近年來,對海洋資源尤其是深海資源的開發(fā),已經(jīng)成為各國關(guān)注的焦點。發(fā)展海洋工程,“材料先行”刻不容緩。在日前召開的海洋工程裝備與船舶用鋼論壇暨海洋平臺用鋼國際研討會上,與會嘉賓表示,未來5年~10年將是我國發(fā)展海洋工程及其所用材料的大好時機(jī),海洋工程行業(yè)要盡快建立上下游產(chǎn)業(yè)鏈合作平臺,通過上下游積極聯(lián)動解決在鋼板生產(chǎn)、船舶和平臺設(shè)計制造中的問題,共同推進(jìn)我國海洋戰(zhàn)略的實施。

海洋工程年用鋼量需求可期

船舶業(yè)與海洋工程業(yè)在內(nèi)涵、構(gòu)造、標(biāo)準(zhǔn)、管理等方面存在根本性的差異,但這個問題曾被人們所忽視。其實,10多年前,世界上比較發(fā)達(dá)的海洋國家,如日本、韓國、挪威等的造船企業(yè)以及世界主要船級社,就已經(jīng)成立了獨(dú)立的船舶(事業(yè))部與海洋工程(事業(yè))部。近年來,我國也開始接受這一劃分法,將海洋工程裝備作為一個獨(dú)立的產(chǎn)業(yè)看待。國內(nèi)大型造船企業(yè)開始陸續(xù)注意在內(nèi)部組建海洋工程(事業(yè))部。這對健康有序地推動船舶與海洋工程產(chǎn)業(yè)發(fā)展,對冶金、材料界理順并區(qū)分海洋工程業(yè)與造船業(yè)鋼材需求有著重要的意義。

研討會上,中國工程院院士、中國金屬學(xué)會名譽(yù)理事長翁宇慶表示,海洋工程裝備需要的大量金屬材料,主要包括油氣鉆采、深海研究、海水淡化、特種船舶與發(fā)動機(jī)所需材料4大類。其中,油氣鉆采用材有海洋平臺結(jié)構(gòu)用鋼板、油氣鉆采和輸送用鋼板,深海研究用材包括具有強(qiáng)耐腐蝕性能的深海用金屬材料和深潛器用金屬材料,特種船舶與發(fā)動機(jī)用材主要有石油天然氣船用低溫金屬材料、船舶柴油機(jī)用曲軸和船舶螺旋漿用金屬材料等。

現(xiàn)在人們常說的海洋工程,主要限于海洋油氣鉆采裝置(平臺)、海洋鉆采裝置的配套設(shè)備、海洋工程船,其中海洋油氣鉆采裝置(平臺)成為海洋工程的重要標(biāo)志。

由于海洋工程具有環(huán)境惡劣、高風(fēng)險、高技術(shù)特點,在用鋼方面也有其自身的特點。

海洋石油工程股份有限公司副總工程師、海洋工程技術(shù)中心主任鐘文軍表示,由于海洋平臺服役時間比普通船舶長,并且要長期抵抗惡劣的風(fēng)浪條件,水下修理維護(hù)的成本極高,其采用的鋼板必須具有高強(qiáng)度、高韌性、抗疲勞、抗層狀撕裂、耐海水腐蝕等特性。此外,由于海洋平臺采用焊接結(jié)構(gòu),平臺用鋼要有良好的可加工型。一是要保證良好的可焊性,可焊性主要通過控制碳當(dāng)量和裂紋敏感系數(shù)(Pcm)來實現(xiàn),并且要通過焊接試驗進(jìn)行驗證。二是要有良好的冷加工能力,由于很多大直徑鋼管要通過鋼板卷制而成,鋼板要保證在卷制后仍然能夠具有良好的機(jī)械性能,尤其是韌性。在平臺部分關(guān)鍵部位還要用到超厚板,其要求的最大厚度能夠達(dá)到150mm。

浮式平臺的船體部分用鋼基本與固定平臺類似,但在一些關(guān)鍵部位上有特殊要求,如自升式鉆井船樁腿齒條,需要強(qiáng)度達(dá)到690MPa的超高強(qiáng)鋼材。

中國船舶工業(yè)行業(yè)協(xié)會等權(quán)威部門對今后我國海洋工程用鋼需求作了以下估計:一是我國海洋油氣鉆井平臺裝備的70%仍須進(jìn)口,其用鋼量每年大于100萬噸;二是FPSO(海上浮式生產(chǎn)儲油船)和其他海洋工程輔助船(含船上裝備)年用鋼量約為100萬噸;三是淺海海底油氣管線用鋼年需求量為20萬噸~25萬噸;四是包括易焊接鋼,鉆采、海水淡化用高端特殊鋼,以及業(yè)主指令進(jìn)口的平臺用鋼在內(nèi)的海洋工程特殊鋼將大量進(jìn)口。

超高強(qiáng)度鋼、鑄件等成為開發(fā)重點

現(xiàn)階段我國海洋工程用鋼的發(fā)展有兩條主線,一是積極開發(fā)高端產(chǎn)品;二是努力提升量大面廣產(chǎn)品的質(zhì)量,增強(qiáng)國際競爭力。有統(tǒng)計顯示,2012年國內(nèi)主要鋼廠船板和海工用鋼產(chǎn)量中,一般強(qiáng)度鋼(A級~E級)占44%,高強(qiáng)度鋼(AH32~FH40)占55%,超高強(qiáng)度鋼(AH420~FH690)只占0.4%。

首先,超高強(qiáng)度鋼的研發(fā)是重點之一。隨著我國海上油氣開發(fā)走向深水,越來越多的高強(qiáng)度、大厚度、耐低溫沖擊鋼被用到海洋工程上。如我國自主設(shè)計、建造的第六代半潛式鉆井平臺,其特殊結(jié)構(gòu)區(qū)域采用了EQ56、EQ70的高強(qiáng)度鋼板,用量約為400噸。雖然EQ56鋼目前國內(nèi)有幾家鋼廠已開發(fā)成功,但是由于此類特殊鋼的用量規(guī)模較小且規(guī)格較多,在國內(nèi)采購有些難度,主要還是依賴進(jìn)口。由于此類鋼板的價格昂貴,從服務(wù)海洋工程領(lǐng)域、提高我國海洋工程裝備行業(yè)的綜合競爭力方面來看,有必要對這種特殊類型的高強(qiáng)度鋼材的國產(chǎn)化進(jìn)行重點研發(fā)。

另外,自升式鉆井平臺升降系統(tǒng)的齒條構(gòu)件所用到的牌號為ASTMA517GRQ的高屈服強(qiáng)度的合金鋼,一般要求厚度在150mm以上,具有強(qiáng)度高、抗沖擊韌性強(qiáng)、抗層狀撕裂性好、耐腐蝕的性能。目前國內(nèi)已研發(fā)成功了150mm、180mm、215mm等不同厚度規(guī)格的此類合金鋼板,但目前還不能按船廠所需,全規(guī)格、批量地生產(chǎn)這種鋼材,仍須進(jìn)口。此外,雖然國產(chǎn)材料與進(jìn)口材料強(qiáng)度是一致的,材料成分也基本一致,但是焊接性能沒有進(jìn)口的好,焊接須要預(yù)熱和保溫,所花的費(fèi)用相對較高。建議提高此類國產(chǎn)特種鋼材的冶煉水平和鋼板的熱處理工藝,提高切割齒條板的工藝。

隨著平臺減量化發(fā)展的趨勢,平臺用鋼強(qiáng)度也有從355MPa向420MPa或460MPa發(fā)展的趨勢,并要達(dá)到歐共體標(biāo)準(zhǔn)EN10225中的有關(guān)要求。隨著420MPa~690MPa級別的鋼板大量被采用,亟須發(fā)展有相應(yīng)屈服強(qiáng)度等級的電焊條、二氧化碳藥芯焊絲和埋弧焊絲/焊劑。目前,大部分品種的焊接材料仍靠進(jìn)口,須加大焊接工藝、焊材方面的研發(fā)力度。

其次,鑄件和專利件開發(fā)意義深遠(yuǎn)。深水浮式鉆井平臺結(jié)構(gòu)中的某些特殊區(qū)域和部位要使用鑄造件或?qū)＠�件材�?雖然此部分材料在結(jié)構(gòu)鋼總重量中只占很小的比例,但是這些鑄件材料價格昂貴,屬高附加值的產(chǎn)品。另外,從總體上來講,發(fā)展鑄造件和專利件也是我國海洋工程裝備制造技術(shù)的發(fā)展方向之一。

為此,業(yè)內(nèi)人士表示,要加快雙金屬復(fù)合海管開發(fā)。由于石油天然氣中含有大量的H2S、CO2、Cl-等腐蝕介質(zhì),尤其是海底油氣田內(nèi)部管道輸送的凈化前油氣介質(zhì)中的腐蝕成分含量高,有的還要加熱輸送,內(nèi)腐蝕問題十分突出。雙金屬復(fù)合管可有效地防止管道內(nèi)部腐蝕。盡管國內(nèi)已有不少廠家能夠生產(chǎn)雙金屬復(fù)合管,但是各廠家技術(shù)水平參差不齊,普遍因技術(shù)不成熟、規(guī)模小、生產(chǎn)效率低下而不能滿足需求。因此,我國須加緊雙金屬復(fù)合管制造技術(shù)的研發(fā),提高制造的自動化程度。另外,還要加快開發(fā)適應(yīng)高溫、高壓、高強(qiáng)度、高腐蝕環(huán)境的冶金復(fù)合管,加快海洋腐蝕用銅復(fù)合管和鈦復(fù)合管的開發(fā)。

此外,還要提高海底管道管的質(zhì)量穩(wěn)定性。海底管道鋪管船的作業(yè)成本很高,要降低海底管道施工的成本就要提高海底管道的鋪設(shè)效率。在實際工程中發(fā)現(xiàn),在鋪管船作業(yè)線的特定環(huán)境下,當(dāng)海況環(huán)境比較惡劣但不威脅管道的安全時,影響鋪管作業(yè)進(jìn)度的主要原因之一就是管道的對中和焊接,鋼管的橢圓度、厚度和平直度等尺寸公差與管道的對中和焊接有直接的關(guān)系。海底管道的材料尺寸公差須滿足DNVOSF101的要求,有些甚至比規(guī)范要求的更加嚴(yán)格(如對管道橢圓度和厚度的要求),這樣有利于提高海上施工效率,進(jìn)而減少工期和降低成本。

上下游協(xié)作求共贏

目前,國內(nèi)一些量大面廣的海洋工程用鋼的生產(chǎn)質(zhì)量仍有待提高。據(jù)中信微合金化技術(shù)中心常務(wù)主任、中信金屬公司總工程師郭愛民博士介紹,在厚度60mm以上的鋼板質(zhì)量控制方面,下游用戶反映的主要問題如下:力學(xué)性能不均勻,韌性和延性低(占37.7%);焊接HAZ韌性惡化,焊接開裂(占26.0%);Z向性能低,層狀撕裂(占10.0%);時效敏感性強(qiáng)、不穩(wěn)定,疲勞性能差(占4.5%);其他帶狀、粗晶、混晶、夾雜物超標(biāo)等(占21.8%)。

在鋼板外觀質(zhì)量控制方面,國內(nèi)鋼廠和日本、韓國的先進(jìn)水平之間也存在一些差距(見下表),這也影響到下游的材料利用率。

此外,因為在設(shè)計水平、制造水平、管理水平和鋼材加工水平上與國外先進(jìn)水平存在差異,我國船板材料利用系數(shù)為85%~88%。而在日本和韓國,這一指標(biāo)為92%~95%。

國內(nèi)船板大多以正火狀態(tài)交貨,控軋控冷TMCP鋼板比例僅為20%左右。而在日本和韓國,這一比例為60%左右。TMCP鋼板可大幅降低碳當(dāng)量,提高構(gòu)件抗冷裂紋敏感性,可降低預(yù)熱溫度,從而顯著提高構(gòu)件施工效率;低碳設(shè)計使得材料中心偏析顯著降低,有效避免了構(gòu)件焊接和熱矯正過程沿鋼板中心偏析線開裂的危險;納米級鈮的碳氮化顆粒析出,阻止了HAZ組織粗化,顯著改善焊后HAZ區(qū)韌性,克服了正火鋼焊后韌性大幅度衰減的風(fēng)險。TMCP鋼板與正火鋼板相比,具有高性能、高精度、高表面質(zhì)量、優(yōu)異焊接性和低廉的成本等優(yōu)勢,提高TMCP鋼板比例是目前改善我國高強(qiáng)船舶和海工用鋼質(zhì)量的關(guān)鍵,也是降低成本、提升我國海工裝備國際競爭力的主要方向。

目前,國務(wù)院已印發(fā)頒布了《全國海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展“十二五”規(guī)劃》,海洋產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展將依賴于先進(jìn)的海洋工程裝備的技術(shù)發(fā)展,海洋工程裝備的發(fā)展已被列入國家高端裝備制造業(yè)的“十二五”發(fā)展規(guī)劃。為完成這一規(guī)劃,我國應(yīng)進(jìn)一步加大海洋工程材料技術(shù)的基礎(chǔ)研發(fā)投入,以發(fā)展關(guān)鍵、瓶頸材料技術(shù)為研發(fā)重點,發(fā)揮各方優(yōu)勢,加強(qiáng)基礎(chǔ)性關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān),提高自主創(chuàng)新能力,力爭獲取具有自主知識產(chǎn)權(quán)的海洋工程材料技術(shù)和產(chǎn)品,促進(jìn)材料技術(shù)發(fā)展路線由跟仿式向自主研發(fā)式轉(zhuǎn)化,盡快縮短與國際先進(jìn)水平的差距。