劉振宇，周硯磊，狄國標，王國棟

（1.東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室，沈陽 110819；2.首鋼技術研究院，北京 100041）

高強度厚規(guī)格海洋平臺用鋼研究進展及應用

劉振宇1，周硯磊1，狄國標2，王國棟1

（1.東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室，沈陽 110819；2.首鋼技術研究院，北京 100041）

隨著石油工業(yè)的不斷發(fā)展，海底油氣開發(fā)已經逐漸從淺海大陸架延伸至深海域，在降低成本的基礎上，保證厚規(guī)格鋼板的高強度高韌性以及抗層狀撕裂性能是未來海洋平臺用鋼的發(fā)展方向。本文介紹了國內外高強度海洋平臺用鋼的研究現(xiàn)狀，分析了此類鋼板生產亟需解決的關鍵技術難題，闡述了東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室（RAL）近年來在高強度厚規(guī)格海洋平臺用鋼研究領域的工作以及工程應用情況。

海洋平臺用鋼；低溫韌性；超快速冷卻；頸縮裂紋擴展

1 前言

海洋工程裝備是海洋經濟發(fā)展的前提和基礎，處于海洋產業(yè)價值鏈的核心環(huán)節(jié)，市場前景廣闊。2012年2月印發(fā)的《海洋工程裝備制造業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》中展望，2015年，該行業(yè)年銷售收入將達到2 000億元以上，其中海洋油氣開發(fā)裝備國際市場份額達到20%；2020年，年銷售收入將達到4 000億元以上，其中海洋油氣開發(fā)裝備國際市場份額達到35%以上[1]。海洋工程裝備制造業(yè)的快速發(fā)展為上游鋼鐵行業(yè)提供了機遇，也將帶動海洋用鋼需求同步增長。資料顯示，“十一五”期間，我國已開發(fā)建設15個海洋油氣田，建造76座海洋平臺、6座浮式生產儲油船（FPSO），鋪設1 400多千米海底管線。2010年，我國共交付各類海洋平臺16座，新承接自升式鉆井平臺5座，海洋平臺模塊訂單10座[2]。

海洋平臺是人類開發(fā)海洋資源的工具，屬于超大型焊接鋼結構，應用在波浪、海潮、風暴及寒冷流冰等嚴峻的海洋工作環(huán)境中，支撐總重量超過數(shù)百噸的鉆井設備。這些使用特征決定了海洋平臺用厚板必須具有高強度、高韌性、抗疲勞、抗層狀撕裂、良好的可焊性和冷加工性以及耐海水腐蝕等性能指標。根據(jù)相關專家介紹，近年來，國產海洋平臺鋼板已經被廣泛采用，EH36以下平臺用鋼基本實現(xiàn)國產化，占平臺用鋼量90%，只是關鍵部位所用高強度、大厚度材料仍依賴進口。但我國在高端海洋工程裝備制造領域，特別是產品研發(fā)設計、核心關鍵配套設備等方面的鋼材仍不能完全滿足需求。目前中國每年約有70%的海洋工程裝備配套設備需要進口。對此，《鋼鐵工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》和《新材料產業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》都把提升海洋工程用鋼品種質量作為技術改造的重點，加以扶持。

2 國內外高強度海洋平臺用鋼研究進展

2.1 國外研究進展

20世紀60年代開始，美國、日本和歐洲各國就開始了海洋平臺用鋼的研究，從歷史沿革來看，海洋平臺用鋼多采用造船用鋼標準，即使是許多現(xiàn)代化平臺選用了新型平臺用鋼，依然執(zhí)行船舶檢驗局的有關鋼質船舶建造規(guī)范的規(guī)定。目前，國際上海洋平臺用鋼生產所遵循的通用標準主要為BS7191（英國）、EN10225（歐洲）、NORSOK（挪威）以及API（美國）[3]。在海洋平臺用鋼品種系列化、低溫強韌化、焊接熱影響區(qū)強韌化以及標準制訂等方面，日本一直處于世界領先水平[4]。

2.1.1 熱機械控制工藝及在線熱處理技術

日本JFE鋼鐵公司開發(fā)了采用在線快速冷卻（Super-OLAC）的熱機械控制工藝，以及一種新的在線熱處理技術（HOP），作為高強度、高韌性以及具有優(yōu)良焊接性能中厚板生產的核心技術（見圖1）。

圖1 控制軋制與拉制冷卻工藝和傳統(tǒng)熱處理工藝比較Fig.1 Comparison of production process between thermomechanical control process（TMCP）and conventional heat treatment process

20世紀90年代初，JFE鋼鐵公司開發(fā)出了新一代加速冷卻技術，稱之為Super-OLAC工藝，并應用于西日本鋼廠，成為世界上首家開發(fā)并成功在中厚板中應用在線加速冷卻技術的鋼鐵企業(yè)[5，6]。該工藝通過調整噴嘴方向、噴嘴密度以及噴淋方式等實現(xiàn)了鋼板表面出現(xiàn)具有高冷卻能力的核胞沸騰，使得冷卻能力較之傳統(tǒng)冷卻方式提高了2～5倍并且鋼板表面溫度分布均勻。

近年來，JFE公司開發(fā)的HOP是一種利用電磁線圈產生的感應電流穿過中厚板產生的熱量來實現(xiàn)鋼板的在線快速加熱的技術，為世界首創(chuàng)[7]。HOP技術的應用，完全實現(xiàn)了同步在線熱處理軋制—快速冷卻—熱處理整套在線工藝的建立，極大地縮短了工藝流程，節(jié)省了能源。利用高效的感應加熱裝置進行快速回火可以對碳化物的分布和尺寸進行控制，使其非常均勻、細小的分散于基體上，從而實現(xiàn)調質鋼的高強度和高韌性。

2.1.2 連續(xù)在線控制工藝及CLC-μ技術

20世紀80年代新日鐵公司率先采用冷卻前鋼材矯直和約束冷卻方式的連續(xù)在線控制工藝（CLC）[8]，適用于生產強度級別大于490 MPa的高強鋼板，并可以改進鋼板的低溫韌性和焊接性能。此后，在CLC應用的基礎上，開發(fā)了新一代控制冷卻系統(tǒng)CLC-μ[9]，CLC-μ繼續(xù)采用約束型的控制冷卻方式，但是在噴嘴形式以及水量控制方法等方面做了根本改變，大大增強了冷卻控制性能，從而對厚板金相組織的控制變得非常容易，板帶厚向的硬度波動減到了最小。

2.1.3 熱影響區(qū)細晶高韌化（HTUFF）技術

20世紀90年代初，新日鐵公司開發(fā)的HTUFF技術主要利用超高溫狀態(tài)（＞1 400℃）下可在熔合線附近穩(wěn)定存在的氧化物、硫化物的納米級粒子的釘扎作用，抑制結晶晶粒的長大，細化了HAZ的晶粒尺寸（見圖2），大幅提高了HAZ的韌性[10]。

圖2 HTUFF鋼與傳統(tǒng)鋼HAZ組織對比Fig.2 Comparison of HAZ microstructure between HTUFF steel and conventional steel

除了采用傳統(tǒng)的控制軋制及熱處理工藝外，住友金屬公司應用自主研發(fā)的動態(tài)加速冷卻工藝（DAC）生產具有優(yōu)良性能的中厚板產品，此外還開發(fā)了特殊控制軋制技術（SSC）、高韌性技術（SHT）以及與DAC相復合的一系列先進的軋制技術。

2.2 國內研究進展

我國開發(fā)海洋石油起步較晚，直到20世紀80年代才擁有自己的海洋石油平臺，近十幾年間，國產的海洋平臺鋼板開始在我國海洋石油工程中廣泛采用。隨著海洋石油工業(yè)的發(fā)展，冶金行業(yè)加快了海洋平臺用鋼的研究開發(fā)工作，首先是在舞陽鋼鐵公司（簡稱舞鋼）和上海浦鋼集團實現(xiàn)供貨，隨后寶鋼集團有限公司（寶鋼）、鞍山鋼鐵集團公司（鞍鋼）、武漢鋼鐵集團公司（武鋼）、馬鞍山鋼鐵股份有限公司（馬鋼）等企業(yè)先后研制了一大批海洋平臺結構專用鋼管、板材與型鋼，產品除國內油氣田廣泛使用外，還出口美國、加拿大、俄羅斯、澳大利亞、新西蘭、印度尼西亞、泰國等國家。

近10年來，舞鋼開發(fā)生產了十幾萬噸海洋平臺用鋼板，廣泛應用于渤海、勝利、南海等油田平臺建設，現(xiàn)已大批量供應APl2HGr50、DH36、EH36等平臺用鋼，通過了9家船級社（ABS、BV、CCS、DNV、GL、LR、NK、RINA、KR）認證。2001年，舞鋼研制高強海洋平臺用鋼和APl2WGr50等TMCP型平臺鋼，性能滿足APl2W、GB712及海上固定平臺與建造規(guī)范的要求[11]。

寶鋼集團上海浦鋼公司也開發(fā)成功DH36-Z35、EH36-Z35等海洋石油平臺鋼板[12]，各項性能指標全部達到相關標準規(guī)范要求，可以穩(wěn)定生產符合“海上固定平臺入級及建造規(guī)范”和附加要求的EH36-Z35、DH36-Z35等海洋平臺鋼板。

馬鋼開發(fā)SM490、SM400系列海洋石油平臺用H型鋼，先后用于SZ36-1、QHD32-6、文昌13-1/2、蓬萊19-3、東方1-1等10余個海洋石油平臺建造項目，并以優(yōu)異的實物性能獲得海洋石油平臺制造行業(yè)及第三方的高度認可，實現(xiàn)了海洋石油平臺用H型鋼的國產化。

2006年5月鞍鋼宣布鞍鋼造船板通過了英國、挪威等九國船級社的權威認證，鋼板級別涵蓋了315～550 MPa級，最高質量等級達到FH550級，最大厚度由過去40 mm增加到100 mm，超高強級別達到80 mm。2010年鞍鋼成為國內首家通過F620、F690超高強海洋平臺用鋼船級社認證的鋼鐵企業(yè)，這些進步標志我國船體結構和海洋工程結構用鋼板已接近世界先進水平，打破了國外企業(yè)在此領域高端產品的壟斷格局。

目前，海洋平臺用鋼國產化程度已達到90%，但是在高強度（460～550 MPa）鋼板推廣、超高強度（≥690 MPa）鋼板研發(fā)、齒條鋼研發(fā)、配套焊接材料等方面還存在一系列問題和障礙，特別是自升式平臺關鍵部位使用的550～785 MPa級易焊接、高強度、高韌性、耐海水腐蝕的平臺用鋼還嚴重依賴進口，需要進行廣泛的研究和協(xié)作以解決這些問題。

3 亟需解決的問題

相比于傳統(tǒng)的中厚板生產技術，新一代TMCP技術（NG-TMCP）[13]以及在線熱處理技術具有明顯優(yōu)勢，近年來，新一代TMCP技術發(fā)展迅速，也取得了許多進展，但仍然有諸多問題有待探索和解決。

1）厚規(guī)格鋼板心部低溫沖擊韌性變化機理與控制技術：厚規(guī)格鋼板心部-60℃的沖擊韌性變化規(guī)律復雜而且難以掌握，是海洋工程結構用鋼質量提高的關鍵技術。

2）特厚鋼板（180～220 mm）顯微組織與力學性能控制的冶金學規(guī)律與工藝。

3）海洋工程用鋼表面質量控制：確保較高的表面質量，避免出現(xiàn)嚴重點腐蝕等缺陷，積雪突破表面質量控制技術。

4）耐海水腐蝕性能：開發(fā)免涂裝的耐海水腐蝕鋼板，滿足不同部位腐蝕要求的全系列的耐海水腐蝕鋼。

4 實驗室創(chuàng)新技術

4.1 應用超快速冷卻（UFC）[14]的短流程熱處理技術

實驗表明，采用低C、高Mn、Nb和Ti微合金化并少量添加Ni元素改善低溫韌性的成分設計思路，經奧氏體區(qū)兩階段軋制過程后迅速UFC至Tf溫度，之后進行離線高溫回火（見圖3），可以得到屈服強度大于550 MPa，抗拉強度大于700 MPa，-60℃沖擊功大于120 J的海洋平臺用鋼。

采用UFC的新一代TMCP工藝的軋態(tài)組織性能控制思路是：在適用于變形的溫度區(qū)間完成連續(xù)大變形和應變積累，得到硬化的奧氏體，軋后立即進行超快速冷卻，使軋件迅速通過奧氏體相區(qū)，保持軋件奧氏體硬化狀態(tài)，在奧氏體向鐵素體相變的動態(tài)相變點終止冷卻，后續(xù)依照材料組織和性能的需要進行冷卻路徑的控制。如圖4所示，軋態(tài)為下貝氏體和粒狀貝氏體的混合組織，貝氏體鐵素體（BF）形態(tài)多為針狀和條狀，富碳相的形態(tài)及分布可概括為如下兩種：a.連續(xù)分布于板條鐵素體之間的條狀碳化物；b.多分布于鐵素體邊界處，表面浮突，呈不規(guī)則島狀的M-A復相組織（M-A islands）。高溫回火后，演變?yōu)榈湫偷幕鼗鹭愂象w組織，鐵素體長大，碳化物及M-A組織分解，分解的M-A島中可以觀察到大量顆粒狀的碳化物析出（如圖4c所示）。

圖3 應用超快冷的短流程熱處理工藝示意圖Fig.3 Schematic diagram of thermo-mechanical control process and tempering process

圖4 軋態(tài)及回火態(tài)顯微組織Fig.4 SEM images of as-rolled and as-tempered samples

控制顯微組織中碳元素的分布是應用UFC的短流程熱處理技術的關鍵難點，圖5給出了不同階段M-A島碳元素分布的演變規(guī)律，可以看出，軋態(tài)的M-A組分中碳元素分布均勻，隨著回火過程的進行，碳元素在熱激活的擴散作用下，重新分布，釋放出的碳原子，與合金元素結合形成富Nb碳化物，在鐵素體內彌散分布，這些細小析出物一方面通過析出強化作用強化了鐵素體基體；另一方面，可以有效阻礙位錯運動，演化基體回復，降低軟化趨勢，從而保證回火后鋼板的高強度。

圖5 M-A島的碳分布演變Fig.5 Evolution of carbon distribution of M-A islands

4.2 UFC+T強韌化技術[15]

UFC+T生產工藝可用于生產屈服強度大于600 MPa，抗拉強度大于720 MPa，-60℃沖擊大于100 J的海洋平臺用寬厚板。

強化機理：M-A復相組織多分布于鐵素體邊界處，表面浮突，呈不規(guī)則島狀，回火過程中，此類富碳相分解，C與Nb等結合，再析出細小碳化物，強化了基體組織，保證了回火后的高強度。

韌化機理：基體組織為回火貝氏體，鐵素體軟相首先發(fā)生塑性形變，大于臨界尺寸的M-A組元在斷裂過程中易萌生微裂紋，而小于臨界尺寸的富碳相粒子則隨鐵素體形變而移動，聚集成團，團聚富碳相可以阻礙剪切裂紋的擴展，頸縮擴展成為裂紋擴展的主要方式，宏觀表現(xiàn)為韌性撕裂斷口（如圖6a所示）。

4.3 亞溫淬火技術（Lamellarizing+Tempering）[16]

高強度厚規(guī)格的海洋工程結構用鋼多采用軋后調質的傳統(tǒng)生產工藝，通過合理的成分設計，采用L+T（γ+α兩相區(qū)淬火+回火）的軋后熱處理工藝，可以得到綜合性能優(yōu)良的高強度海洋工程結構用厚鋼板（如圖7所示），與傳統(tǒng)工藝相比，降低了再加熱溫度，縮短了工藝流程，達到了節(jié)能減排的目的。

圖6 裂紋擴展方式及路徑Fig.6 Mode and path of crack

圖7 γ+α兩相區(qū)淬火+回火試樣的強度與韌性Fig.7 Strength and toughness of test steel（γ+α）

γ+α兩相區(qū)組織控制：加熱至γ+α兩相區(qū)保溫時，M-A島逐漸分解，釋放出大量碳原子，這些碳原子在劇烈的熱運動作用下擴散至貝氏體鐵素體兩相界面及基體內位錯密度大的微區(qū)，發(fā)生富集，從而容易滿足濃度起伏、結構起伏、能量起伏等形核條件，使奧氏體優(yōu)先在這些區(qū)域形核。隨著保溫過程的進行，奧氏體晶核沿著鐵素體晶界不斷長大，C、Cr、Mo等元素富集，提高了奧氏體區(qū)淬透性，并且這種富集作用使得鐵素體內的固溶元素減少，“凈化”了鐵素體。在淬火過程中，富碳奧氏體大部分轉變?yōu)轳R氏體，未溶鐵素體硬度低且塑性好。

回火態(tài)組織控制：經過兩相區(qū)淬火后，形成的馬氏體體積分數(shù)約為18.8%（如圖8所示，白色為馬氏體，黑色為鐵素體），這些馬氏體硬相通過切變型相變遺傳了兩相區(qū)保溫時奧氏體的高碳含量，此時的硬質相界面在斷裂過程中容易誘發(fā)斷裂核心，導致韌性惡化，但是加以回火之后，一方面，馬氏體發(fā)生過飽和碳的析出，碳含量降低，同時降低了鐵素體和馬氏體兩相界面的應力集中，有效改善了其韌性；另一方面，細小的析出粒子均勻分布于鐵素體基體上，起到強烈的析出強化作用，從而保證了回火后厚板產品的高強度。

圖8 γ+α兩相區(qū)淬火與回火組織Fig.8 Microstructuresafterquenchingandtempering（γ+α）

4.4 近海腐蝕控制技術[17，18]

通過對比添加不同耐蝕元素（Cr、Ni、Cu）鋼板在模擬近海環(huán)境（富Cl－）的腐蝕規(guī)律得知，腐蝕過程可以分為腐蝕初期和腐蝕后期兩部分：腐蝕初期，腐蝕速率隨著腐蝕時間的增加而增加；腐蝕后期，腐蝕速率隨著腐蝕時間的增加而減少。Cr鋼、Cr-Ni鋼和Cr-Ni-Cu鋼的腐蝕周期分別經歷54、50和45周期，這個結果表明，Cr、Ni、Cu的復合添加，縮短了腐蝕初期的時間，使得腐蝕速率趨于平緩的時間減少，增強了鋼板的耐蝕性能。從圖9中也可看出，Cr-Ni-Cu鋼的腐蝕速率明顯低于其他兩種鋼。

圖9 添加不同耐蝕元素種類的腐蝕速率曲線Fig.9 Corrosion rate curve of specimens corroded in testing chamber for different time

圖10是Cr鋼、Cr-Ni鋼和Cr-Ni-Cu鋼在富Cl－干濕交替環(huán)境中腐蝕不同周期后銹層表面的宏觀及微觀形貌。圖10中可以看出，Cr鋼腐蝕32周期后（見圖10a），銹層表面呈淺褐色，局部可觀察到褐色銹斑，大多銹斑附近有NaCl結晶（白色斑點），表現(xiàn)出不均勻局部點腐蝕特征，可以推斷，這是由于NaCl腐蝕液中的Cl－在試樣表面局部沉積而誘發(fā)的腐蝕，腐蝕56周期后（見圖10b），銹層表面呈深褐色，顏色均勻，表現(xiàn)出均勻腐蝕特征，隨著干濕交替腐蝕過程的進行，局部腐蝕逐漸加深、擴大并連接成較大面積的腐蝕，腐蝕產物均勻覆蓋在基體表面。由圖10c可以看出，Cr鋼腐蝕30周期后，銹層由塊狀顆粒組成，疏松多孔，亦可觀察到裂紋，這些缺陷均為腐蝕離子侵入鋼基體提供了通道，從而加速腐蝕過程。圖10d～圖10f為Cr-Ni-Cu鋼分別腐蝕10、30和73周期后銹層表面的SEM形貌，可以看出，腐蝕10周期后，銹層表面腐蝕產物呈團絮狀分布，邊緣為發(fā)散狀，銹蝕顆粒間空隙大而多；30周期后，銹蝕顆粒呈塊狀，變得更加細小，堆疊顆粒間的空隙依然很大，說明仍處在腐蝕初期；73周期后，塊狀腐蝕產物的層狀堆積現(xiàn)象明顯，銹蝕顆粒之間連接緊密，空隙減小，此時，致密銹層對腐蝕介質擴散至基體引起持續(xù)腐蝕的阻礙作用增加，保護性銹層形成。通過XRD以及EPMA結果分析得知，Cr、Ni、Cu元素的復合添加，可以促進銹層中α-FeOOH和Fe3O4致密組織的形成，從而有效阻礙腐蝕介質與鋼基體表面的接觸，減緩腐蝕速率。

5 工程應用

東北大學RAL實驗室與國內大型鋼鐵企業(yè)中國首鋼集團（首鋼）、鞍鋼、南京鋼鐵集團（南鋼）等合作對實驗室創(chuàng)新技術在工程實際中的應用做了大量工作，取得了顯著成果。

圖10 腐蝕不同周期后3組實驗鋼銹層表面的宏觀及微觀形貌Fig.10 Macroscopical and microcosmic images of rust surfaces of the three group experimental steel after different cycles

UFC+T短流程熱處理技術及強韌化技術已經應用于國內某大型鋼廠，目前不但可以生產國標的各種海洋平臺及所有帶Z向性能評估用鋼種，還能批量生產部分EN10225標準鋼種，超高強海工鋼已經覆蓋420～690 MPa所有級別鋼種，最厚規(guī)格可以達到80 mm。2011—2012年向遼河油田裝備制造公司提供海洋平臺鋼3 000余噸，其中12～76 mm厚CCS/E550鋼500余噸。2011年實現(xiàn)德國SIAG公司S355G8+M、S355G8+N-Z35海上風塔鋼板18 288 t合同供貨，完成揚州通宇鋼管廠用于伊朗某公司的海洋平臺用鋼S355K2-Z35、S355J0、S355NL-Z35共計20 000多噸（見圖11）。

圖11 遼河油田CP-300自升式鉆井平臺與德國SIAG某海上風塔Fig.11 CP-300 jack-up drilling platform of Liaohe Oilfield and offshore wind tower of SIAG in Germany

6 結語

本文總結了國內外高強度厚規(guī)格海洋平臺用鋼的研究發(fā)展現(xiàn)狀，分析了此類鋼板產品生產的關鍵技術難點，介紹了東北大學RAL實驗室在高級別海洋平臺用鋼研究領域的研究成果，這些成果在與國內大型鋼鐵企業(yè)的合作研發(fā)中起到了重要作用，也得到了廣泛應用。

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Research progress and application of high performance offshore platform steel

Liu Zhenyu1，Zhou Yanlei1，Di Guobiao2，Wang Guodong1
（1.The State Key Laboratory of Rolling and Automation，Northeastern University，Shenyang 110819，China；2.Shougang Research Institute of Technology，Beijing 100041，China）

With the development of petroleum industry in China，undersea oil and gas development has gradually extended from shallow of the continental shelf to deep waters，therefore，high strength and high toughness and excellent resistance to lamellar tearing are the properties which heavy-gauge offshore platform steel must have in the future.This paper presents the research progress on high performance offshore platform steel at home and abroad in recent years，and the key technical problems of such steel production also be mentioned.Research work and engineering applications of high-strength plates in The State Key Laboratory of Rolling and Automation，such as Ultra Fast Cooling（UFC）and γ+α quenching technique，are finally reviewed.

offshore platform steel；toughness at low temperature；ultra fast cooling；necking development of crack

TG1

A

1009-1742（2014）02-0031-08

2013-10-09

國家高技術研究發(fā)展計劃“863”計劃資助項目（2007AA03Z504）；中央高?；究蒲袠I(yè)務費“重大科技創(chuàng)新項目”（N120807001）

劉振宇，1967年出生，男，內蒙古赤峰市人，教授，主要從事加工過程材料組織性能演變的模擬、預測與控制等方面的研究工作；E-mail：zyliu@mail.neu.edu.cn