海洋工程用钢品种开发(杨才福).ppt

船舶海洋工程用钢的发展船舶海洋工程用钢的发展杨才福杨才福钢铁研究总院钢铁研究总院先进钢铁材料技术国家工程研究中心先进钢铁材料技术国家工程研究中心海洋工程用钢产业技术创新战略联盟海洋工程用钢产业技术创新战略联盟内容提要内容提要1.船舶海洋工程用钢发展需求船舶海洋工程用钢发展需求2.关键品种技术的研究开发工作关键品种技术的研究开发工作大线能量焊接用钢大线能量焊接用钢耐腐蚀油船用钢耐腐蚀油船用钢止裂船板止裂船板低温用钢低温用钢3.“十三五十三五”规划规划中国海洋经济的发展国家战略：2012-9-16:国务院全国海洋经济发展“十二五”规划中国制造2025：十大领域航空航天、海洋工程、轨道交通“走向深蓝”的海洋经济是我国经济的“蓝色引擎”南海是“海上丝绸之路”战略的重点中国造船业的发展中国造船业的发展2014年指标数量万吨份额%完工量 3905 41.7新接订单5995 50.5手持订单14890 47.1中国造船用钢发展中国造船用钢发展1.产能迅速扩展，满足船舶行业发展需求，产能过剩产能过剩2.品种规格系列配套品种、规格系列化高强度船板如36、40公斤级大量应用3.品种、质量差距表面质量、尺寸工差特种船舶（LNG、化学品）新标准规范的要求（耐蚀油轮钢、集装箱止裂板）焊接性差距大海工用钢技术现状l国内外对比：我国海工用特种钢品种的国产化率不到40%，390-690MPa级高强度关键品种主要依赖进口。材料类型材料类型国外水平国外水平国内现状国内现状高强厚板F420-890，厚10-256mm，易焊接E36-690，10-127mm，E420以上基本进口高强支撑管X100等级，最大壁厚80mmX80等级，最大壁厚30mm，X100全部进口深海管线X80等级，最大壁厚44mmX70，最大壁厚32mm，高强空白深海隔水管X80等级，高抗疲劳空白，全部进口海洋工程用钢需求、差距与问题序号类型名称钢材用量（吨）典型材料备注1固定式平台浅水导管架平台(F-P)3000E36强度低、焊接施强度低、焊接施工效率差工效率差2深水导管架平台(BSP)3000-35000E364移动式平台自升式平台(Jack-Up)4000E/F550高强度、大厚度高强度、大厚度依赖进口依赖进口9500E/F69011000E/F6905半潜式平台（Semi）30000E36工作海深工作海深差距大6张力腿平台（TLP）国内空白国内空白7柱筒式平台（Spar）国内很少国内很少9浮式生产储油船（FPSO）50000E36强度升级10油气船储运船超大型油轮（VLCC）40000D32耐腐蚀船舶耐腐蚀船舶11液化天然气船（LNG）30000E369Ni、InVar进口进口12化学品船1000-20000E36、2205双相不锈钢海洋工程用钢技术特点海洋工程用钢技术特点高高强强度、度、大大规格规格l（256mm厚钢板）厚钢板）易易焊焊接、高效率接、高效率l（大线能量焊接）（大线能量焊接）高耐高耐蚀蚀、低成本、低成本l（耐海洋腐蚀）（耐海洋腐蚀）弦板齿条板支撑管产品典型规格(mm)屈服强度(MPa)每平台需求量(吨)生产现状齿条钢127,150,180,210,2596901000-2000150mm以上全面进口弦板25,50,85690300-1000全面进口支撑管(273406)X(1760)550 690700-1500690MPa全面进口配套焊材手工焊、埋弧焊等强60-150全面进口海洋工程用钢重大技术需求（1）高强度、大规格l导管架平台是目前使用最多的采油平台；l世界最大的导管架平台单重超过40000吨，使用水深超过460米。导管架平台用钢厚度普遍在60-80mm，最大130mm，焊接占到建造总工时的40%、总成本的50%。仅焊接一个节点就需要2-3月。平台钢厚板实现100-200kJ/cm以上大线能量焊接，可成倍提高焊接效率，并降低制造成本，意义十分重大。导管架上部模块海洋工程用钢重大技术需求 （2）易焊接、高效率海洋腐蚀环境特别是近海岸腐蚀环境极为恶劣钢在海岸的腐蚀比沙漠中大400倍以上，在距离海岸24米时比距离海岸240米的腐蚀快12倍；南海因其高湿热、强辐射、高Cl-环境腐蚀性更强，装备维护十分困难，成本很高。16年大气暴露试验，碳素钢在南海万宁的腐蚀速率是武汉的20倍、青岛的5倍；现有耐候钢在南海均出现腐蚀速率先低后高，n值大于1的异常现象.海洋工程用钢重大技术需求 （3）高耐蚀、低成本内容提要内容提要1.船舶海洋工程用钢发展需求船舶海洋工程用钢发展需求2.关键品种技术的研究开发工作关键品种技术的研究开发工作大线能量焊接用钢大线能量焊接用钢耐腐蚀油船用钢耐腐蚀油船用钢止裂船板止裂船板低温用钢低温用钢3.“十三五十三五”规划规划船舶海工用钢大线能量焊接技术船舶海工用钢大线能量焊接技术GEVWElectro-slag WeldHeat input,KJ/cmThickness,mmu焊接占 40%制造成本uu焊接热输入焊接热输入 100kJ/cm100kJ/cmuuHAZHAZ韧性韧性氧化物对HAZ韧性的影响Ti-Mg钢Ti-Mg,0.7mAl，2.2m大线能量焊接用钢技术Microstructures of the CGHAZ at t8/5=180sV-Ti-N microalloyingBetter CGHAZ toughness (t8/5 time longer than 100s.)Microstructure:V-N-Ti steel:more than 80%is FerriteNb-Ti and V-Ti steel:the coarse bainitic microstructure.100kJ/cmV-Ti-N Steel氮含量对大线能量焊接氮含量对大线能量焊接HAZ韧性韧性影响影响N,%Akv,-20oC0.00440.00940.01400.01900.0240050100150200250300Tp=1350Cx1s,t8/5=180sTp=1350Cx1s,t8/5=100-300sBased Metal:0.08C-1.20Mn-0.2Si-0.012Ti-0.06V N=44-240ppmEffect of N on CGHAZ Microstructure0.0044%N 0.0094%N 0.0140%N 0.0190%N 0.0240%N Tp=1350C x 1s,t8/5=180sQuantitative Analysis for CGHAZ Microstructure FS:Ferrite with Second phaseFSP:Ferrite Side PlateAF:Acicular FerritePF:Polygonal Ferrite Quantitative Analysis for CGHAZ Microstructure V-Ti Precipitates in the As-Rolled PlatesTi-rich particles in hot rolled plate are significantly refined with the increasing of N content from 94 ppm to 190 ppmEquivalent diameter,nmFrequency,%13012011010090807060504030201000102030405060Average size:44.5nm94 ppm NitrogenEquivalent diameter,nmFrequency,%0 10 20 30 40 50 60 70 80 901001101201300102030405060Average size:26.6nm190 ppm NitrogenEquivalent diameter,nmFrequency,%13012011010090807060504030201000102030405060Average size:75.9nm94 ppm NV-Ti Precipitates at Peak Temp during welded simulationEquivalent diameter,nmFrequency,%010 20 30 40 50 60 70 80 90 1001101201300102030405060Average size:29.6nm190 ppm NEquivalent diameter,nmFrequency,%0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1001101201300102030405060Average size:20.9nm190 ppm Nitrogen94 ppm NitrogenV-Ti Precipitates at CGHAZMore finer TiV(C,N)particles in high N190 ppm as-rolled steel.The fine particles in the higher nitrogen steel are more stable at high temperature,resulting in finer austenite grain size in the CGHAZ.Increasing N promotes TiV(C,N)precipitation in during cooling from Tp,and reduces the average particle size in the CGHAZ.大线能量焊接海洋工程用大线能量焊接海洋工程用厚板工业试验厚板工业试验Mechanical PropertiestmmRm，MPaRp0.2,MPaA，%Z，%KV（-40）Bend N605453812875169goodH-1505343723478181H-2505233623580207Spec.490-6303552127CSiMnPSAlsNiCuTiVNbN CeqN0.160.161.600.012 0.003 0.0270.34-0.008 0.043 0.036 0.0040.46H-10.1470.281.550.009 0.001 0.036 0.005-0.011 0.074-0.0090.42H-20.1320.321.480.009 0.002 0.0350.240.250.012 0.050-0.0090.43焊接接头低温韧性焊接接头低温韧性Nb-V SteelH-1H-2Nb-V Steel:10000TUE甲板和上甲板的舱口围板：高强度厚板，抗裂纹止裂性能三菱重工公司建造的“MOL Comfort”号，（8000TEU），2013年6月27日，在印度洋遭遇事故断成两截大型集装箱船用止裂钢板为了提高大型集装箱船特厚钢板的止裂性能，从2007年开始，日本日本NK船级社船级社联合造船厂、钢铁公司、高校和研究机构，发布了脆性裂纹止裂设计指南脆性裂纹止裂设计指南。为了评估钢板的止裂性能，随同发布脆性脆性裂纹止裂韧性裂纹止裂韧性Kca测试测试方法方法国际国际船级社协会船级社协会(IACS)2013年1月发布UR W31 Application of YP47 steel plates，将Kca标准测试写入YP47钢验收钢验收要求要求同时发布的还有UR S33 Requirement for use of extremely thick steel plates，于2014年年1月实施月实施、基本完全采用了NK船级社的脆性裂纹止裂设计指南里Kca 的测试方法和要求。目前该Kca测试方法已经被CCS、GL、ABS和和DNV等等各大船级社采用各大船级社采用。世界各国从2013年后开发，加快了集装箱船用止裂钢的研发进程。大型集装箱船用止裂钢板止裂性能的提高途径提高钢板的整体韧性水平，整体细晶化（提高有限）表面超细晶化，使剪切唇的比例增加，使断裂从平面应变状态向平面应力状态转变，提高止裂韧性（目前的研究热点之一）大型集装箱船用止裂钢板返温轧制工艺返温轧制工艺在轧制过程中间中引入加速冷却，使钢板表层温度降到Ac1以下，控制返红温度进入Ac1Ac3之间，然后进行控制轧制使表层的晶粒得到细化(a)400(b)450(c)500(d)600(e)650(f)700表表层层超超细细化工化工艺艺l400600的范围内，都得到了超细晶组织l650 700时，晶粒明显长大l为获为获得表面超得表面超细细晶，粗晶，粗轧轧后后表面迅速冷却表面迅速冷却到到600以下以下大型集装箱船用止裂钢板大型集装箱船用止裂钢板 显微组织工业试制工业试制SUF止裂钢：止裂钢：65mm厚厚细细晶晶层层厚度厚度为为57mm，平均等效直径，平均等效直径约约2m。SUF大型集装箱船用止裂钢板lSUF钢表层(112)110，取向密度4.8lTMCP钢表层(110)001，取向密度24.6（强烈的高斯织构），不利于表面韧化的改善lSUF钢的韧脆转化温度比TMCP钢低20左右l通过通过SUF工艺，获得兼具工艺，获得兼具表面的超细晶和高韧性以表面的超细晶和高韧性以及整体良好强韧匹配的止及整体良好强韧匹配的止裂钢板。裂钢板。SUF止裂钢表层止裂钢表层TMCP止裂钢表层止裂钢表层大型集装箱船用止裂钢板 LNG,LEG,LPG用用5Ni、9Ni 钢钢p我国LNG工业的发展对9Ni低温钢提出了迫切需求pLNG工厂pLNG储罐pLNG运输船pLNG工业十二五规划：9%Ni钢需求数十万吨，实现国产化意义重大，巨大的社会、经济效益9%Ni钢超低温韧化控制钢超低温韧化控制开发了QLT工艺，获得一次和二次马氏体相间排布的细化组织产生8-16%稳定的逆转变奥氏体具有良好的-196超低温韧性和强韧匹配工艺窗口拓宽，便于工业化批量稳定生产国产化国产化9Ni钢板的应用钢板的应用l l国产化国产化9%Ni9%Ni钢板已用于中石油钢板已用于中石油LNGLNG项目（大连、江苏）项目（大连、江苏）的建设。的建设。l l随着国内使用经验的积累，中海油和中石化也陆续实现随着国内使用经验的积累，中海油和中石化也陆续实现LNGLNG储罐低温材料的国产化。储罐低温材料的国产化。5%Ni钢国产化钢国产化lLPG船上实际应用首批500吨正在供货过程中，用于LPG船上一个4200m3半冷半压乙烯液罐的建造第二批1500吨，用于建造一个12000m3LPG船三个液罐的建造内容提要内容提要1.船舶海洋工程用钢发展需求船舶海洋工程用钢发展需求2.关键品种技术研究开发工作关键品种技术研究开发工作大线能量焊接用钢大线能量焊接用钢耐腐蚀油船用钢耐腐蚀油船用钢止裂船板止裂船板低温用钢低温用钢3.“十三五十三五”规划规划“政产学研检用”结合实例：大型油船用耐蚀钢项目l联盟成员单位，联盟成员单位，31家家1.用户行业：用户行业：中海油、中石油、中石化2.海工制造企业：海工制造企业：中船工业、中船重工、海油工程、中集、巨涛3.钢铁行业：钢铁行业：鞍钢、舞阳、宝钢、武钢、首钢、湘钢、马钢、南钢、天管、兴澄特钢、太钢等4.科研、高校：科研、高校：钢研院、金属所、北科大、东大5.应用研究：应用研究：725所、611所、管材所6.设计单位：设计单位：中海油研究 总院、中石化工程设计公司7.标准规范：标准规范：中国船级社、冶金标准院8.行业协会和学会：行业协会和学会：中钢协、中船协、造船学会l跨行业合作平台：跨行业合作平台：政政-产产-学学-研研-检检-用用l20142014年年6 6月月1414日，联盟成立大会日，联盟成立大会钢铁研究总院：联盟理事长、秘书处钢铁研究总院：联盟理事长、秘书处海洋工程用钢产业技术创新战略联盟海洋工程用钢产业技术创新战略联盟海洋工程用钢产业技术创新战略联盟海洋工程用钢产业技术创新战略联盟深水深水深水深水导导导导管架平台管架平台管架平台管架平台(BSP)(BSP)自升式平台自升式平台自升式平台自升式平台(Jack-Up)(Jack-Up)半潜式平台半潜式平台半潜式平台半潜式平台（SemiSemi）超大型油轮超大型油轮超大型油轮超大型油轮（VLCCVLCC）液化天然气船液化天然气船液化天然气船液化天然气船（LNGLNG）化学品船化学品船化学品船化学品船海水淡化海水淡化海水淡化海水淡化钻采输送系统钻采输送系统钻采输送系统钻采输送系统导管架用钢强度升级导管架用钢强度升级E36E46E36E46，厚，厚1010120mm120mm厚板可大线能量焊接厚板可大线能量焊接 40kJ/cm 100kJ/cm40kJ/cm 100kJ/cm海洋工程用钢总体需求南海南海南海南海岛岛岛岛礁建筑礁建筑礁建筑礁建筑舰舰舰舰船用船用船用船用钢钢钢钢新型耐候钢新型耐候钢345-450MPa345-450MPa级，级，3 3倍寿命，低成本倍寿命，低成本新型耐蚀钢新型耐蚀钢400-500MPa400-500MPa级，级，8 8倍寿命，低成本倍寿命，低成本国家科技体制改革国家科技体制改革 中央财政科技计划（专项、基金等）布局国家重点研发计划国家科技重大专项国家自然科学基金技术创新引导专项（基金）基地和人才专项新材料专项：海工特种钢及合金n海工特种钢：包括深海平台用高强钢、钻采隔水管以及输送用海底管线等；n深海装备用特种合金：包括深海油气钻采用无磁不锈钢，采集用超级不锈钢、耐蚀合金及钛合金等n主要用于深海资源钻、采、集、输关键部件的制造2020年：形成海工装备用特种钢及合金系列品种，关键性能指标达到或超过同类型进口产品；2025年：实现海工装备用特种钢及合金工业规模生产，完成船级社认证，海工关键装备达到国外同类产品水平；2030年：我国1500米以下深海资源钻、采、集、输关键部件实现自主生产，替代进口2020年：开展海工特种钢及合金国产化研发和关键性能研究,部分品种实现工业规模试制；2025年：海工特种钢及合金工业化全流程生产，研究关键工艺和生产技术，研制海洋工程关键生产装备，推进标准规范和示范工程建设2030年：开展典型海工特种合金部件的检测评价关键技术研究，完成工程部件的综合性能研究、应用性能研究及建造工艺研究任务目标2020：开发出海工特种钢及合金系列品种，包括：F690厚板及配套焊材、X100支撑管、大壁厚深海管线、深海隔水管、7Mo超级不锈钢、PREN50的耐蚀合金、海洋钛合金及钛-钢复合管；2025：海工特种钢板、管材在1-2个典型深海项目中实现批量示范应用；海洋钛合金实现初步应用2030：深海钻、采、集、输关键部件成功应用于南海油气开采；海洋钛合金实现规模应用。重点内容标志性成果新材料专项：海工特种钢及合金高端装备用特种钢及合金海工用钢国家重点研发计划l国家发改委、工信部、科技部国家发改委、工信部、科技部l科技部科技部“十三五十三五”重点专项（重点专项（20162016年启动）年启动）“重点基础材料和新材料重点基础材料和新材料”专项（专项（2016201620202020）：）：6 6个个方向，其中包括：方向，其中包括：l钢铁材料技术提升与产业升级：钢铁材料技术提升与产业升级：5 5项任务项任务高强度大规格易焊接船舶与海洋工程用钢高强度大规格易焊接船舶与海洋工程用钢谢谢！欢迎批评指正！