复杂环境用大厚度高性能海洋结构用钢关键技术开发与应用
来源： 中国金属学会 发布时间：2024-01-17
一、研究背景与问题
在海洋工程领域，海洋平台是海洋资源开发工程中的标志性设施，属于超大型焊接钢结构，海洋平台用钢作为工程结构用钢在保证海洋设施安全方面起着极为重要的作用。“十三五”期间，我国大部海洋结构用钢已经实现了国产化，但是产品质量较国际领先企业的产品还有较大差距。355 mpa级特厚(≥100 mm)钢板和核心部件用420 mpa级高性能海洋结构用钢仍需要进口。目前市场上常见的海洋工程用钢（如s355nl）的显微组织为铁素体 少量珠光体，全厚度方向上的低温韧性基本能够满足海洋工程用钢现用的要求，但在实际生产中存在些许问题，如钢水纯净度偏低夹杂物颗粒粗大、连铸坯的冷却及矫直过程中表面容易出现裂纹、大厚度钢板厚度方向晶粒尺寸不均匀等，导致部分钢板出现低温冲击韧性不合格的现象。此外，为了满足海洋油气资源的开采向深海、极地环境发展要求，需要不断开发强度级别更高的新钢种，同时还需对新钢种开展全面的服役性能研究，积累服役性能数据，确保服役安全。
未来几十年，自升式海洋平台建造数量大，并且需要进一步提高工作水深，具备在南海较深海域钻井的能力。另外，鉴于海洋平台广泛应用在波浪、海潮、风暴及寒冷流冰等严峻的海洋工作环境中，支撑总重量超过数百吨的钻井设备，高强度一直是海洋用钢发展的方向，较高的强度不仅能增加平台承载能力，还可以降低平台重量，节约建造成本。高强轻量化是海洋平台用钢的主要发展趋势，是实现海洋平台经济性与安全性统一的有利手段。随着海洋油气开发不断向深水发展，海洋平台用钢的厚度不断增加，60 mm 以上的特厚板应用越来越普遍，最高厚度可达249 mm。特厚板生产技术难度大，易出现力学性能不均匀、焊接热影响区脆化、焊缝开裂、层状撕裂、疲劳性能差等问题。中海油十四五规划中的重大工程之一就是将采用60mm以上大厚度420mpa级别的高强钢建设新一代海洋平台，因此，开发复杂环境用的大厚度高强韧海洋工程用钢实现示范应用，不仅为湘钢海洋工程用钢领域保持领军地位奠定基础，而且为推动我国海洋平台用钢的升级换代具有重要意义。
二、解决问题的思路与技术方案
1、采用超低碳微合金成分设计，突破了洁净钢冶炼技术、低温浇铸技术和动态轻压下与重压下协同控制技术，降低了凝固过程中300mm厚连铸坯的共轭偏析，达到了钢中s含量≤0.003%，p含量≤0.008%，c类偏析0.5级的超低磷硫和低偏析控制效果。
2、采用低应变速率轧制技术，提升了钢板组织中大角度晶界比例，成功研制出了最厚100mm、-40℃心部冲击功均值≥300j，韧脆转变温度低于-50℃，10%应变时效后-40℃心部冲击功均值≥200j，母材ctod(-10℃)≥0.4mm，粗晶热影响区ctod(-10℃)≥0.2mm的大厚度低温钢板，实现了极地恶劣环境下420mpa级高强海洋工程的首次应用。
3、基于全流程钢板表面氧化皮演变机制的研究，控制返红温度在450~550℃范围，使钢板表面发生共析反应，形成了高比例ʃ3a、ʃ13b低维重合点阵晶界的以fe3o4为主的致密氧化皮，改善了表面氧化皮的完整性和抗裂性，实现了钢板高表面质量控制。
4、基于数字化理念设计了低碳cu-ni合金成分体系，获得了低电势差的贝氏体 铁素体微观结构，降低了基体的腐蚀动力，在锈层中形成具有负电效应的cufeo2和nife2o4相，同时结合微钙处理技术，降低夹杂物与基体的电势差，阻碍cl-的扩散与聚集，提高了钢板耐海洋环境腐蚀性能。
三、主要创新成果
复杂环境用大厚度高性能海洋结构用关键技术深入研究，于2023年获得一种低温韧性优异的大厚度460mpa级海洋工程用钢板及其生产方法、大厚度420mpa级低屈强比海洋工程用钢及其生产方法、一种高韧性低屈强比低合金高强度钢板的生产方法等多项发明专利，并在国际国内知名期刊发表《effect of quenching and tempering on mechanical properties and impact fracture behavior of low-carbon low-alloy steel》、《海洋平台用eh460钢热变形行为研究》、《海洋工程用特厚s420钢热变形行为的研究》等多篇论文，同时主持编制了国内第一个海洋平台用钢行业标准yb/t4283-2012《海洋平台结构用钢板》，和第国内第一个海洋平台导管架团体标准t/ssea 0227-2023《海洋平台导管架用钢板》，并参与修订了国家标准gb/t 37602-2019《船舶及海洋工程用低温韧性钢》。湖南省金属学会在科技成果鉴定报告中评价：“复杂环境用大厚度高性能海洋结构用钢关键技术，整体达到了国际先进水平，其中420mpa级别loom大厚度高性能海洋结构钢板关键技术达到国际领先水平”。项目衍生的关键技术获得湖南省科技进步二等奖一项、湖南省冶金科学奖一等奖2项、二等奖1项。
四、应用情况与效果
项目实施以来，经济效益明显。近三年本项目研发的复杂环境用大厚度高性能海洋结构钢应用量共计49.8万吨，其中出口占10%，销售总额28.3亿元，新增利税4.6亿元，出口创汇3亿元，增收利润总额4亿元。湘钢做为国内海洋结构用钢认证最齐全的企业，借助复杂环境用大厚度高性能海洋结构用关键技术开发与应用，成功研发420mpa~460mpa级复杂环境用大厚度高性能海洋结构用钢，并通过abs、dnv、ccs等船级社入籍认证、美国api体系认证以及欧盟认证，实现系列产品全覆盖。项目实施以来典型的产品研发及应用情况如下：
1、研发及认证完成正火交货150mm大厚度大单重风电及海工用钢研发，且-10℃下ctod值≥0.30mm。
2、研发海洋平台用100mm厚规格api 2y-60zls，通过abs、ccs船级社认证，独家供货中海油陵水17-2项目，首次应于第一个3000米“三十年不回坞”的半潜式浮式平台，实现海工首次大批量使用420mpa级别超高强度钢。在此基础上进一步研发完成100mm深水导管架用api 2y-60zls，并通过焊接及ctod认证，ctod值均≥0.46mm，国内首家一次性通过流花项目严苛的考核，独家中标亚洲第一，近十年世界第二水深的流花项目并保质保量交付，实现国产替代进口，国内海工深水导管架首次批量使用420mpa级别超高强度钢；
3、成功研发最大100mm厚s420g2 m 极地高强海工钢，满足屈服强度大于420mpa，-60℃下心部冲击韧性≥200j的性能要求，通过abs、ccs船级社认证，顺利通过俄罗斯诺娃泰克资质审核，实现向世界最大的天然气项目——俄罗斯yamal arcticlng2项目批量供货。同时打开海外市场，开发的系列产品向tortue项目、米塔尔、英格兰马里湾海上风电等项目批量供货；成功研发100mm厚en10225-1 s420mlo高强海工钢，通过dnv、abs、ccs船级社入籍认证，取得青岛武船迈科德莫特澳洲斯卡伯勒项目供货资格，实现首单4000余吨s420mlo高强海工钢应用并得到客户高度赞誉；
4、成功研发无钒低碳当量api 2h-50钢板，填补了湘钢api系列产品空缺，实现首单向marjan项目供货3100余吨，性能合格率100%；美标api 2w-60高强海工板，并实现首批订单出口arcelor mittal singapore pte ltd，性能合格率100%；
5、项目成功研发最大厚度100mm厚en10225-1 s460mlo高强海工钢，通过dnv、abs、ccs 船级社入籍认证，并在新加坡吉宝changhua项目中实现首次应用。
6、成功研发120mm特厚fh36,实现国内唯一一家通过船级社认证并批量交付应用于mer03、极地破冰船等重大项目。
本项目开发的复杂环境用大厚度高性能海洋结构用钢关键技术，整体达到了国际先进水平，其中420 mpa级别100mm大厚度高性能海洋结构钢板关键技术达到国际领先水平。成功应用于俄罗斯亚马尔、北极二等重大项目，并与中海油、沙特阿美等国际知名企业建立了战略米乐app官网登录的合作伙伴关系。在海洋工程用钢领域市场占有率国内第一，项目实施后，打破了国外复杂环境下大厚度海洋工程用钢的技术垄断，对推动我国钢铁行业科技进步和提升市场竞争力具有重要作用与意义。
信息来源：湖南钢铁集团湘潭钢铁公司
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