海洋工程材料5

哈尔滨工程大学船舶工程学院HarbinEngineeringUniversityShipbuildingEngineeringCollege苗玉刚2015年12月船舶工程学院海洋工程材料(5)哈尔滨工程大学船舶工程学院二、海洋工程常用钢铁材料三、海洋工程常用有色金属材料第5章海洋工程中常用金属材料一、海洋工程对金属材料的要求哈尔滨工程大学船舶工程学院海洋油气钻采平台等大型海洋结构物工况特点和对金属材料的要求海洋油气钻采平台等大型海洋结构物，处在风、浪、流、海水腐蚀、甚至严寒的恶劣环境下工作，特别在深海域，还受到海洋密度分层产生的内波影响及水波流场和结构物相互作用的势流动力学影响，因此往往具有特殊的结构形式，并且在材料上提出了比船舶用钢更高的要求。哈尔滨工程大学船舶工程学院硫含量和Z向性能的要求（我国船舶检验局规定）Z向性能（板厚方向的断面收缩率Ψz）哈尔滨工程大学船舶工程学院强度和韧性要求要求屈服强度高，特别是移动式平台，要求采用400～690MPa级高屈服强度的钢材。对韧性的要求高。在寒冷地区，需要有足够的低温韧性。哈尔滨工程大学船舶工程学院耐腐蚀性能要求海洋结构物在海洋环境下将受到潮流、盐分、水温、微生物等腐蚀影响，并且在海水中的不同部位（海洋大气带、飞溅带、潮差带、全浸带和海土带）受到的腐蚀情况不同。哈尔滨工程大学船舶工程学院海洋大气带的腐蚀为海洋大气腐蚀海洋大气中有大量含盐微粒的水气，加上雨、雾、风速、相对湿度等气象因素，海洋大气腐蚀要比其它类别的大气腐蚀严重。耐海洋大气腐蚀的有效合金元素Cu、P、Si、Al、Mo、Cr等，其中效果最显著的元素为Cu、P，不与海水直接接触的海洋结构物部分可采用耐海洋大气腐蚀钢。哈尔滨工程大学船舶工程学院飞溅带一般是指平均潮位受到波浪作用的上限部分受到海水交替的干湿变化，溶解的氧量也比较多。由于日光的照射使温度升高，再加上海面的污损生物、浮油等的附着以及台风、流水等促进腐蚀因素，所以腐蚀极为剧烈，是海水腐蚀环境中腐蚀最严重的部位，其腐蚀速度可达到全浸带的好几倍。提高钢在飞溅带的耐腐蚀能力的有效合金元素P、Cu、Mo、Ni、Cr、Si、W、Ti等，效果最显著的元素为P、Cu、Mo。哈尔滨工程大学船舶工程学院潮差带和飞溅带同样也是腐蚀严重的部位但由于潮差带的供氧情况比下部的全浸带好，在潮差带和全浸带之间形成的氧的浓差电池，使潮差带作为该电池的阴极而受到保护，使腐蚀的速度和程度降低，提高钢在潮差带的耐腐蚀能力，可选用与飞溅带相同的有效合金元素。哈尔滨工程大学船舶工程学院全浸带指潮差带与海底之间海水浸没的部分全浸带由于上述氧浓差电池作用和海水流动造成金属上氧的不均匀分布形成的氧浓差电池及海洋生物的作用，加上不同的金属接触所产生的电化学腐蚀，所以除了金属的均匀腐蚀，还会产生局部腐蚀或点蚀。减轻材料在全浸带腐蚀的有效元素Cr、P、Al、Mo、Si等，特别是Cr。在深海，由于含氧量少，海水温度随水深而降低，海洋生物附着减少，同时海水流速也减慢，所以腐蚀速度反较慢，合金元素效果也变得不明显。哈尔滨工程大学船舶工程学院海土带中氧极少，所以腐蚀也最轻。对部分埋在海底，部分裸露在海水中的钢结构，由于氧的氧浓差电池作用，加快了埋在海土中的部分钢的腐蚀。在海土中，特别是在浅海海土中，由于从陆地上流入的污染土中存在大量促进腐蚀的微生物，腐蚀较为剧烈。哈尔滨工程大学船舶工程学院冷加工性要求一般船体结构用钢，即使是大型船舶用钢，仅用30～50mm厚的钢板，但海底石油采掘设备等大型海洋结构物则需要用60～70mm，甚至更厚的钢板，而且主要是进行冷加工，因此需要钢板有更好的冷加工性能。哈尔滨工程大学船舶工程学院焊接性能要求大型海洋结构物大多是管件，圆形构架状的组合，形状变化大，往往需要将数据组合的管子在应力集中处进行焊接，并且大多在露天或海上作业条件很差的情况下焊接，所以要求材料有比舰船用钢更好的焊接性能和更便于焊接操作的条件。哈尔滨工程大学船舶工程学院海洋油气钻采平台等大型海洋结构物用金属材料。海洋油气钻采平台等大型海洋结构物主要采用钢质材料建造，大量使用的钢材是焊接高强度结构用钢和焊接低合金高强度耐海水腐蚀用钢，它们除了按各种船级社规范进行要求外，常常还要求耐层状撕裂性能和焊接接头的COD性能，比规范要求更为严格。哈尔滨工程大学船舶工程学院海洋油气钻采平台用焊接高强度结构钢对平台的本体结构物必须充分考虑结构是否会因水压产生弯曲变形，并且在施工时使用冷热加工及焊接接头必须满足疲劳强度，通常采用抗拉强度为500MPa级的正火型高强钢，钢板厚度通常不大于130mm，不建议用调质型高强钢。哈尔滨工程大学船舶工程学院海洋油气钻采平台经常采用的焊接高强度结构用钢屈服点为320MPa的AH32-EH32钢、屈服点为360MPa的AH36-EH36钢、屈服点为390～690MPa级钢，如美国的ASTMA537C1.2,A543,A633Gr.E,A678Gr.D,A710Gr.C,A737Gr.C，英国的BS436055E和55F，挪威的NVF420和460，日本的KA43、47、51、56、63、63N、70、70N、KD43、47、51、56、63、63N、70、70N，KE43、47、51、56、63、63N、70、70N，KF43、47、51、56、63、63N、70、70N等。哈尔滨工程大学船舶工程学院海洋油气钻采平台用焊接低合金高强度耐海水腐蚀用钢海洋环境对钢的腐蚀情况非常复杂，目前还没有一个低合金钢号能全面达到海洋环境的要求。目前国外工业生产的低合金耐海水腐蚀用钢按成份系列可分为: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、Cr-Al-Mo系等，以下介绍典型的钢号。哈尔滨工程大学船舶工程学院美国的Mariner钢Ni-Cu-P系的半镇静钢，其屈服强度和抗拉强度分别为：355MPa和490MPa以上，特点是在飞溅带的耐海水腐蚀性能好，为普通碳素钢的2～3倍，即使在没有混凝土包履等防护措施的情况下，也能长期的使用，而且很少发生点蚀。但此钢中含P量较高（0.08～0.15%P），不适宜厚度大于20mm钢板的焊接，不能用于焊接的海洋结构物，主要用作护堤、筑堤等用的钢桩。哈尔滨工程大学船舶工程学院日本的Mariloy钢该钢针对美国“Mariner”钢P含量高、焊接性能差及全浸带耐腐蚀性能差的问题而研制的耐海水腐蚀钢，包括2个强度级别（σs≥400MPa和σb≥490MPa），三种不同海水部位（飞溅带、全浸带、飞溅带和全浸带）的6个钢号，它们是钢中含P量≤0.03%的Cr-Cu系低合金耐海水腐蚀钢，其中Mariloy钢P50的σs≥325MPa，σs≥490MPa，在飞溅带的耐腐蚀性能是普通碳素钢的2倍左右，用于系船浮标、钢桩等，适用厚度6～25mm。哈尔滨工程大学船舶工程学院法国的APSCr-Al钢该钢包括APS20A、APS20M、APS25三个钢号,它们均含有4%Cr，APS20A含有0.90%Al，APS20M含有0.90%Al和0.15%Mo，APS25含有0.60%Al和0.15%Mo及0.80%Ni。正火后20mm以下钢材的强度为：APS20A、APS20M的σs≥310MPa，σs≥490MPa；APS25的σs≥590MPa，σs≥835MPa；它们的耐海水腐蚀性能大大优于碳钢，在海水中全浸46个月的对比腐蚀试验表明，为碳钢的2.18～3.23倍，它们在焊接时不需要预热或焊后热处理，但以650℃消除应力为宜；缺点是该钢有晶粒长大倾向，因此要防止过热，并且除氩弧焊外，不能做到含Al均匀的焊缝；APSCr-Al钢用于制造船舶管道、海水制水设备、防波堤的护板、闸门、渡船、救生艇、盐器设备等.哈尔滨工程大学船舶工程学院我国从1965年起开始研制耐海水腐蚀钢试验钢号近200种，其中10Cr2MoAlRE、08PVRE、09MnCuPTi、10MnPNbRE、10NiCuAs、10CrMoAl等已通过鉴定，但除了少数用户因个别工程需要订货外，尚未推广开来，应用少，产量也少，多用在钢板桩、海水冷凝器、输海水管线、管桩、船坞闸门等方面，尚未涉及大型的固定式和移动式海洋结构物。哈尔滨工程大学船舶工程学院§5.2海洋工程常用钢铁材料铸铁碳钢哈尔滨工程大学船舶工程学院船体与海洋工程结构用钢需要经过冷、热加工，船航行中和海洋工程结构工作中又受到海浪的冲击和海水、海泥、海洋大气的腐蚀。因此，要求船舶与海洋工程用钢应具有高综合性能（良好的塑性和冲击韧性），满意的可焊性和较好的耐海水、海泥、海洋大气腐蚀性能。碳素结构钢合金结构钢按化学成分低碳钢（C≤0.25%）中碳钢（C＝0.25-0.60%）高碳钢（C＞0.60%）按含碳量§5.2.1海洋工程用结构钢哈尔滨工程大学船舶工程学院一般强度海洋工程用结构钢——分为A、B、D、E四个质量等级《海上移动式钻井船入级与建造规范》规定，船式、驳船式和坐底式钻井船用一般强度结构钢材，应选用按船规规定的一般强度船体结构钢，《规范》将一般强度结构钢分为A、B、D、E共4个等级。钢材的质量等级主要是以对冲击韧性（夏比V型缺口试验）的要求区分的。A级为在常温(20℃)做冲击试验，冲击功不低于27J。B级为在0℃做冲击试验，冲击功不低于27J。D级为在-20℃做冲击试验，冲击功不低于27J。E级为在-40℃做冲击试验，冲击功不低于27J。1、海洋工程用一般强度结构钢碳素结构钢哈尔滨工程大学船舶工程学院等级与厚度供货状态A(所有厚度)B(所有厚度)D(厚度≤35mm)(厚度＞35mm)E(所有厚度)热轧,正火或控制轧制热轧,正火或控制轧制热轧,正火或控制轧制正火正火一般强度结构钢供应状态一般强度结构钢的力学性能哈尔滨工程大学船舶工程学院等级ABDE脱氧方法半镇静、镇静、沸腾钢半镇静、镇静钢全镇静细晶粒（铝处理）全镇静细晶粒（铝处理）化学成分/%C≤0.21≤0.21≤0.21≤0.18Mn②≥0.80≥0.60≥0.70Si≤0.35≤0.350.10～0.350.10～0.35S≤0.040≤0.040≤0.040≤0.040P≤0.040≤0.040≤0.040≤0.040Al(酸溶)----≥0.015≥0.015一般强度结构钢的化学成分哈尔滨工程大学船舶工程学院自升式、半潜式钻井船用结构钢根据构件类别、板厚和工作温度选用。哈尔滨工程大学船舶工程学院为了防止层状撕裂，对关键构件应考虑采用Z向钢板，对于表面焊接板材的重要构件建议采用Z向钢板，如重要构件未能采用Z向钢板而选用船体结构钢时，对钢板应逐张进行超声波检查。Z向钢板是以某一等级船体结构钢为基础，经过特殊冶炼和处理的钢材，Z向钢板除应满足母级钢的要求外，其含硫量和板厚方向的断面收缩率也应满足表4-42要求。哈尔滨工程大学船舶工程学院固定平台结构用钢材的级别可根据构件类别、构件厚度和最小设计温度按下表选用船用结构钢材。哈尔滨工程大学船舶工程学院高强度船体结构钢的化学成分2、海洋工程用高强度结构钢：我国《海上移动式钻井船入级和建造规范》将船用低合金高强度钢称为高强度船体结构用钢。高强度船体用结构钢——有四个质量等级(A、D、E、F)和三个强度级别组合§5.2.1海洋工程用结构钢哈尔滨工程大学船舶工程学院船用结构钢的力学性能(GB712-2000)§5.2.1海洋工程用结构钢哈尔滨工程大学船舶工程学院自升式、半潜式钻井船用结构钢钢材应按下表规定选用高强度船体结构钢。§5.2.1海洋工程用结构钢哈尔滨工程大学船舶工程学院H表示32kgf/mm2和36kgf/mm2的高强钢△表示比E32、E36更高一级的钢材哈尔滨工程大学船舶工程学院§5.2.2海洋工程用铸铁铸铁由于具有具有优良的成形性能、加工性能、力学性能及低廉的价格，在各工业部门得到广泛的应用。随着我国沿海工业的快速发展和对海洋资源的开发利用，铸铁材料在海洋环境中的应用日益得到重