張國宏，成 林，李 鈺，伊薩耶夫·歐列格，吳開明

(武漢科技大學(xué)國際鋼鐵研究院 耐火材料與冶金省部共建國家重點實驗室，湖北 武漢 430081)

1 前 言

2013年，中國國家海洋局發(fā)布了《國家海洋事業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃》[1]。在規(guī)劃中明確提出：作為發(fā)展中的海洋大國，我國在海洋有著廣泛的戰(zhàn)略利益。隨著經(jīng)濟全球化的發(fā)展和開放型經(jīng)濟的形成與深化，海洋作為國際貿(mào)易與合作交流的紐帶作用日益顯現(xiàn)，在提供資源保障和拓展發(fā)展空間方面的戰(zhàn)略地位更為突出。“十二五”期間是我國海洋事業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵時期，未來將向深海和遠海發(fā)展。著力提升海洋開發(fā)、控制和綜合管理能力，統(tǒng)籌海洋事業(yè)全面發(fā)展，是保障國家“走出去”戰(zhàn)略實施的重大舉措，對于促進沿海地區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展、國民經(jīng)濟發(fā)展方式轉(zhuǎn)變，具有重大的戰(zhàn)略意義。以國際海事組織制定的性能標準為主導(dǎo)，世界各國圍繞海洋耐蝕鋼開展了腐蝕機理、腐蝕過程的研究，其中油船貨油艙用耐蝕鋼是近10年來國際上研究和開發(fā)的重要鋼鐵新品種。在該領(lǐng)域，日本走在世界前列，烏克蘭與俄羅斯有其技術(shù)特色海洋，中國對海洋耐蝕鋼的研究應(yīng)用相對滯后。隨著海洋耐腐蝕鋼替代標準不斷得到認可，將逐漸取代涂層鋼成為海洋腐蝕保護方式的主流。本文重點分析了油船貨油艙用耐蝕鋼和耐海水腐蝕鋼這2大類低合金高強度鋼的發(fā)展現(xiàn)狀及需求，不涉及不銹鋼、特種合金等鋼鐵材料。

2 油船貨油艙用耐蝕鋼

2.1 重大需求分析

進入21世紀，中國船舶及海洋石油工業(yè)迎來了高速增長期，成為中國國民經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱。據(jù)英國克拉克松研究數(shù)據(jù)表明，中國已成為世界造船中心[2]。2013年，中國造船3大指標市場份額繼續(xù)保持世界領(lǐng)先，其中造船完工量、新接訂單量、手持訂單量分別占世界總量的40.3%、47.6%和45.8%，如表1所示。

表1 2013年1～12月世界造船3大指標市場份額Table 1 Market share on the three main indexes of global shipbuilding in 2013

“十一五”期間，在海洋石油工業(yè)領(lǐng)域，中國海上油氣開發(fā)投入1 200億元人民幣，建設(shè)了15個海洋油氣田、76座鉆井平臺、6座浮式生產(chǎn)儲油船，鋪設(shè)了1 400 km海底管線，2010年海洋油氣產(chǎn)量實現(xiàn)了5 000萬t油當(dāng)量。根據(jù)中海油規(guī)劃，“十二五”期間將新建5 000萬t油當(dāng)量產(chǎn)能。預(yù)計“十二五”、“十三五”期間海洋石油工業(yè)投入將分別達到6 700億元和9 500億元人民幣，其中海洋工程裝備市場投資將達到2 500億～3 000億元人民幣[3]。

根據(jù)我國《鋼鐵工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》[4]對2015年關(guān)鍵鋼材品種消費預(yù)測， 未來5年，僅船板用鋼消費量將從2010年的1 300萬 t提高到2015年的1 600萬t，其中油船貨油艙用鋼量占油船用鋼總量的30%～45%。以建造一艘30萬t級的超大型油輪(VLCC)為例，船體結(jié)構(gòu)總用鋼量近4萬t，其中油船貨油艙部分用鋼約1.7萬t。據(jù)中國船舶工業(yè)行業(yè)協(xié)會對我國目前手持油船訂單統(tǒng)計，油船貨油艙用鋼量每年達200萬t左右。如果能推廣使用到海洋工程領(lǐng)域，其市場需求將更大。

2.2 油船貨油艙用耐蝕鋼概況

油船是原油海洋運輸?shù)闹饕ぞ咧?。近年來因貨油艙腐蝕造成油船失效事故時有發(fā)生，不僅造成巨大的經(jīng)濟損失和安全事故，而且對海洋環(huán)境造成嚴重危害。因此油船貨油艙的防腐問題越來越受關(guān)注[5]。2006年以前油船都是單甲板、單底結(jié)構(gòu)，因為貨油艙內(nèi)破損后，油浮在水面上，艙內(nèi)不至于大量進水，故油船除了在機艙區(qū)域內(nèi)設(shè)置雙層底以外，貨油艙區(qū)域一般不設(shè)置雙層底。2006年以后，為了提高海運安全性，防止和減少油輪發(fā)生海損事故造成的污染，國際海事組織(IMO)要求大型油輪必須設(shè)置雙層底或雙層船殼。內(nèi)層為貨油艙，用來承載原油。原油尤其是高硫高酸原油對于鋼結(jié)構(gòu)貨油艙腐蝕影響嚴重，威脅著油船運營安全。

目前針對油船貨油艙腐蝕所采取的防護措施主要有：加注緩蝕劑、采用防腐涂層和耐蝕鋼板。其中，加注緩蝕劑過程復(fù)雜，長期投資高；防腐涂層使用過程中存在嚴重的局部腐蝕隱患，每2.5 a就須對油船進行涂層維護和重新涂布，需要耗費高額成本，延長工期，并且貨油艙空間封閉，施工環(huán)境惡劣，也會一定程度上影響施工質(zhì)量[6]。表2比較了使用涂層和耐蝕鋼造船的成本，安全且低成本的防護措施是使用耐蝕鋼。

表2 使用防腐涂層和耐蝕鋼造船成本比較Table 2 Shipbuilding cost comparison between use of coating and corrosion resistant steel

1995年，國際海事組織對油船貨油艙用耐蝕鋼提出推薦性要求，并推薦各國進行研究。2010年5月14日，國際海事組織海上安全委員會(MSC)第87次會議正式通過了《原油油船貨油艙防腐保護替代方法性能標準》，并于2012年1月1日生效[7]。2013年1月1日及以后簽訂建造合同或2016年1月1日及以后交付的所有5 000 t級以上油船必須從貨油艙保護涂層和耐蝕鋼方案中選擇采用一種。該性能標準附件中對耐蝕鋼的適用范圍、目標壽命、試驗程序及性能標準做了規(guī)范和要求。標準規(guī)定耐蝕鋼的目標使用壽命是25 a，對耐蝕鋼的要求是在貨油艙頂腐蝕環(huán)境中，鋼材25 a后估計腐蝕損耗值(ECL)不超過2 mm；在艙底腐蝕環(huán)境中，年均腐蝕速率(C.Rave)不超過1.0 mm/a。兩種環(huán)境均要求焊縫處放大1 000倍后，母材和焊縫金屬之間不出現(xiàn)階梯狀不連貫表面[7]。

2.3 國內(nèi)外研究開發(fā)現(xiàn)狀

2.3.1 日本和韓國

目前走在前列、技術(shù)較成熟的國家是日本。早在1999年，日本造船協(xié)會的SR242項目組利用實船測試、實驗室模擬等手段對超大型油船(VLCC)進行了為期3 a的研究，成功揭示了貨油艙內(nèi)的腐蝕狀況、腐蝕機理及過程[8-10]。他們通過實驗獲得了貨油艙內(nèi)部的腐蝕環(huán)境，如圖1所示。在貨油艙頂部，由于原油中的揮發(fā)成分、混入的海水、油田鹽水的鹽分、為防止爆炸而輸入的惰性氣體(5%O2,13%CO2,0.01%SO2,余量為N2，體積分數(shù))以及從原油中揮發(fā)的H2S等腐蝕性氣體會在油輪貨油艙的頂部內(nèi)表面富集。同時，由于甲板溫度在白天和夜晚的交替變化，上甲板內(nèi)表面濕度大小會發(fā)生周期性變化。濕的H2S和O2以及SO2等發(fā)生反應(yīng)，會在上甲板內(nèi)表面析出單質(zhì)S：

4H2S+SO2+O2=4H2O+5S

(1)

腐蝕了的鋼板表面的鐵銹也是催化劑，能加速SO2和H2S向單質(zhì)S的反應(yīng)。鋼板腐蝕導(dǎo)致新鐵銹的生成以及固體S的析出交替發(fā)生，由于固體單質(zhì)S層較脆，容易產(chǎn)生剝離、脫落，如圖1b所示。貨油艙內(nèi)底板有一層油膜，通過分析發(fā)現(xiàn)油膜由原油和混合沉淀物組成，同時包含大量的H2S和氯離子(酸性介質(zhì))，具有很強的阻抗作用，比焦油環(huán)氧樹脂涂層的阻抗作用要顯著。因此，油膜的存在可以顯著增強油船貨油艙下底板的耐腐蝕性。但洗艙會造成油膜破損，成為點蝕起源。在破損處會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)：

陽極(孔內(nèi))：Fe→Fe2++2e；

(2)

陰極(孔外)：O2+2H2O+4e→4OH-

(3)

隨后亞鐵離子發(fā)生水解，使得孔內(nèi)的pH值大大降低，促進了陽極的進一步溶解。

Fe2++2H2O→Fe(OH)2+2H+

(4)

此外，從上甲板脫落的腐蝕產(chǎn)物S，對底板的點蝕同樣有加速作用，如方程式(5)。圖1c為觀察到的貨油艙下底板典型局部點蝕照片。

S+2H2O→H2S+2OH-

(5)

圖1 油船貨油艙內(nèi)部腐蝕環(huán)境及實船上下底板的腐蝕形貌[8]Fig.1 Corrosion environment(a) and corrosion morphology of the upper deck(b) and bottom plate(c) of crude oil tank (COT)

通過研究發(fā)現(xiàn)，油船貨油艙上甲板的腐蝕具有如下特征：① 通過檢測分析4艘真實油船貨油艙頂部空間氣體的化學(xué)組成發(fā)現(xiàn)，在上甲板和原油之間的空間中含有高濃度的H2S，如表3所示。② 上甲板腐蝕層主要由鐵銹和單質(zhì)S組成，其中60%是單質(zhì)S。③上甲板平均腐蝕速率大于0.1 mm/a，速率較低，腐蝕均勻。而油船貨油艙下底板的腐蝕具有如下特征：①在原油和下底板之間貯存有大量的滯留水，通過檢測分析3艘真實油船貨油艙滯留水的化學(xué)組成，發(fā)現(xiàn)含有高濃度的Na+和Cl-，約占總質(zhì)量分數(shù)的10%，如表4所示。但是其中不含Mg、K等離子，可以確定滯留水并不是海水[8]。但其存在的位置和含有高濃度的Cl-會降低貨油艙下底板的耐蝕性。②通過水洗、刮擦或酒精擦拭，致密的油膜層由于機械作用或化學(xué)溶解而被破壞，導(dǎo)致阻抗明顯下降，增加點蝕速率，急劇地減弱了油膜對貨油艙下底板的保護。 ③通過對6艘真實油船貨油艙中pH值實地檢測，發(fā)現(xiàn)貨油艙底部點蝕坑內(nèi)的pH值在0.85～1.16之間，顯著低于坑外的pH值，且點蝕速率隨pH值的降低顯著增加，最大可達2～4 mm/a。說明點蝕是強酸環(huán)境下的腐蝕[11-12]。④通過觀察和測量，發(fā)現(xiàn)點蝕坑具有很強的形狀性和規(guī)律性，整個點蝕坑成等軸狀[8]，從點蝕坑的邊緣到底部的腐蝕速率相同，以整體同步向外擴展的，點蝕坑越大則點蝕坑越深。表5綜合比較了油船貨油艙上下底板的腐蝕狀況。

表3 油船貨油艙頂部氣體空間的氣體組成[8]Table 3 Gas composition in vapor space of cargo oil tanks

表4 油船貨油艙底部滯留水的化學(xué)組成(%)[8]Table 4 Chemical composition of water sampled from the bottom of cargo oil tanks

表5 油船貨油艙上下底板腐蝕狀況對比Table 5 Comparison of corrosion status between the upper deck and bottom plate of oil tank

基于上述研究，日本新日鐵、JFE、住友金屬3大鋼鐵公司分別開發(fā)了新型油船貨油艙用耐蝕鋼。①新日鐵NSGPTM-1和NSGPTM-2。2003年新日鐵公司與NYK公司合作首次成功開發(fā)了新型耐蝕鋼NSGPTM-1[12-16]。表6給出了NSGPTM-1鋼的化學(xué)成分。從表6可知，其所含合金元素較少，成分與傳統(tǒng)船用鋼AH32差別不大，完全符合IACS標準。模擬油船貨油艙下底板點蝕環(huán)境的室內(nèi)全浸腐蝕掛片實驗表明，這種鋼板及其焊接接頭的耐蝕性比傳統(tǒng)船板鋼AH32高，NSGPTM-1鋼的力學(xué)性能和現(xiàn)場使用性能與傳統(tǒng)船用鋼相當(dāng)甚至更優(yōu)，且焊接、加工工藝完全相同，建造時無需進行特殊的施工治理。為驗證新型耐蝕鋼的性能，這2家公司于2004年將其應(yīng)用在三菱重工建造的“TAKAMINE”號巨型油船貨油艙下底板，該船運營2.5 a后的考察結(jié)果表明，使用NSGPTM-1鋼的貨油艙下底板最大腐蝕孔只有2.8 mm，而采用傳統(tǒng)鋼板的則為6.3 mm。依據(jù)國際慣例，腐蝕孔超過4 mm需要重新涂裝船體，超過7 mm則需要焊接維修。因此使用NSGPTM-1鋼的貨油艙無需重新涂裝，不僅可以省卻建造時為防腐而進行的涂裝工序，且在檢修過程中也無需重新涂裝，大大減少維護成本。2007年，NSGPTM-1鋼正式接受訂貨, 截止2010年初，其累計發(fā)貨量已經(jīng)超過1萬t[14]。2008年，新日鐵公司與NYK公司又開發(fā)了應(yīng)用于油船貨油艙上甲板的耐蝕鋼NSGPTM-2，經(jīng)過5 a年的實船試驗，檢測結(jié)果表明，NSGPTM-2鋼5 a平均腐蝕速率小于0.07 mm/a，比傳統(tǒng)鋼降低了38%[17]。②住友金屬SMICORE。2004年，住友金屬開發(fā)了SMICORE耐蝕鋼[18-19]，2005年將其應(yīng)用于“SANKO BLOSSOM”號油船貨油艙上甲板與下底板。經(jīng)過2.75 a的實船試驗，船塢檢查結(jié)果表明，與傳統(tǒng)鋼相比，SMICORE鋼用于貨油艙上甲板時腐蝕速率降低了40%；用于貨油艙下底板時腐蝕速率降低40%～80%，在世界上首次確認了耐蝕鋼用于上甲板和下底板都具有優(yōu)異的耐蝕性。 ③JFE公司NAC5。JFE公司于2004年開發(fā)出一種NAC5耐蝕鋼[20]。與傳統(tǒng)鋼相比，將不涂裝的NAC5用于上甲板，可減少10%的腐蝕量；將涂裝的NAC5用于上甲板，涂層剝離速率降低了40%，涂層剝離壽命提高2倍，上甲板壽命提高5 a以上。NAC5耐蝕鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能見表7。④JFE公司JFE-SIPTM-OT。2008年，日本JFE鋼鐵公司與三井O.S.K航運公司共同成功研發(fā)了JFE-SIPTM-OT高耐蝕厚鋼板，并于2008年應(yīng)用于油船貨油艙艙頂與艙底。據(jù)三井商船稱，該耐蝕鋼板有以下特點：①抗點蝕性比傳統(tǒng)鋼板提高5倍，甚至可以幫助油船的上甲板耐均勻腐蝕；②與傳統(tǒng)船體用鋼板具有相同的可焊性和機械性能；③減少傳統(tǒng)鋼板每2.5 a的干船塢維護工作[21-22]。

2010年韓國也開始了油船貨油艙用耐蝕鋼的研究工作，并且在技術(shù)方面已經(jīng)達到了相關(guān)標準的要求[6]。

2.3.2 烏克蘭與俄羅斯

鋼鐵冶金是烏克蘭經(jīng)濟中的支柱性產(chǎn)業(yè)之一，工業(yè)部門齊全，產(chǎn)品產(chǎn)量居世界前列，蘇聯(lián)解體以前曾達到全國人均1 t鋼的水平。烏克蘭繼承了前蘇聯(lián)惟一的航母制造基地，造船業(yè)特別是軍艦制造業(yè)，具有很高的水平，有能力建造包括航空母艦在內(nèi)的一切艦艇。黑海造船廠作為前蘇聯(lián)時代惟一的航母建造總裝廠，集中了很強的艦船科研和生產(chǎn)力量，曾被譽為“前蘇聯(lián)大型水面艦艇的搖籃”。前蘇聯(lián)幾艘航母——“莫斯科”號、“列寧格勒”號、“基輔”號、“明斯克”號、“戈爾什科夫”號、“庫茲涅佐夫”號、“烏里揚諾夫斯克”號全部在此建造。烏克蘭和俄羅斯的海洋耐蝕鋼制造體系不同于日本和歐美，采用低C、低Mn和微合金化的成分設(shè)計，較高的Cr含量，Cu，Ni，P等耐蝕元素較少加入。其核心技術(shù)是鋼包精煉、中間包精煉、結(jié)晶器電磁制動等，達到有效去除鋼中低熔點有色金屬、非金屬等腐蝕性元素和夾雜物。采用結(jié)晶器喂鋼帶等技術(shù)有效抑制連鑄坯中心偏析和中心疏松，實現(xiàn)鑄坯均質(zhì)化。

表6 新日鐵NSGPTM-1耐蝕鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)/%)[14]Table 6 Chemical composition of NSGP-1 corrosion resistant steel developed by Nippon Steel(mass fraction/%)

表7 JFE公司NAC5耐蝕鋼化學(xué)成分和力學(xué)性能[20]Table 7 Chemical composition and mechanical properties of NAC5 steel developed by JFE

2.3.3 中國

由于日本在該領(lǐng)域具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，正在中國設(shè)置專利障礙，并作出各種承諾以維持其技術(shù)壟斷地位[23]。為了防止國外可能形成的壟斷性供應(yīng)或技術(shù)壁壘，2008年中國提出研發(fā)船用耐蝕鋼。2010年，國家科技部將“大型油輪貨油艙用高品質(zhì)耐腐蝕鋼”列入國家科技支撐計劃的重點開發(fā)項目，研究高硫、高酸油氣環(huán)境中，低合金鋼在H2S、SO2、Cl-和酸性鹽水介質(zhì)，以及上述各種復(fù)雜混合介質(zhì)條件下的腐蝕規(guī)律，開發(fā)耐腐蝕合金鋼成分體系、生產(chǎn)工藝及相關(guān)配套焊接材料，形成油船用耐蝕鋼的腐蝕評價體系與標準，解決油氣開采、輸送和儲運過程中的鋼鐵材料腐蝕問題，形成具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的油氣開采與儲運用耐腐蝕鋼生產(chǎn)技術(shù)體系和評價標準規(guī)范。2012年，工信部啟動了“基于IMO標準的船用耐蝕鋼應(yīng)用技術(shù)研究”重大科技創(chuàng)新項目。到目前為止，我國油船貨油艙用耐蝕鋼研究項目已經(jīng)取得了階段性研究成果，突破了材料研發(fā)的核心技術(shù)難關(guān)，數(shù)家鋼鐵企業(yè)已經(jīng)進入了工業(yè)試制與實船試驗階段[6]。2010年～2011年，鞍鋼集團公司陸續(xù)開展了兩輪1 000 t以上耐蝕鋼工業(yè)試制，目前已提交船級社認證；2010年，首鋼開始對耐蝕鋼進行前期研究，并聯(lián)合開展腐蝕機理研究，研發(fā)油船貨油艙腐蝕環(huán)境耐蝕鋼，到2012年上半年已經(jīng)成功完成E36級原油船貨油艙用耐蝕鋼及相關(guān)焊材的開發(fā)，并形成了配套的焊接工藝技術(shù)，各項性能滿足國際海事組織耐蝕鋼標準要求及目前的船板規(guī)范，具備了進一步開展造船應(yīng)用研究的條件。2012年，武鋼、寶鋼、南鋼及湘鋼等鋼廠相繼開發(fā)成功油船貨油艙用耐蝕鋼。武鋼經(jīng)過對高硫高酸油氣環(huán)境下耐腐蝕鋼的腐蝕機理、腐蝕條件、合金元素耐蝕性規(guī)律以及鋼的潔凈度、夾雜物、顯微組織對耐蝕性的影響機理等方面的研究，確立了新鋼種合金設(shè)計方案以及生產(chǎn)工藝，并將實驗室研究成果運用到工業(yè)試制中，成功實現(xiàn)了油船貨油艙用耐蝕鋼及其腐蝕試驗對比鋼的批量試制，鋼板性能均滿足相關(guān)標準要求。南鋼與東北大學(xué)、北京科技大學(xué)、武漢科技大學(xué)等高校進行合作，成功研發(fā)出高效焊接海洋工程用鋼、原油船貨油艙用耐蝕鋼板EH36-NS以及專用焊接材料，并申請了相關(guān)專利[24-26]。中國鋼研科技集團有限責(zé)任公司鋼鐵研究總院和國家連鑄技術(shù)工程研究中心在耐蝕鋼成分設(shè)計方面亦取得可喜成果，研制的鋼板的耐均勻腐蝕和耐局部腐蝕性達到或超過了日本NAC5鋼板水平[27]?？傊?，我國船用耐蝕鋼國產(chǎn)化項目已建設(shè)了符合IMO標準的實驗裝置，突破了材料研發(fā)與檢測的核心技術(shù)難關(guān)，國產(chǎn)船用耐蝕鋼板各項指標滿足IMO標準和船級社規(guī)范要求，造船工藝性能與傳統(tǒng)船板相當(dāng)，成本增量低于涂層成本，配套的焊接材料、型材、管材等研制工作也已取得初步成果。2014年4月28日[28]，中外運長航吳淞船舶工程有限公司啟動了大慶435號油船改裝工程，其改裝技術(shù)方案由中船集團第七〇八研究所制訂，經(jīng)中國船級社審定，將采用由鞍鋼公司提供的1 100 t船用耐蝕鋼對貨油艙內(nèi)底板、上甲板進行改裝。同時，將進行耐蝕鋼與常規(guī)船板的對比使用試驗，為后續(xù)相關(guān)科研工作提供實船數(shù)據(jù)和工程管理經(jīng)驗。這表明，我國鋼企已經(jīng)掌握了油船貨油艙用耐蝕鋼的關(guān)鍵制造技術(shù)，即將進入批量生產(chǎn)供貨階段。

2.4 問題與差距

長期以來，由于缺乏對大型油船貨油艙用耐蝕鋼等高品質(zhì)海洋結(jié)構(gòu)鋼材的前瞻性探索，我國對海洋工程高端鋼鐵材料方面的耐腐蝕機理等研究明顯落后于日本等發(fā)達國家，造成海洋工程用鋼品種規(guī)格少、鋼材性能差、質(zhì)量不穩(wěn)定、使用壽命短等一系列問題；我國耐蝕鋼產(chǎn)業(yè)集中度低，達不到規(guī)模效益，研發(fā)、生產(chǎn)難度較大，鋼企積極性不高；我國缺乏船用耐蝕鋼國家標準和具有檢測及認證資質(zhì)的第三方機構(gòu)；針對焊縫焊材的耐蝕性問題重視不足。以上問題嚴重制約了國家重大工程項目的建設(shè)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

目前，中國船企能建造國際航運界95%所需船型，包括17.5萬 t散貨輪、30萬 t超大型油輪(VLCC)、30萬 t浮式生產(chǎn)儲油船(FPSO)、8530標箱第6代集裝箱船、14.7萬m3LNG船、122 m自升式鉆井平臺JU2 000等。目前在建9座30萬t級造船船塢，并在規(guī)劃50萬 t級和100萬 t級船塢。但是，在中國船企建造的船舶中，60%～70%以低技術(shù)含量的散貨船為主，大型油船、高技術(shù)含量的鉆井船及液化天然氣船等承接量少，在先進船舶制造及海洋工程裝備設(shè)計制造技術(shù)、大型油船貨油艙用耐蝕鋼的研究與開發(fā)等方面，才剛剛進入實船驗證階段，與日本等國家相比，還有較大差距。

3 耐海水腐蝕鋼

3.1 重大需求分析

占地球表面積約71%的海洋中蘊藏著豐富的資源，隨著世界人口的日益增長和陸地資源不斷的消耗，未來人類的生存會越來越依賴于海洋，海洋將成為礦產(chǎn)、能源和食品資源的主要供應(yīng)基地。為此，海洋開發(fā)被列為2l世紀的重點目標之一。我國享有主權(quán)和管轄權(quán)的海域面積接近300萬km2，但海洋石油和天然氣等資源的平均探明率分別只有12.3%和10.9%，遠遠低于世界73.0%和60.5% 的平均水平[29]。隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的提高，我國海洋開發(fā)事業(yè)有了突飛猛進的發(fā)展。由于技術(shù)越來越復(fù)雜，制造成本越來越高，人們希望海洋裝備的使用壽命成倍提高，而耐海水腐蝕材料的開發(fā)和應(yīng)用研究是海洋開發(fā)的基礎(chǔ)和前提，導(dǎo)致耐海水腐蝕鋼材越來越受到人們的重視，用量逐年增加。另外火電廠、核電廠、化工廠和海水淡化工程等項目中也是耐海水腐蝕鋼另一個主要應(yīng)用領(lǐng)域。有報道稱，到2015年全世界海水淡化能力將增長到6 200萬m3，所增加的投資預(yù)計為950億美元。而中國也是一個水資源貧乏的國家，這個新興領(lǐng)域?qū)δ秃Ｋg鋼的需求必定持續(xù)增長[29]。

由于海洋的特定環(huán)境對海洋工程材料有很多特殊要求：最主要的是耐海水腐蝕問題；其次是深海下密封殼體結(jié)構(gòu)的強度問題。因此研究高強、輕質(zhì)、耐海水腐蝕、低成本的材料以及合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和選材，已成為海洋工程的關(guān)鍵技術(shù)之一。

3.2 耐海水腐蝕鋼的發(fā)展概況

海水中含有大量的以NaCl為主的鹽類，占總含鹽量的88.7%。由于它們易于電離，使海水中的Cl-含量增高，達1.898%(質(zhì)量分數(shù))；同時提高海水電導(dǎo)率，其平均電導(dǎo)率可為4×10-2s/cm，遠遠超過河水(2×10-2s/cm)和雨水(1×10-2s/cm)。為此，海水中金屬表面難以保持穩(wěn)定的鈍態(tài)，易于發(fā)生電化學(xué)腐蝕，極易發(fā)生劣化破壞。目前海洋污染趨于嚴重，海洋環(huán)境更加復(fù)雜，從而使得海洋工程用鋼材的腐蝕問題更加突出。大型海洋工程結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境中的腐蝕一般分為5個區(qū)：大氣區(qū)、飛濺區(qū)、潮差區(qū)、全浸區(qū)及海泥區(qū)。在這些不同的區(qū)域，鋼材的腐蝕速率是不同的，圖2是鋼樁在海水不同腐蝕區(qū)域腐蝕速率示意圖[30]。

圖2 鋼樁在海水不同區(qū)域腐蝕速率的示意圖[31]Fig.2 Schematic diagram of the corrosion rate of steel pile in different zones of the seawater

除了海水區(qū)域不同對鋼材腐蝕有不同的影響外，就是在一同區(qū)域的海洋環(huán)境中也含有其他諸多影響因素，如海水的鹽度、pH值、溫度、溶解氣體( O2、CO2等) 流速、微生物以及污染等，這些因素有時交差作用，造成了海洋環(huán)境對鋼材腐蝕的一個極其復(fù)雜的過程。

目前鋼鐵材料的防腐蝕方法大致可分為4類：①涂層法；②長效法；③陰極保護；④采用本身具有抗腐蝕能力的不銹鋼。但大規(guī)模使用預(yù)防措施所產(chǎn)生的環(huán)境污染大、能耗大、投資大，其成本高得難以承受，并且不銹鋼的力學(xué)性能和焊接性能也很難滿足各種工程的需要，因而鋼鐵材料的腐蝕情況一直沒有得到根本的控制。研究表明，通過添加微量合金元素可以在鋼材表面形成含有特定結(jié)構(gòu)、具有離子選擇特性的致密保護層，使鋼材本身具有耐腐蝕性能，并保持優(yōu)良的綜合力學(xué)性能及使用性能。

3.3 耐海水腐蝕鋼國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

國外對耐海水腐蝕鋼的研究始于20世紀30年代，其中最為活躍的國家是美國和日本。美國最先開始耐海水腐蝕鋼的研究，于1951年開發(fā)了Ni-Cu-P系Mariner鋼，含0.5%Ni、0.5%Cu、0.1%P。此類鋼在飛濺區(qū)的耐海水腐蝕性能較好，為普通碳素鋼的2～3倍，但P含量偏高(0.08%～0.15%)，厚度大于20 mm的鋼板不適宜焊接。在此基礎(chǔ)上，世界各國相繼開發(fā)了各種系列的耐海水腐蝕鋼。如日本針對Mariner鋼P含量高、焊接性能差研制了P含量≤0.03%的Mariloy (Cu-Cr-P、Cu-Cr-A1-P、Cu-Cr-Mo)系列低合金耐海水腐蝕鋼[31]。Mariloy系列鋼之所以具有好的耐蝕性， 主要原因有：①鉻、硅共存, 促使在腐蝕過程中形成穩(wěn)定的硫酸鹽膜， 能阻止在污染海水中細菌的生長，從而減緩了鋼的腐蝕；②由于硅、鉻、銅在銹層中富集，并直接作用于金屬表面， 使緊貼基體銹蝕產(chǎn)物變得細小致密，阻礙了海水中溶解氧向鋼表面擴散，減緩了鋼的腐蝕速率。

中國耐海水腐蝕鋼的研究始于1965年，從300多個鋼種中篩選出16個鋼種，并于1978年進行了耐蝕性能的統(tǒng)一評定。4年的試驗周期表明，Cr-Mo-Al系的10Cr2MoAlRE鋼耐蝕性能最好。近期寶鋼借鑒日本耐海水腐蝕鋼成分特點，綜合考慮中國近海海水腐蝕介質(zhì)的環(huán)境作用因子，通過優(yōu)化調(diào)整化學(xué)成分及采用合理軋制工藝技術(shù)，成功開發(fā)出Cr-Cu-Mo系耐海水腐蝕鋼種Q345C-NHY3[32]。該鋼種具有優(yōu)良的力學(xué)性能、焊接性能和耐海水腐蝕性能等，能夠滿足海洋鋼結(jié)構(gòu)的制造要求。已經(jīng)向東海洋山深水港碼頭二期及三期工程供貨約30萬 t，主要用于加工海底鋼管樁。這是國內(nèi)首次在工程中大批量應(yīng)用耐海水腐蝕鋼，整個工程結(jié)束預(yù)期應(yīng)用量達50余萬 t。

目前國外生產(chǎn)的低合金耐海水腐蝕用鋼按成分系列可分為Ni-Cu-P系、Cr-Nb系、Cr-Cu系、Cr-Al系、Cr-Cu-Si系、Cr-Cu-Al系、Cr-Cu-Mo 系、Cr-Cu-P系及Cr-Al-Mo系等。我國研制的耐海水腐蝕鋼試驗鋼號近200種，其中10Cr2MoAlRE、08PVRE、09MnCuPTi、10MnPNbRE、10NiCuAs、10CrMoAl等已通過鑒定，但尚未推廣，在大型固定式和移動式海洋結(jié)構(gòu)件上應(yīng)用較少[33]。

3.4 問題與差距

我國在耐海水腐蝕鋼方面與國外先進國家之間存在較大差距，如表8所示。

表8 我國耐海水腐蝕鋼與國外的差距[31]Table 8 Gap between China and overseas countries in marine corrosion resistant steels

我國在海工鋼和船用耐蝕鋼方面存在以下突出問題[30,34-36]：①海工用鋼需求有限，科研和生產(chǎn)難度較大。我國主要海工總裝制造企業(yè)手持各類海工鉆井平臺不到100座/艘，計劃在3 a內(nèi)交付。每年交付量在30～40座/艘左右，年均用鋼量僅為60～80萬t。加之海工用鋼的特點為多品種、小批量，達不到規(guī)模效益。②對耐海水腐蝕機理的研究不足。由于各合金元素在不同海洋環(huán)境條件下的耐蝕效果不同、各牌號鋼種在不同海洋環(huán)境條件下的耐蝕性能也有很大的差異，加上因試驗方法不同而造成的誤差等影響，腐蝕試驗結(jié)果必然有所不同，而我國缺乏該領(lǐng)域檢測與第三方認證機構(gòu)。特別對我國南海高濕熱、強輻射、高Cl-海洋環(huán)境下的鋼鐵材料腐蝕問題還未得到研究與驗證，腐蝕數(shù)據(jù)積累不足。 ③焊縫焊材的耐蝕性問題未得到重視。由于接頭各部分在成分和組織上的不均勻性、殘余應(yīng)力以及應(yīng)力集中等因素的影響，使得接頭的耐蝕性往往低于母材，而在整個焊接接頭中焊縫是耐腐蝕性最差的部位。

4 對策與建議

隨著世界安全和環(huán)保意識的提高以及經(jīng)濟全球化引起的物流量增加，強化對船舶與海工裝備結(jié)構(gòu)安全性、可靠性、及海上運輸高速化、高效化的要求，需進一步提供高性能鋼材。如果國內(nèi)不能生產(chǎn)而大量進口，不但會推高造船行業(yè)的建造成本；而且，如果船東青睞這種鋼材，而國外不予供貨的話，船企接單也將受到影響。因此，需要國家政策引導(dǎo)支持，造船、海工、鋼鐵、航運等企業(yè)以及高?？蒲性核o密協(xié)同與合作。建議：①加強政策引導(dǎo)和財政支持，加大研發(fā)投入。在國家層面制定海洋耐蝕鋼的科技發(fā)展規(guī)劃，加大研發(fā)投入。同時，改變資金投入機制，讓有限的資金集中投放到由企業(yè)、高校、研究機構(gòu)等組成的優(yōu)勢協(xié)同創(chuàng)新體。建設(shè)我國海洋耐蝕鋼4大區(qū)域中心：即以環(huán)渤海灣(鞍鋼、首鋼、大連造船、北船重工(青島)、中國科學(xué)院金屬研究所、中國科學(xué)院海洋研究所、東北大學(xué)、北京科技大學(xué)、大連理工大學(xué)、清華大學(xué)等)、長江口(寶鋼、南鋼、沙鋼、滬東中華造船、振華港機、上海交通大學(xué)、上海大學(xué)、南京工業(yè)大學(xué)、南京理工大學(xué)、浙江大學(xué)等)、長江中上游流域(武鋼、重鋼、攀鋼、華菱集團、武船重工、中船重工719研究所、武漢科技大學(xué)、華中科技大學(xué)、武漢大學(xué)、武漢理工大學(xué)、重慶大學(xué)等)和珠江口(寶鋼集團湛江基地、武鋼集團防城港基地、廣州廣船國際股份有限公司、廣州黃埔造船廠等、華南理工大學(xué)、香港科技大學(xué)等)為重點的區(qū)域中心。②以海洋耐蝕鋼的協(xié)同研發(fā)為切入點，搭建三會一社(中國船舶工業(yè)行業(yè)協(xié)會、中國鋼鐵協(xié)會、中國船東協(xié)會、中國船級社)、造船企業(yè)、鋼鐵企業(yè)、航運企業(yè)、高?？蒲性核?lián)合參與的“產(chǎn)、學(xué)、研、用、檢”的工作及信息交流平臺，使海洋耐蝕鋼的研發(fā)從臨時協(xié)調(diào)機制轉(zhuǎn)變?yōu)殚L期合作機制，并盡快落實船用和海工裝備耐蝕鋼的應(yīng)用研究和實船考核工作，定期探討船用耐蝕鋼的研發(fā)推進工作，規(guī)范行業(yè)準入和認證管理，建立和完善船用和海工裝備耐蝕鋼標準體系以及船用和海工裝備耐蝕鋼加工配送體系。 ③加強對海洋耐蝕鋼，特別是我國南海高濕熱、強輻射、高Cl-環(huán)境下的腐蝕機理研究。建設(shè)海洋耐蝕鋼的檢測機構(gòu)和第三方認證機構(gòu)等共同平臺。④加強海洋耐蝕鋼的焊接性研究與評定，研究開發(fā)相配套的焊接材料、焊接工藝。

5 關(guān)鍵技術(shù)與核心科學(xué)問題

5.1 關(guān)鍵技術(shù)

海洋耐蝕鋼研究與開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)包括：中厚板與特厚板的純凈度控制技術(shù)(尤其是超低S的控制)、腐蝕性夾雜物(MnS和nCaOmAl2O3等)控制技術(shù)、鑄坯中心偏析控制技術(shù)、特厚板的軋制技術(shù)與工藝、中厚板與特厚板的焊接性評定與焊接工藝、以及配套焊接材料的研究與開發(fā)等。

5.2 核心科學(xué)問題

海洋耐蝕鋼研究與開發(fā)的核心科學(xué)問題主要包括：新型易焊接海洋耐蝕鋼厚板與特厚板的設(shè)計理論與原理，海洋耐蝕鋼厚板與特厚板均質(zhì)化、細晶化、高韌化機理，海洋耐蝕鋼厚板與特厚板高效高可靠性焊接冶金原理，海洋工程厚板與特厚板以及焊接接頭的耐蝕機理，包括在我國南海高濕熱和海洋微生物等特殊環(huán)境下的腐蝕機理等。

致謝感謝中國工程院和國家自然科學(xué)基金委員會的支持，感謝周廉院士、翁宇慶院士和薛群基院士的鼓勵與支持，感謝“中國海洋工程材料研發(fā)現(xiàn)狀及發(fā)展戰(zhàn)略初步研究”項目組各位專家提供的相關(guān)資料與信息。

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