世界最大的导管架平台单重超过40000吨，使用水深超过460米。导管架平台用钢厚度普遍在60-80mm，最大130mm，焊接占到建造总工时的40%、总成本的50%。仅焊接一个节点就需要2-3月。平台钢厚板实现100-200kJ/cm以上大线能量焊接，可成倍提高焊接效率，并降低制造成本，意义十分重大。导管架导管架上

7、部模块海洋工程用钢重大技术需求海洋工程用钢重大技术需求 （2）易焊接、高效率）易焊接、高效率海洋腐蚀环境特别是近海岸腐蚀环境极为恶劣海洋腐蚀环境特别是近海岸腐蚀环境极为恶劣钢在海岸的腐蚀比沙漠中大钢在海岸的腐蚀比沙漠中大400倍以上，在距离海岸倍以上，在距离海岸24米时比距离海米时比距离海岸岸240米的腐蚀快米的腐蚀快12倍；倍；南海因其高湿热、强辐射、高南海因其高湿热、强辐射、高Cl-环境腐蚀性更强，装备维环境腐蚀性更强，装备维护十分困难，成本很高。护十分困难，成本很高。16年大气暴露试验，碳素钢在南海万宁的腐蚀速率是武汉的年大气暴露试验，碳素钢在南海万宁的腐蚀速率是武汉的20倍、倍、青岛的

8、青岛的5倍；倍；现有耐候钢在南海均出现腐蚀速率先低后高，现有耐候钢在南海均出现腐蚀速率先低后高，n值大于值大于1的异常现象的异常现象.海洋工程用钢重大技术需求海洋工程用钢重大技术需求 （3）高耐蚀、低成本）高耐蚀、低成本内容提要内容提要1. 船舶海洋工程用钢发展需求船舶海洋工程用钢发展需求2. 关键品种技术的研究开发工作关键品种技术的研究开发工作 大线能量焊接用钢大线能量焊接用钢 耐腐蚀油船用钢耐腐蚀油船用钢 止裂船板止裂船板 低温用钢低温用钢3. “十三五十三五”规划规划船舶海工用钢大线能量焊接技术船舶海工用钢大线能量焊接技术GEVWElectro-slag WeldHeat input,

9、KJ/cmThickness, mmu 焊接占焊接占 40%制造成本制造成本Ti-Mg钢钢Ti-Mg, 0.7mAl，2.2m大线能量焊接用钢技术大线能量焊接用钢技术Microstructures of the CGHAZ at t8/5 =180sV-Ti-N microalloyingBetter CGHAZ toughness (t8/5 time longer than 100s. )Microstructure:V-N-Ti steel: more than 80% is FerriteNb-Ti and V-Ti steel: the coarse bainitic microst

10、ructure.100kJ/cmV-Ti-N Steel氮含量对大线能量焊接氮含量对大线能量焊接HAZ韧韧性影响性影响0 50 100 150 200 250 300 0.0044 0.0094 0.0140 0.0190 0.0240 Akv, -20oCN, %05010015020025030035040060100140180220260300340Akv, -20, Jt8/5, sV-94ppmNV-140ppmNV-190ppmNTp=1350Cx1s, t8/5=180sTp=1350Cx1s, t8/5=100-300sBased Metal: 0.08C-1.20Mn-0.

11、2Si- 0.012Ti-0.06V N=44-240ppmEffect of N on CGHAZ Microstructure0.0044%N 0.0094%N 0.0140%N 0.0190%N 0.0240%N Tp=1350C x 1s, t8/5=180sQuantitative Analysis for CGHAZ Microstructure FS: Ferrite with Second phaseFSP: Ferrite Side PlateAF: Acicular FerritePF: Polygonal Ferrite Quantitative Analysis for

12、 CGHAZ Microstructure V-Ti Precipitates in the As-Rolled PlatesTi-rich particles in hot rolled plate are significantly refined with the increasing of N content from 94 ppm to 190 ppm01020304050600 10 20 30 40 50 60 70 80 90100110120130Frequency,%Equivalent diameter,nmAverage size:44.5nm94 ppm Nitrog

13、en01020304050600 10 20 30 40 50 60 70 80 90100110120130Frequency,%Equivalent diameter, nmAverage size:26.6nm190 ppm Nitrogen0102030405060010 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120130Frequency,%Equivalent diameter,nmAverage size:75.9nm94 ppm NV-Ti Precipitates at Peak Temp during welded simulation01020304

14、05060010 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120130Frequency,%Equivalent diameter, nmAverage size:29.6nm190 ppm N01020304050600 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120130Frequency,%Equivalent diameter, nmAverage size:20.9nm190 ppm Nitrogen01020304050600 10 20 30 40 50 60 70 80 90100110120130Frequency,%Equiva

15、lent diameter, nmAverage size:32.5nm94 ppm NitrogenV-Ti Precipitates at CGHAZ More finer TiV(C,N) particles in high N190 ppm as-rolled steel. The fine particles in the higher nitrogen steel are more stable at high temperature, resulting in finer austenite grain size in the CGHAZ. Increasing N promot

16、es TiV(C,N) precipitation in during cooling from Tp, and reduces the average particle size in the CGHAZ. 大线能量焊接海洋工程用大线能量焊接海洋工程用厚板工业试验厚板工业试验Mechanical PropertiestmmRm，MPaRp0.2, MPaA，%Z，%KV（-40）Bend N605453812875169goodH-1505343723478181H-2505233623580207Spec.490-6303552127CSiMnPSAlsNiCuTiVNbN CeqN0.1

17、60.161.600.012 0.003 0.0270.34-0.008 0.043 0.036 0.0040.46H-10.1470.281.550.009 0.001 0.036 0.005-0.011 0.074-0.0090.42H-20.1320.321.480.009 0.002 0.0350.240.250.012 0.050-0.0090.43焊接接头低温韧性焊接接头低温韧性Nb-V SteelH-1H-2Nb-V Steel: 10000TUE甲板和上甲板的舱口围板甲板和上甲板的舱口围板：高强度厚板，抗裂纹止裂性能三菱重工公司建造的三菱重工公司建造的“MOL ComfortM

18、OL Comfort”号号，（8000TEU8000TEU），），20132013年年6 6月月2 27 7日，在印度日，在印度洋遭遇事故断成两截洋遭遇事故断成两截为了为了提高大型集装箱船特提高大型集装箱船特厚钢板的止裂性能，从厚钢板的止裂性能，从2007年开始，年开始，日本日本NK船级社船级社联联合造船厂、钢铁公司、高校和研究机构，发布合造船厂、钢铁公司、高校和研究机构，发布了了脆性裂纹止裂设计指南脆性裂纹止裂设计指南。为了为了评估钢板的止裂性能，评估钢板的止裂性能，随同发布随同发布脆性脆性裂纹止裂韧性裂纹止裂韧性Kca测试测试方法方法国际国际船级社协会船级社协会(IACS) 2013年年1

19、月月发布发布UR W31 Application of YP47 steel plates，将，将Kca标准测试写入标准测试写入YP47钢验收钢验收要求要求同时同时发布的还有发布的还有UR S33 Requirement for use of extremely thick steel plates，于于2014年年1月实施月实施、基本、基本完全采用了完全采用了NK船级社的船级社的脆性裂纹止裂设计指南脆性裂纹止裂设计指南里里Kca 的测试方法和要求的测试方法和要求。目前目前该该Kca测试方法已经测试方法已经被被CCS、GL、ABS和和DNV等等各大船级社采用各大船级社采用。世界各国从2013年

20、后开发，加快了集装箱船用止裂钢的研发进程。 止裂性能的提高途径 提高钢板的整体韧性水平，整体细晶化（提高有限）提高钢板的整体韧性水平，整体细晶化（提高有限） 表面超细晶化，使剪切唇剪切唇的比例的比例增加，增加，使断裂从平面应使断裂从平面应变状态向平面应力状态变状态向平面应力状态转变，提高止裂韧性（目前的研转变，提高止裂韧性（目前的研究热点之一）究热点之一）返温轧制工艺返温轧制工艺 在在轧制过程中间中引入加速轧制过程中间中引入加速冷却，使冷却，使钢板表层温度钢板表层温度降到降到Ac1以下，控制返红温度进以下，控制返红温度进入入Ac1Ac3之间，然后进行之间，然后进行控制轧制使表层的晶粒得到控制轧

21、制使表层的晶粒得到细化细化 (a) 400 (b) 450(c) 500 (d)600(e) 650(f)700表层超细化工艺表层超细化工艺l 400600的范围内的范围内，都，都得到了超细晶得到了超细晶组织组织l 650 700时，晶粒明显时，晶粒明显长大长大l 为获得表面超细晶，粗轧后为获得表面超细晶，粗轧后表面迅速冷却表面迅速冷却到到600以下以下 显微组织显微组织工业试制工业试制SUF止裂钢：止裂钢：65mm厚厚细晶层厚度为细晶层厚度为57mm，平均等效直径约，平均等效直径约2m。SUFSUFSUF钢表层(112)110，取向密度4.8TMCP钢表层(110)001，取向密度24.6（

22、强烈的高斯织构），不利于表面韧化的改善SUF钢的韧脆转化温度比TMCP钢低20左右通过通过SUF工艺，获得兼具工艺，获得兼具表面的超细晶和高韧性以表面的超细晶和高韧性以及整体良好强韧匹配的止及整体良好强韧匹配的止裂钢板。裂钢板。SUF止裂钢表层止裂钢表层TMCP止裂钢表层止裂钢表层 LNG, LEG, LPG用用5Ni、9Ni 钢钢p 我国LNG工业的发展对9Ni低温钢提出了迫切需求pLNG工厂pLNG储罐pLNG运输船p LNG工业十二五规划：9%Ni钢需求数十万吨，实现国产化意义重大，巨大的社会、经济效益9%Ni钢超低温韧化控制钢超低温韧化控制 开发了开发了QLTQLT工艺，获得一次工艺，

23、获得一次和二次马氏体相间排布的细和二次马氏体相间排布的细化组织化组织 产生产生8-16%8-16%稳定的逆转变奥稳定的逆转变奥氏体氏体 具有良好的具有良好的-196-196超低温韧超低温韧性和强韧匹配性和强韧匹配 工艺窗口拓宽，便于工业化工艺窗口拓宽，便于工业化批量稳定生产批量稳定生产国产化国产化9Ni钢板的应用钢板的应用5%Ni钢国产化钢国产化 LPG船上实际应用 首批500吨正在供货过程中，用于LPG船上一个4200m3半冷半压乙烯液罐的建造 第二批1500吨，用于建造一个12000m3LPG船三个液罐的建造内容提要内容提要1. 船舶海洋工程用钢发展需求船舶海洋工程用钢发展需求2. 关键品

24、种技术研究开发工作关键品种技术研究开发工作 大线能量焊接用钢大线能量焊接用钢 耐腐蚀油船用钢耐腐蚀油船用钢 止裂船板止裂船板 低温用钢低温用钢3. “十三五十三五”规划规划“政产学研检用政产学研检用”结合结合实例实例：大型油：大型油船用耐蚀钢项目船用耐蚀钢项目联盟成员单位，联盟成员单位，31家家1. 用户行业：用户行业：中海油、中石油、中石化2. 海工制造企业：海工制造企业：中船工业、中船重工、海油工程、中集、巨涛3. 钢铁行业：钢铁行业：鞍钢、舞阳、宝钢、武钢、首钢、湘钢、马钢、南钢、天管、兴澄特钢、太钢等4. 科研、高校：科研、高校：钢研院、金属所、北科大、东大5. 应用研究：应用研究：7

25、25所、611所、管材所6. 设计单位：设计单位：中海油研究 总院、中石化工程设计公司7. 标准规范：标准规范：中国船级社、冶金标准院8. 行业协会和学会：行业协会和学会：中钢协、中船协、造船学会跨行业合作平台：跨行业合作平台：政政-产产-学学-研研-检检-用用2014年年6月月14日，联盟成立大会日，联盟成立大会钢铁研究总院：联盟理事长、秘书处钢铁研究总院：联盟理事长、秘书处海洋工程用钢产业技术创新战略联盟海洋工程用钢产业技术创新战略联盟国家科技体制改革国家科技体制改革 中央财政科技计划（专项、基金等）布局国家重点研发计划国家科技重大专项国家自然科学基金技术创新引导专项（基金）基地和人才专项新材料专项：海工特种钢及合金n