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先进海工及高技术船舶用特厚钢板文献研究

来源: 首钢科技信息网       发布时间:2020-01-10       浏览:367


文章来源: 铁诺咨询

2020-01-08

国家制造强国战略部署了十大领域,新材料是十大领域之一,也是其他九大领域高端制造业的基础,而海工平台是新材料领域中21个方向之一,承担着海洋新材料推广应用的重担。2019年,工信部正式批复建设先进海工与高技术船舶材料生产应用示范平台,要把海工平台建设与国家制造强国战略相统一,扎实推进平台建设,努力把平台建设成为国际一流海工材料生产应用示范基地,助力国家蓝色海洋战略和海洋强国梦的实现。该平台由中国船舶重工集团公司第七二五研究所(洛阳船舶材料研究所)、烟台中集来福士海洋工程有限公司、冶金工业信息标准研究院、钢铁研究总院、中国船级社、鞍钢股份有限公司、武昌船舶重工集团有限公司、烟台安姆斯实业有限公司联合体共同承担。

 

为实现先进海工与高技术船舶新材料示范推广以及与终端产品的同步设计、系统验证,平台将重点针对100mm厚止裂钢、690MPa级特厚板、355MPa级大线能量焊接钢、Ti80合金、高强纤维增强乙烯基酯树脂结构声学复合材料、7E75铝合金等六大类先进海工与高技术船舶新材料,开展生产应用示范平台建设,包括材料生产示范线建设、材料评价示范线建设、材料应用示范线建设、应用评价设施建设、生产应用信息数据库建设、生产应用公共服务体系建设、生产应用人才服务体系建设。

 

高强度钢主要用于海洋工程、起重设备、工程机械、容器储罐等工作条件苛刻,希望减少自重的重要钢结构。高强度钢的应用,除了能降低材料成本、运输成本、制造成本外,还能节约焊材消耗、焊接工时,减少焊后应力,降低焊接预热温度、降低焊后热处理要求等。海工吊车、船用液罐、自升式海洋平台桩腿、煤矿液压支架等,较多地使用了Q690高强度钢。对于海工领域,690MPa级高强度钢已成为重点钢种。

 

1 690MPa高强度钢在海工领域上的应用

 

1)LPG船液罐

 

LPG(液化石油气)船主要运输以丙烷和丁烷为主要成分的石油碳氢化合物或两者混合气,还有一些化工产品。LPG船因其特殊用途而产生了各方面的特殊要求,其技术难度大,代表当今世界的造船技术水平。液罐是LPG船最重要的结构,液罐的质量决定了船的使用寿命和安全。船用全压式液罐采用高强度钢材料,强度级别最高用到690MPa,可大大减轻储罐的重量,从而降低运输成本。近年受能源需求日益增长的影响,国内LPG运输船储罐的制造技术发展迅猛,现已基本实现了国产化。

 

2)海洋钻井平台

 

为保证海洋石油平台建造的经济性以及服役期的安全性,平台用钢应具有更高的强度、更优的低温韧性和可焊性,高强钢在钻井平台的应用将更为广泛。目前通过船级社认证的海洋平台用高强钢的最高强度级别为FH690,国际上对海洋平台用高规格的齿条钢普遍采用ASTM标准中的A517Q和A514Q。

 

3)海工起重设备

 

海工起重设备主要包括船用甲板吊车、海洋平台吊车、海工重型起重机等,这些设备中臂架、吊臂及基座转盘等受力部位使用Q690高强钢。

 

2 国外690MPa高强度钢的研究与应用

 

欧洲作为海洋资源开发较早的区域,其海洋平台用钢的研发、应用、品种系列化及标准化处于领先地位,已可生产A、B、D、E级的屈服强度在235-690MPa之间的各种钢板。目前欧洲用于海洋平台建设的钢种应用最广泛的为S355、S420、S460及S690,耐腐蚀性能良好。挪威埃科菲斯克Ⅱ号海洋钻井平台是欧洲第1座使用改进韧性S690Q钢板的海洋平台。俄罗斯Arkt icheskaya自升式钻井平台用于北极地区的油气钻探,最大钻探深度6500m。当前S690级高强钢在海洋平台中的应用越来越多,但仍需解决高强钢板焊接处易开裂及耐蚀性差等问题。日本对海洋平台用钢的研究较早,已开发出耐海水腐蚀、大线能量焊接及耐低温等系列的高强钢板,强度级别已达980MPa。JFE公司形成了自己的企业标准系列,海洋平台的钢板抗拉强度为360-980MPa,品种主要有JFE-HITEN系列高强钢板等。

 

1)新日铁

 

新日铁的厚板,通过供应使用大型设备生产的超长度、宽幅度的钢板和应用了控制冷却工艺等先进技术的高性能产品,满足了用户提高结构件的安全性和个性化需求。特别是在造船方面,大型集装箱船用高强度厚板(EH47)和原油油轮用高耐腐蚀性厚板(NSGP-1))等高性能钢材获得用户的好评。另外,通过使用于海洋结构件的低温高韧性厚钢板和用于能源装置的超厚钢板、风力发电等再生能源用厚钢板等的制造和供应,已切实满足了逐步增长的能源领域钢板需要。

 

利用微合金化元素析出,新日铁开发HTUFF技术,其用于海洋平台的钢板主要有WEL-TEN系列高强钢板、NAW-K及CORTEN系列无涂层焊接结构用耐蚀钢板、MARILOY系列焊接结构用耐海水腐蚀钢板及NAW-TEN系列含Ni耐候钢板等品种。此外,新日铁公司还按API2W,EN10225,NORSOK及BS7191标准生产屈服强度315-550MPa的A、D、E、F级别钢板,最高强度达到950MPa。新日铁开发的210mm厚自升式海洋平台用HT80特厚钢板,屈服强度超过700MPa,抗拉强度超过850MPa。

 

2)JFE

 

JFE钢铁公司拥有东日本制铁所京滨地区、西日本制铁所仓敷地区以及福山地区的三处堪称世界最先进的厚钢板工厂,制造宽度为5350mm(世界最大尺寸)、厚度达360mm的各种厚钢板产品。JFE高度重视针对碳钢的厚板产品的开发,生产了拉伸强度超出980N/mm2的高强度钢板、低温用钢板、锅炉/压力容器用钢板、高耐大气腐蚀钢板、耐磨钢板、不锈钢钢板、各种复合钢板等。

 

JFE生产的JFE-HITEN780系列以及JFE-HITEN980,具有优异的低温韧性和焊接性,广泛适用于桥梁、压力水管、海洋结构件等寒冷地区。980系列可实现结构件的轻量化和减少施工量,可根据用途不同实现进一步的高强度。通过合金元素优化可提高材质性能(包括焊接性),特别适用于压力水管等高强度低温韧性的结构件。

 

3)迪林根

 

德国迪林根钢铁公司是国际海洋平台用钢主要生产企业之一。迪林根公司开发的海洋平台用厚板最厚达250mm,最宽达5200mm,最大钢板单重60吨。迪林根开发的用于北极圈库页岛的S450钢在-60℃时冲击功超过300J,满足了此类地区海洋开发的需要;另外,其开发的S690特厚板满足了平台齿条的要求,并得到了大量应用。迪林根公司研发及生产的海洋平台用钢板主要有细晶粒正火钢板S275N-S460N、细晶粒TM/ TMCP 钢板S355M - S460M和淬火及回火钢板S460QS690Q。

 

3 国内690MPa高强度钢的研究与应用

 

我国开发海洋石油平台用钢起步比较晚,到20世纪80年代才建成自己的海洋石油平台。我国首次自主设计建造的3000m深水半潜式钻井平台“海洋石油981”于2008年4月28日开工建造,2012年5月9日首钻成功,所用钢的强度已达到690MPa;北海油区海洋自升式平台固定结构已使用500MPa以上,甚至750MPa高强度钢。但我国海洋平台用钢强度不高、规格不全、耐腐蚀性能较差、配套工艺不完善等问题,仍限制了我国自主开发海洋资源的能力。

 

目前,我国船舶与海洋工程用钢已能满足国内市场的大部分需求,但部分高级别的特种钢材仍依赖进口,主要是大厚度具有高强度、抗层状撕裂、大热输入量焊接、超低温韧性、高止裂等性能的钢板,其生产工艺十分严格,对设备要求高,开发难度大。

 

齿条是桩腿中最具代表性的大构件,齿条钢厚度和单重大,多为127-210mm厚,用强度为690-800MPa的调质型高强度钢制造。中国开发ASTM A514/A517系列产品的企业主要有宝钢、舞阳钢厂和鞍钢等。宝钢采用连铸坯生产的ASTM钢板最大厚度为88mm,模铸坯生产的钢板最大厚度为178mm。舞钢先后研发了114mm、127mm、152.4mm、177.8mm厚度的齿条钢。另外,鞍钢采用锻造坯试制齿条钢,沙钢也开展齿条钢特厚板的试制工作。

 

1)宝钢

 

宝钢生产的690级别钢板得到ABS、CCS、DNV、GL等多家船级社认可,并在多个国内外重要工程中得到成功应用。其中包括30万吨FPSO浮式储油轮、8530TEV集装箱船、LNG(液化天然气船)、LPG(液化石油气船)、30万吨VLCC超大型油轮、大型散货船、海底管线、自升式海洋平台及半潜式海洋平台等标志性工程。

 

宝钢采用连铸坯生产的最大厚度为88mm及模铸坯生产的最大厚度为178mm A517Q钢不仅具有高的强度及优良低温冲击韧性,而且表现出良好的焊接性能。宝钢具有纯净钢冶炼、电磁搅拌、轻压下等炼钢工艺技术,厚板具有板型控制、表面质量控制和微观组织控制等综合技术特征,保证了海洋工程用钢的高性能、高质量要求。宝钢研制生产的API、ASTM、EN、EQ系列海洋工程用钢,化学成分、力学性能、焊接性能优良,满足各标准、规范的要求,并具有良好的加工、服役性能,同时具有质量稳定、板形及尺寸精度高,优良表面质量,广泛应用于国内外重要海洋工程项目中,为海洋资源的开发提供了优质的钢铁材料。

 

2)鞍钢

 

鞍钢的海工钢板级别涵盖了普通强度A、B、D、E级和高强度AH32-EH32、AH36-EH36、AH40-EH40级的大线能量焊接用船体及海洋采油平台用钢系列,产品最大厚度为100mm,焊接线能量为100kJ/cm。其强度、低温韧性、规格等指标均达到国际先进水平。

 

3)舞钢

 

舞钢很早就开始进军海洋工程领域,目前海洋平台用钢板的最高认证级别为E690,其主要供货品种为A、B、D、E(Z15、Z25、Z35)、AH32-FH32(Z15、Z25、Z35)、AH36-FH36(Z15、Z25、Z35)、D40、E40、API SPEC 2H Gr42、Gr50等。舞钢开发的海洋平台用齿条及桩腿用高强特厚板A514GrQ、A517GrQ实现了替代进口,最大供货厚度达到177.8mm。其生产的D36-Z35海工钢,被用于我国第一个世界级深水项目——位于南海东部1500m深海区域的“荔湾3-1”气田中。生产的A514GrQ齿条钢最大厚度达215mm,比国外最大厚度还超出5mm,解决了自升式平台升降机构齿条钢、半圆板国产化的问题。

 

舞钢高强度齿条钢的生产工艺,使用大型扁钢锭、利用先进的调质钢生产线,采用合理的成分设计、洁净钢冶炼、轧制、合适的淬火、回火温度等先进工艺及技术,成功开发了177.8mm厚度海洋平台用高强度齿条钢板。舞钢生产的大厚度齿条钢板性能优异,不同厚度处的力学性能趋于一致,强韧性匹配良好,通过焊接工艺评定,具有良好的焊接性,能够满足海洋平台桩腿升降装备的技术要求,可用于深海钻井平台、风电安装船等装备制造。


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