海洋工程用钢品种开发(杨才福)

船舶海洋工程用钢的发展杨才福钢铁研究总院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内容提要1.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–大线能量焊接用钢–耐腐蚀油船用钢–止裂船板–低温用钢3.“十三五”规划中国海洋经济的发展•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2025：十大领域•航空航天、海洋工程、轨道交通“走向深蓝”的海洋经济是我国经济的“蓝色引擎”南海是“海上丝绸之路”战略的重点中国造船业的发展2014年指标数量万吨份额%完工量390541.7新接订单599550.5手持订单1489047.1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、集装箱止裂板）−焊接性差距大海工用钢技术现状国内外对比：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。材料类型国外水平国内现状高强厚板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、大厚度依赖进口9500E/F69011000E/F6905半潜式平台（Semi）30000E36工作海深差距大6张力腿平台（TLP）—国内空白7柱筒式平台（Spar）—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）40000D32耐腐蚀船舶11液化天然气船（LNG）30000E369Ni、InVar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–高强度、大规格•（256mm厚钢板）–易焊接、高效率•（大线能量焊接）–高耐蚀、低成本•（耐海洋腐蚀）弦板齿条板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127,150,180,210,259≥6901000-2000150mm以上全面进口弦板25,50,85≥690300-1000全面进口支撑管(273～406)X(17～60)≥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（1）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。导管架上部模块海洋工程用钢重大技术需求（2）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•钢在海岸的腐蚀比沙漠中大400倍以上，在距离海岸24米时比距离海岸240米的腐蚀快12倍；•南海因其高湿热、强辐射、高Cl-环境腐蚀性更强，装备维护十分困难，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20倍、青岛的5倍；−现有耐候钢在南海均出现腐蚀速率先低后高，n值大于1的异常现象.海洋工程用钢重大技术需求（3）高耐蚀、低成本内容提要1.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–大线能量焊接用钢–耐腐蚀油船用钢–止裂船板–低温用钢3.“十三五”规划船舶海工用钢大线能量焊接技术GEVWElectro-slagWeldHeatinput,KJ/cmThickness,mm焊接占40%制造成本焊接热输入100kJ/cmHAZ韧性氧化物对HAZ韧性的影响Ti-Mg钢Ti-Mg,0.7μmAl，2.2μm大线能量焊接用钢技术MicrostructuresoftheCGHAZatt8/5=180s•V-Ti-Nmicroalloying•BetterCGHAZtoughness(t8/5timelongerthan100s.)•Microstructure:─V-N-Tisteel:morethan80%isFerrite─Nb-TiandV-Tisteel:thecoarsebainiticmicrostructure.100kJ/cmV-Ti-NSteel氮含量对大线能量焊接HAZ韧性影响0501001502002503000.00440.00940.01400.01900.0240Akv,-20oCN,%05010015020025030035040060100140180220260300340Akv,-20℃,Jt8/5,sV-94ppmNV-140ppmNV-190ppmNTp=1350°Cx1s,t8/5=180sTp=1350°Cx1s,t8/5=100-300sBasedMetal:0.08C-1.20Mn-0.2Si-0.012Ti-0.06VN=44-240ppmEffectofNonCGHAZMicrostructure0.0044%N0.0094%N0.0140%N0.0190%N0.0240%NTp=1350°Cx1s,t8/5=180sQuantitativeAnalysisforCGHAZMicrostructureFS:FerritewithSecondphaseFSP:FerriteSidePlateAF:AcicularFerritePF:PolygonalFerriteQuantitativeAnalysisforCGHAZMicrostructureV-TiPrecipitatesintheAs-RolledPlatesTi-richparticlesinhotrolledplatearesignificantlyrefinedwiththeincreasingofNcontentfrom94ppmto190ppm01020304050600102030405060708090100110120130Frequency,%Equivalentdiameter,nmAveragesize:44.5nm94ppmNitrogen01020304050600102030405060708090100110120130Frequency,%Equivalentdiameter,nmAveragesize:26.6nm190ppmNitrogen01020304050600102030405060708090100110120130Frequency,%Equivalentdiameter,nmAveragesize:75.9nm94ppm[N]V-TiPrecipitatesatPeakTempduringweldedsimulation01020304050600102030405060708090100110120130Frequency,%Equivalentdiameter,nmAveragesize:29.6nm190ppm[N]01020304050600102030405060708090100110120130Frequency,%Equivalentdiameter,nmAveragesize:20.9nm190ppmNitrogen01020304050600102030405060708090100110120130Frequency,%Equivalentdiameter,nmAveragesize:32.5nm94ppmNitrogenV-TiPrecipitatesatCGHAZ•MorefinerTiV(C,N)particlesinhigh[N]190ppmas-rolledsteel.•Thefineparticlesinthehighernitrogensteelaremorestableathightemperature,resultinginfineraustenitegrainsizeintheCGHAZ.•Increasing[N]promotesTiV(C,N)precipitationinγduringcoolingfromTp,andreducestheaverageparticlesizeintheCGHAZ.大线能量焊接海洋工程用厚板工业试验MechanicalPropertiestmmRm，MPaRp0.2,MPaA，%Z，%KV（-40℃）BendN605453812875169goodH-1505343723478181H-2505233623580207Spec.490-630≥355≥21≥27CSiMnPSAlsNiCuTiVNbNCeqN0.160.161.600.0120.0030.0270.34--0.0080.0430.0360.0040.46H-10.1470.281.550.0090.0010.0360.005--0.0110.074--0.0090.42H-20.1320.321.480.0090.0020.0350.240.250.0120.050--0.0090.43焊接接头低温韧性Nb-VSteelH-1H-2Nb-VSteel:50kJ/cmV-Ti-N:~100kJ/cmfortoughnessrequestat-40℃~160kJ/cmfortoughnessrequestat-20℃Rp0.2,MPaRm,MPaA,%Z标准≥290≥415≥21表面324504361/4333491331/232146533Z向63.0海工用超厚E36钢板•250mmE36特厚钢板•钢锭模铸+直接轧制，降低工艺成本•采用V-N微合金化，改善截面均匀性•性能特点–良好强韧性匹配，表面、1/4和1/2性能均匀–心部-40℃冲击功达到300J以上•平台用大规格型钢和船用球扁钢为孔型轧制，道次变形小、既无法控轧、又无法控冷•E550级别H型钢和D40级别球扁钢为世界难题。大规格高强度型钢•例如，D40球扁钢：最大规格腹板宽430mm腹板厚20mm最大规格钢级Rel/MPaRm/MPaA%Akv-20℃/J船检认证Akv-40℃/JHP430*20D40≥390≥510≥20≥34≥34单球扁钢对称球扁钢VCN析出控制轧制技术NewTMCPProcessinV-NSteelsFerriteGrainRefinementbyIGFTechnologycombinedwithVCNPrecipitationControlRolledProcess(PRCR)inV-NSteelSchematicDiagramofVCN-PCRP•采用钒氮微合金化设计+控制析出轧制工艺（PCRP），已经开发出屈服强度355、390、440MPa级系列高韧性船用球扁钢品种技术。D40极限规格430mmx20mm热轧球扁钢屈服强度高于410MPa，-40℃冲击功达到200J大规格高强度型钢•国际海事组织（IMO）规范升级的要求–油轮建造规范•涂层保护标准•耐腐蚀钢（日本）–2010年5月MSC第87次会议批准执行–新规范2014年1月1日执行耐腐蚀油轮用钢开发30万吨级VLCC•日本1999年启动，2010年IMO国际标准确定•中国，5年完成开发工作–2010年内部立项，突破核心技术，完成钢