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船舶海工用鋼應用有哪些新進展?

2020-10-21 09:39:00

  趙萍


  近日,我國擁有完全自主知識產權的全球首艘2300TEU(標準箱級)雙燃料動力集裝箱船命名交付。這是近年來我國取得的多個全球首次之一。從國內首次到全球首次,我國船舶海工行業獲得快速發展。

  在這背后,少不了鋼鐵的默默支撐。無論是在船舶航行、海洋油氣開采、深海鉆采集輸,還是極地科研探險上,從淺水到深水,從近海到遠海,鋼材在助力我國海洋經濟發展中都發揮著重要作用。

  造更快更好的船舶

  在船舶用鋼方面,據業內專家介紹,鋼材主要用于船舶船體、貨艙、管系(包括泵和閥)和部分船舶裝飾等的建造。除了用于建造常規船舶,鋼材在各種如LNG(液化天然氣)船、大型油船、大型集裝箱船、化學品船等特殊船舶的建造上也發揮著重要作用。

  近年來,2萬標準箱級以上集裝箱船頻繁出現,大有向3萬標準箱級超級集裝箱船發展的趨勢。有關資料顯示,船舶大型化的發展趨勢帶來了船體結構受力狀態的改變,使得船體結構中的艙口圍頂板、腹板及上甲邊板、舷頂列板和某些如艙口角隅等局部區域處于高應力水平,對船體用鋼提出了高強度、高剛度的要求,帶動了高強度、高韌性止裂鋼的發展。目前,我國已成功開發出90毫米、100毫米厚止裂鋼,鋼材性能也在不斷提升。

  LNG船被稱為“海上超級冷凍車”,服役環境在零下163攝氏度的極低溫,這就要求LNG儲罐用鋼必須具備耐低溫性能,往往采用殷瓦鋼或9Ni鋼。在LNG船上,厚度為0.7毫米的殷瓦鋼極為嬌貴,焊接異常困難,而且用量很大,整個液貨艙由多個小塊殷瓦鋼板拼接而成。目前,國際上已經在低溫鋼領域形成了0.5Ni鋼、2.5Ni鋼、3.5Ni鋼、5Ni鋼、9Ni鋼等完整的鎳鋼系列,我國也先后研制出了較為成熟的3.5Ni鋼、5Ni鋼和9Ni鋼,并成功應用于低溫運輸船的建造。

  化學品船主要用于運送各種有毒的、易燃的、易揮發或有腐蝕性的化學物質,因此其貨艙內壁和管系需使用不銹鋼或噴涂耐腐蝕材料。使用耐腐蝕涂層的貨艙由于不同涂層對不同化學品適應性不同,限制了化學品運輸種類(硝酸銨溶液、甲酸等化學品目前因找不到合適的涂層需使用不銹鋼制造的貨艙),再加上涂層容易受損、需后續維護,使得近年來設計建造的化學品船多采用不銹鋼或不銹鋼復合板制造的貨艙,甚至全部采用不銹鋼貨艙。目前,建造帶有不銹鋼貨艙的化學品船對制造技術要求很高,涉及如何處理不銹鋼、低碳鋼等不同鋼材之間強度差異、解決不銹鋼與低碳鋼之間焊接等問題。

  此外,2010年,國際海事組織(IMO)海上委員會第87屆會議通過了《原油船貨油艙替代防腐措施性能標準》,強制性要求5000載重噸以上的大型油船貨油艙均需涂層保護或采用耐蝕鋼建造,推動了我國油船用耐蝕鋼研制和應用的快速發展。目前,國產耐蝕鋼性能已達到世界領先水平,可滿足大規模應用要求。

  建更穩更強的海洋平臺

  在海洋平臺用鋼方面,鋼材也同樣起到重要支撐作用。由于海洋平臺長期浸泡在海水中,還需要經受風暴、海浪、冰川等各種惡劣海況的考驗,因此,海洋平臺用鋼不但要求具有高強度,還需具備良好的抗腐蝕性、低溫韌性和抗層狀撕裂性能等。

  當前,世界各國的海洋平臺用鋼從強度上分為軟鋼、中高強鋼和高強度鋼,同時考慮到海洋平臺構件的穩定性和可靠性,不同強度的鋼材需滿足不同屈強比。此外,在海洋平臺上因使用部位不同,對鋼板的厚度要求也不同。

  近10多年來,國產海洋平臺用鋼在我國海洋石油工程中開始被廣泛采用,海洋平臺用鋼逐步向高強度方向發展。有關資料顯示,自升式平臺的樁腿、樁靴、懸臂梁等關鍵部位載荷要求高,且為了提高船體上浮后拖航時的穩定性,需做到輕量化,要求必須使用高強度鋼板。其中,對自升式鉆井平臺用齒條鋼提出了大厚度、高強度、高韌性的發展要求。然而,隨著齒條鋼厚度的增加,截面厚度方向上組織、性能差異增大,提高特厚齒條鋼的淬透性成為這類產品開發的難點。目前,我國已成功開發出D40、E40等高強高韌性海洋工程用結構鋼板,E550等調質型超高強海洋平臺用鋼,API 2W Gr50等TPCP型平臺鋼,DH36-Z35等海洋石油平臺鋼板,SM490、SM400系列海洋石油平臺用H型鋼等,基本形成了海洋平臺用高強鋼的系列化。

  系泊鏈是在海面設施與海床之間起連接及固定作用的鏈條,用來保證船體或浮式平臺停留在所需水位。系泊鏈長期浸泡在海水中,服役環境惡劣,因此其必須具有強度高、韌性好、耐海水腐蝕、抗疲勞、耐磨損等特性,而且在實際應用中通常需將其彎曲加工成環,因此還需具備良好的冷彎及焊接性能。目前,我國已成功研發出世界上首個最高強度等級的R6系泊漣鋼,并實現應用,引領了最新一代海洋系泊鏈發展。

  鋪設更深更廣的深海鉆采集輸系統

  在深海鉆采集輸系統用鋼方面,主要涉及隔水管、油套管、膨脹套管、鋼懸鏈立管、海底油氣輸送管道、鉆柱構件(鉆桿、鉆鋌、方鉆桿等)等用鋼需求。

  海洋油氣田工程鉆采設備由于極其復雜的服役條件,選用鋼材需充分考慮到構件參數、受力特征、使用部位、環境溫度等因素,對材料性能要求極為苛刻,如鉆鋌材料需具備高強度、極低磁導率、強耐應力腐蝕破裂等性能,制備材料包括Cr-Ni不銹鋼、Cr-Mn奧氏體不銹鋼、蒙乃爾合金、SMFI無磁鋼等,對制造要求較高。此外,有關資料顯示,在深海巖層鉆采作業中,隨著鉆采深度增加,環境溫度降低至泥漿凝固點,對鉆頭破壞力極大,因此需要其具備高強高韌的力學性能和耐海洋環境腐蝕性能。目前,海洋油氣田工程鉆采設備選用的微合金化特鋼主要有低溫鋼、耐腐蝕鋼、抗層狀撕裂鋼、抗焊接裂紋鋼、低磁鋼等。

  立管是海洋油氣資源開發中必不可少的裝備,主要進行鉆探、導液、導泥和輸送油氣等。由于鋼懸鏈立管面臨浪涌、海底黏土、冰載荷等復雜的服役條件,需要具備高的疲勞強度、大的塑性變形能力、優異的斷裂韌性等。目前,我國首個自主研發設計的6英寸鋼懸鏈立管于今年8月18日在我國首個深水自營大氣田陵水17-2項目順利完成鋪設。此前,陵水17-2項目海管鋪設采用了大量、多規格的國產管線鋼制造的超深水海底管,成功實現了1532米超深水作業,創造了我國海管鋪設新紀錄。

  此外,海洋領域還涉及深海漁業、島礁基礎設施用鋼等,深海漁業用鋼主要是沿海地區海洋水產品養殖裝備、養殖工船等;島礁基礎設施用鋼主要是島礁配建防洪堤、碼頭、燈塔、雷達站、海上浮動核電站等基礎設施用鋼及配套材料。

來源:中國冶金報-中國鋼鐵新聞網

編輯:陳曦

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