近年來,對海洋資源尤其是深海資源的開發,已經成為各國關注的焦點。發展海洋工程,“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年將是我國發展海洋工程及其所用材料的大好時機,海洋工程行業要盡快建立上下游產業鏈合作平臺,通過上下游積極聯動解決在鋼板生產、船舶和平臺設計制造中的問題,共同推進我國海洋戰略的實施。

海洋工程年用鋼量需求可期

船舶業與海洋工程業在內涵、構造、標準、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,世界上比較發達的海洋國家,如日本、韓國、挪威等的造船企業以及世界主要船級社,就已經成立了獨立的船舶(事業)部與海洋工程(事業)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立的產業看待。國內大型造船企業開始陸續注意在內部組建海洋工程(事業)部。這對健康有序地推動船舶與海洋工程產業發展,對冶金、材料界理順并區分海洋工程業與造船業鋼材需求有著重要的意義。

研討會上,中國工程院院士、中國金屬學會名譽理事長翁宇慶表示,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、特種船舶與發動機所需材料4大類。其中,油氣鉆采用材有海洋平臺結構用鋼板、油氣鉆采和輸送用鋼板,深海研究用材包括具有強耐腐蝕性能的深海用金屬材料和深潛器用金屬材料,特種船舶與發動機用材主要有石油天然氣船用低溫金屬材料、船舶柴油機用曲軸和船舶螺旋漿用金屬材料等。

現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志。

由于海洋工程具有環境惡劣、高風險、高技術特點,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浪條件,水下修理維護的成本極高,其采用的鋼板必須具有高強度、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構,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量和裂紋敏感系數(Pcm)來實現,并且要通過焊接試驗進行驗證。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械性能,尤其是韌性。在平臺部分關鍵部位還要用到超厚板,其要求的最大厚度能夠達到150mm。

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

中國船舶工業行業協會等權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%仍須進口,其用鋼量每年大于100萬噸;二是FPSO(海上浮式生產儲油船)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,以及業主指令進口的平臺用鋼在內的海洋工程特殊鋼將大量進口。

超高強度鋼、鑄件等成為開發重點

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

首先,超高強度鋼的研發是重點之一。隨著我國海上油氣開發走向深水,越來越多的高強度、大厚度、耐低溫沖擊鋼被用到海洋工程上。如我國自主設計、建造的第六代半潛式鉆井平臺,其特殊結構區域采用了EQ56、EQ70的高強度鋼板,用量約為400噸。雖然EQ56鋼目前國內有幾家鋼廠已開發成功,但是由于此類特殊鋼的用量規模較小且規格較多,在國內采購有些難度,主要還是依賴進口。由于此類鋼板的價格昂貴,從服務海洋工程領域、提高我國海洋工程裝備行業的綜合競爭力方面來看,有必要對這種特殊類型的高強度鋼材的國產化進行重點研發。

另外,自升式鉆井平臺升降系統的齒條構件所用到的牌號為ASTMA517GRQ的高屈服強度的合金鋼,一般要求厚度在150mm以上,具有強度高、抗沖擊韌性強、抗層狀撕裂性好、耐腐蝕的性能。目前國內已研發成功了150mm、180mm、215mm等不同厚度規格的此類合金鋼板,但目前還不能按船廠所需,全規格、批量地生產這種鋼材,仍須進口。此外,雖然國產材料與進口材料強度是一致的,材料成分也基本一致,但是焊接性能沒有進口的好,焊接須要預熱和保溫,所花的費用相對較高。建議提高此類國產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。

隨著平臺減量化發展的趨勢,平臺用鋼強度也有從355MPa向420MPa或460MPa發展的趨勢,并要達到歐共體標準EN10225中的有關要求。隨著420MPa~690MPa級別的鋼板大量被采用,亟須發展有相應屈服強度等級的電焊條、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口,須加大焊接工藝、焊材方面的研發力度。

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

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

此外,還要提高海底管道管的質量穩定性。海底管道鋪管船的作業成本很高,要降低海底管道施工的成本就要提高海底管道的鋪設效率。在實際工程中發現,在鋪管船作業線的特定環境下,當海況環境比較惡劣但不威脅管道的安全時,影響鋪管作業進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,有些甚至比規范要求的更加嚴格(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,進而減少工期和降低成本。

上下游協作求共贏

目前,國內一些量大面廣的海洋工程用鋼的生產質量仍有待提高。據中信微合金化技術中心常務主任、中信金屬公司總工程師郭愛民博士介紹,在厚度60mm以上的鋼板質量控制方面,下游用戶反映的主要問題如下:力學性能不均勻,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、不穩定,疲勞性能差(占4.5%);其他帶狀、粗晶、混晶、夾雜物超標等(占21.8%)。

在鋼板外觀質量控制方面,國內鋼廠和日本、韓國的先進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,因為在設計水平、制造水平、管理水平和鋼材加工水平上與國外先進水平存在差異,我國船板材料利用系數為85%~88%。而在日本和韓國,這一指標為92%~95%。

國內船板大多以正火狀態交貨,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量,提高構件抗冷裂紋敏感性,可降低預熱溫度,從而顯著提高構件施工效率;低碳設計使得材料中心偏析顯著降低,有效避免了構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區韌性,克服了正火鋼焊后韌性大幅度衰減的風險。TMCP鋼板與正火鋼板相比,具有高性能、高精度、高表面質量、優異焊接性和低廉的成本等優勢,提高TMCP鋼板比例是目前改善我國高強船舶和海工用鋼質量的關鍵,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,國務院已印發頒布了《全國海洋經濟發展“十二五”規劃》,海洋產業和經濟的發展將依賴于先進的海洋工程裝備的技術發展,海洋工程裝備的發展已被列入國家高端裝備制造業的“十二五”發展規劃。為完成這一規劃,我國應進一步加大海洋工程材料技術的基礎研發投入,以發展關鍵、瓶頸材料技術為研發重點,發揮各方優勢,加強基礎性關鍵技術攻關,提高自主創新能力,力爭獲取具有自主知識產權的海洋工程材料技術和產品,促進材料技術發展路線由跟仿式向自主研發式轉化,盡快縮短與國際先進水平的差距。