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船舶海工用钢应用有哪些新进展?

2020-10-21 09:39:00

  赵萍


  近日,我国拥有完全自主知识产权的全球首艘2300TEU(标准箱级)双燃料动力集装箱船命名交付。这是近年来我国取得的多个全球首次之一。从国内首次到全球首次,我国船舶海工行业获得快速发展。

  在这背后,少不了钢铁的默默支撑。无论是在船舶航行、海洋油气开采、深海钻采集输,还是极地科研探险上,从浅水到深水,从近海到远海,钢材在助力我国海洋经济发展中都发挥着重要作用。

  造更快更好的船舶

  在船舶用钢方面,据业内专家介绍,钢材主要用于船舶船体、货舱、管系(包括泵和阀)和部分船舶装饰等的建造。除了用于建造常规船舶,钢材在各种如LNG(液化天然气)船、大型油船、大型集装箱船、化学品船等特殊船舶的建造上也发挥着重要作用。

  近年来,2万标准箱级以上集装箱船频繁出现,大有向3万标准箱级超级集装箱船发展的趋势。有关资料显示,船舶大型化的发展趋势带来了船体结构受力状态的改变,使得船体结构中的舱口围顶板、腹板及上甲边板、舷顶列板和某些如舱口角隅等局部区域处于高应力水平,对船体用钢提出了高强度、高刚度的要求,带动了高强度、高韧性止裂钢的发展。目前,我国已成功开发出90毫米、100毫米厚止裂钢,钢材性能也在不断提升。

  LNG船被称为“海上超级冷冻车”,服役环境在零下163摄氏度的极低温,这就要求LNG储罐用钢必须具备耐低温性能,往往采用殷瓦钢或9Ni钢。在LNG船上,厚度为0.7毫米的殷瓦钢极为娇贵,焊接异常困难,而且用量很大,整个液货舱由多个小块殷瓦钢板拼接而成。目前,国际上已经在低温钢领域形成了0.5Ni钢、2.5Ni钢、3.5Ni钢、5Ni钢、9Ni钢等完整的镍钢系列,我国也先后研制出了较为成熟的3.5Ni钢、5Ni钢和9Ni钢,并成功应用于低温运输船的建造。

  化学品船主要用于运送各种有毒的、易燃的、易挥发或有腐蚀性的化学物质,因此其货舱内壁和管系需使用不锈钢或喷涂耐腐蚀材料。使用耐腐蚀涂层的货舱由于不同涂层对不同化学品适应性不同,限制了化学品运输种类(硝酸铵溶液、甲酸等化学品目前因找不到合适的涂层需使用不锈钢制造的货舱),再加上涂层容易受损、需后续维护,使得近年来设计建造的化学品船多采用不锈钢或不锈钢复合板制造的货舱,甚至全部采用不锈钢货舱。目前,建造带有不锈钢货舱的化学品船对制造技术要求很高,涉及如何处理不锈钢、低碳钢等不同钢材之间强度差异、解决不锈钢与低碳钢之间焊接等问题。

  此外,2010年,国际海事组织(IMO)海上委员会第87届会议通过了《原油船货油舱替代防腐措施性能标准》,强制性要求5000载重吨以上的大型油船货油舱均需涂层保护或采用耐蚀钢建造,推动了我国油船用耐蚀钢研制和应用的快速发展。目前,国产耐蚀钢性能已达到世界领先水平,可满足大规模应用要求。

  建更稳更强的海洋平台

  在海洋平台用钢方面,钢材也同样起到重要支撑作用。由于海洋平台长期浸泡在海水中,还需要经受风暴、海浪、冰川等各种恶劣海况的考验,因此,海洋平台用钢不但要求具有高强度,还需具备良好的抗腐蚀性、低温韧性和抗层状撕裂性能等。

  当前,世界各国的海洋平台用钢从强度上分为软钢、中高强钢和高强度钢,同时考虑到海洋平台构件的稳定性和可靠性,不同强度的钢材需满足不同屈强比。此外,在海洋平台上因使用部位不同,对钢板的厚度要求也不同。

  近10多年来,国产海洋平台用钢在我国海洋石油工程中开始被广泛采用,海洋平台用钢逐步向高强度方向发展。有关资料显示,自升式平台的桩腿、桩靴、悬臂梁等关键部位载荷要求高,且为了提高船体上浮后拖航时的稳定性,需做到轻量化,要求必须使用高强度钢板。其中,对自升式钻井平台用齿条钢提出了大厚度、高强度、高韧性的发展要求。然而,随着齿条钢厚度的增加,截面厚度方向上组织、性能差异增大,提高特厚齿条钢的淬透性成为这类产品开发的难点。目前,我国已成功开发出D40、E40等高强高韧性海洋工程用结构钢板,E550等调质型超高强海洋平台用钢,API 2W Gr50等TPCP型平台钢,DH36-Z35等海洋石油平台钢板,SM490、SM400系列海洋石油平台用H型钢等,基本形成了海洋平台用高强钢的系列化。

  系泊链是在海面设施与海床之间起连接及固定作用的链条,用来保证船体或浮式平台停留在所需水位。系泊链长期浸泡在海水中,服役环境恶劣,因此其必须具有强度高、韧性好、耐海水腐蚀、抗疲劳、耐磨损等特性,而且在实际应用中通常需将其弯曲加工成环,因此还需具备良好的冷弯及焊接性能。目前,我国已成功研发出世界上首个最高强度等级的R6系泊涟钢,并实现应用,引领了最新一代海洋系泊链发展。

  铺设更深更广的深海钻采集输系统

  在深海钻采集输系统用钢方面,主要涉及隔水管、油套管、膨胀套管、钢悬链立管、海底油气输送管道、钻柱构件(钻杆、钻铤、方钻杆等)等用钢需求。

  海洋油气田工程钻采设备由于极其复杂的服役条件,选用钢材需充分考虑到构件参数、受力特征、使用部位、环境温度等因素,对材料性能要求极为苛刻,如钻铤材料需具备高强度、极低磁导率、强耐应力腐蚀破裂等性能,制备材料包括Cr-Ni不锈钢、Cr-Mn奥氏体不锈钢、蒙乃尔合金、SMFI无磁钢等,对制造要求较高。此外,有关资料显示,在深海岩层钻采作业中,随着钻采深度增加,环境温度降低至泥浆凝固点,对钻头破坏力极大,因此需要其具备高强高韧的力学性能和耐海洋环境腐蚀性能。目前,海洋油气田工程钻采设备选用的微合金化特钢主要有低温钢、耐腐蚀钢、抗层状撕裂钢、抗焊接裂纹钢、低磁钢等。

  立管是海洋油气资源开发中必不可少的装备,主要进行钻探、导液、导泥和输送油气等。由于钢悬链立管面临浪涌、海底黏土、冰载荷等复杂的服役条件,需要具备高的疲劳强度、大的塑性变形能力、优异的断裂韧性等。目前,我国首个自主研发设计的6英寸钢悬链立管于今年8月18日在我国首个深水自营大气田陵水17-2项目顺利完成铺设。此前,陵水17-2项目海管铺设采用了大量、多规格的国产管线钢制造的超深水海底管,成功实现了1532米超深水作业,创造了我国海管铺设新纪录。

  此外,海洋领域还涉及深海渔业、岛礁基础设施用钢等,深海渔业用钢主要是沿海地区海洋水产品养殖装备、养殖工船等;岛礁基础设施用钢主要是岛礁配建防洪堤、码头、灯塔、雷达站、海上浮动核电站等基础设施用钢及配套材料。

来源:中国冶金报-中国钢铁新闻网

编辑:陈曦

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