海洋平台用钢的生产现状及发展趋势.pdf
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海洋平台用钢的生产现状及发展趋势狄国标1,刘振宇1,郝利强2,刘相华1(1.东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,辽宁沈阳110004;2.中钢集团工程设计研究院,河北石家庄050021)摘要:
随着石油资源的短缺和油价的不断上涨,海洋资源开发显得日益重要,海洋平台用钢需求量和性能要求也不断提高。
介绍了海洋平台用钢的分类、使用及生产现状,指出了海洋平台用钢的发展趋势。
其强度要求不断提高,已由355MPa和420MPa增至500MPa,厚度规格也不断提高,低温韧性向F级发展,而且更加重视海洋平台用钢的耐腐蚀性能。
关键词:
海洋平台;耐蚀性;低温韧性;钢板中图分类号:
TG335.4文献标识码:
A文章编号:
100023738(2008)0820001203PresentProductionStateandDevelopmentTendencyofOffshorePlatformSteelsDIGuo2biao1,LIUZhen2yu1,HAOLi2qiang2,LIUXiang2hua1(1.NortheastUniversity,Shenyang110004,China;2.EngineeringDesignandResearchInstituteofZhonggangGroup,Shijiazhuang050021,China)Abstract:
Withtheseriousshortageandincreasinglyhighpriceofoilresource,theexploitationofoceanrecoursesbecomemoreandmoreimportantandtherequirementofoffshoreplatformsteelsisincreased.Inthispaper,theclassification,applicationandproductionstateofoffshoreplatformsteelsareintroduced.Andthetendencyofoffshoreplatformsteels,suchastheincreasedrequirementofstrengthfrom355MPaand420MPato500MPa,thedemandsoflargethickness,-60low2temperaturetoughnessandimprovedcorrosionresistanceinseawater,ispointedout.Keywords:
offshoreplatform;corrosionresistance;low2temperaturetoughness;steelplate0引言海洋平台是人类用于开发海洋资源的重要超大型焊接钢结构,支撑着总质量超过数百吨的各种设备。
这些使用特征决定了海洋平台用钢板必须具有高强度、高韧性、抗疲劳、抗层状撕裂、良好的焊接性、耐海水腐蚀以及好的冷加工性等性能。
这对于保证操作人员的安全、提高海洋平台的使用寿命及开发海洋资源具有重要意义。
我国周边国家对海洋资源开采给予高度重视。
鉴于我国当前对能源战略储备的迫切需要,研发拥有自主知识产权的高强度、高韧性、具有一定耐腐蚀能力的海洋平台用钢板,对完善我国能源体系、充分利用我国的海域资源、实现国家的能源战略具有重要的意义。
各国对开发海洋收稿日期:
2007205222;修订日期:
2008205221作者简介:
狄国标(1980-),男,河北沧州人,博士研究生。
导师:
刘相华教授平台用钢都非常重视,为给我国开发此类钢提供相应的参考,作者对海洋平台用钢板的生产现状进行了综述。
1海洋平台的分类及用钢性能要求1.1海洋平台的分类海洋平台用于海上油气资源的勘探与开发,按功能划分为钻井平台和生产平台两大类,在钻井平台上有钻井设备,在生产平台上有采油设备。
按结构形式及特点可分为三类:
固定式平台、移动式平台和顺应式平台,固定式又分为桩式和重力式平台,移动式又分为坐底式、自升式、钻井船和半潜式平台,顺应式又分为张力腿和牵索塔式平台1。
1.2海洋平台用钢性能要求海洋平台通常是指海上石油天然气钻采平台,其用钢以前多数借用高强度造船用钢,即使是许多现代化平台选用的新型平台用钢,依然执行船舶检验局的有关钢质船舶建造规范的规定。
但海洋平台1第32卷第8期2008年8月机械工程材料MaterialsforMechanicalEngineeringVol.32No.8Aug.2008用钢又不同于造船用钢,还要求具有抗层状撕裂等方面的性能。
固定式采油平台的上部焊接结构承受静载荷,主要采用屈服强度500MPa左右的高强度钢,目前大量采用屈服强度为420MPa的钢种。
由于海面至飞溅带的钢材主要遭受到风流冲击,承受疲劳应力,而海面以下部分则在承受静负荷的同时还经受疲劳应力。
这两个部分大量使用屈服强度为220350MPa的正火钢2。
鉴于海洋平台用钢的重要性和其使用环境的恶劣性,我国对海洋平台钢板的内在质量要求很高,产品必须做到高强度、高纯净度(低磷、低硫、低夹杂),z向抗层状撕裂性能达到35%,并需要有良好的焊接性能。
由于海洋平台尺寸大、焊接部位多,而且海洋平台用钢一般较厚,焊接接头的焊接缺陷如微裂纹、气孔、夹渣、未熔合等更易发生,致使韧性降低3,因此具有良好的焊接性能对于海洋平台用钢是必须的,尽量免除焊后热处理,这对于缩短海洋平台的制造周期和降低成本具有重要意义4。
由于夏比冲击韧性的局限性3,目前评价海洋平台用钢板焊接接头的韧性多采用CTOD(裂纹尖端张开位移)断裂韧度试验,它是评价钢材焊接接头抗脆断特性的重要参数,国际通行的主要是英国标准BS7448和DNV2OS2C401。
2海洋平台用钢使用及生产现状海洋平台用钢的标准主要有En10225、API、BS7191以及船标,主要交货方式为TMCP(热机械控制工艺)、正火及调质态。
目前国际海洋平台用钢主要由德国的迪林根和日本的新日铁、JFE和住友金属公司生产。
主要级别为355,420,460MPa(屈服强度),主要牌号有350MPa级的En10225的S355、API的API2w250、API2H250、BS7191的350EM、船标的E36;420MPa级别的En10225的S420、API的API2w260、API2Y260、船标的E40、E420等;460MPa级的En10225的S460、船标的E460。
国内海洋平台用钢主要由上海宝钢集团浦钢公司和邯钢集团舞阳钢铁公司生产。
产品牌号为A、B、D、E(Z15,Z25,Z35)、AH322FH32(Z15,Z25,Z35)、AH362FH36(Z15,Z25,Z35)、AH402FH40(Z15,Z25,Z35)、API2H、Cr42、Cr50等。
随着我国海洋开发的不断发展,对海洋平台用钢的需求量进一步加大。
因此进一步提高海洋平台用钢板的强度级别,对于提高海洋平台的承载能力、延长平台使用寿命和维修间隔具有重要作用。
3海洋平台用钢的发展趋势3.1高强度随着海洋资源开发的发展,普通的360MPa和400MPa级海洋平台用钢已经不能满足需要,提高强度对于平台用钢的减重、降低成本具有重要意义。
新日铁采用TMCP生产了厚度为1670mm、屈服强度为500MPa、抗拉强度为650MPa、-40冲击功大于200J的平台用钢5;并且屈服强度达到500700MPa将成为未来发展的方向。
国外的0X812、SE702或DSE690V等高强度海洋平台用钢已经满足30100mm板厚固定平台结构的要求,屈服强度达到690,750,700MPa,低温冲击功分别为100J(-80),120J(-40)和74J(-60),碳当量比较低,已经成功用于海洋平台6;新日铁开发的210mm厚自升式海洋平台用特厚板(HT80),屈服强度超过了700MPa,抗拉强度超过了850MPa7。
3.2厚规格由于海洋平台的日益大型化,尤其是自升式海洋平台,需要抗拉强度高达800MPa级、厚度达125150mm的特厚板,增大厚度不仅造成焊接困难,且对强度和低温韧性产生重大影响。
在轧制过程中由于中间变形较小和冷却速率较低,晶粒粗大,强度和韧性较低,而一般通过调质处理生产的厚板,因合金含量的提高又影响了焊接性能,因此,合理的成分设计如铌、钒、钛微合金的添加和TMCP工艺参数控制是生产厚板的关键。
JFE开发出了厚度为140mm、屈服强度为700MPa、抗拉强度为800MPa的含镍平台用钢8。
迪林根生产的正火后355MPa级钢板可以在保证焊接性能的条件下厚度达到120mm,而采用TMCP生产的钢板厚度一般不超过90mm;420MPa级的TMCP钢板和调质钢板厚度可以达到100mm。
3.3高的低温韧性随着对海洋开发区域的日益扩大,海洋用钢的低温韧性更显重要,F级钢板需求量将大增。
通过轧机性能和控制冷却能力的提高、合理的成分设计和TMCP工艺参数控制,通过细化晶粒可以满足低温韧性的需要;不同生产商也采用在超厚板中适当添加镍含量提高其低温韧性,韧脆转变温度可以达2狄国标,等:
海洋平台用钢的生产现状及发展趋势到-60。
迪林根开发的用于北极圈库页岛的S450钢在-60时冲击功超过300J,满足了此类地区海洋开发的需要。
3.4高耐腐蚀性能由于海洋用钢结构长期处于盐雾、潮气和海水等环境中,受到海水及海生物的侵蚀作用而产生剧烈的电化学腐蚀,漆膜易发生剧烈皂化、老化,产生非常严重的结构腐蚀,不仅降低了结构材料的力学性能,缩短其使用寿命,而且又因远离海岸,不能像船舶那样定期进行维修、保养。
所以对其耐腐蚀性能的要求更高。
表1为不同公司生产的典型耐海水腐蚀用钢,但由于成本较高,很少应用于海洋平台。
海洋环境分为海洋大气带、海洋飞溅带、海水潮差带、海水全浸带、海泥带,因此海洋平台用钢处于不同的环境中腐蚀机理的不同造成腐蚀速率也不同(表2),所以对其耐腐蚀性能的要求也不同。
不同元素对钢的耐蚀性影响也不同(表3)。
未来研究的表1典型耐海水腐蚀用钢Tab.1Typicalcorrosion2resistantsteels牌号生产公司用途主要合金元素Mariner美钢铁公司钢板桩Ni,Cu,PCR4A50日住友金属钢管桩Cr,CuMariloyS50新日本制铁要求飞溅带、全浸带耐蚀的结构Cr,CuNK?
50日神户制铁要求全浸带、飞溅带耐蚀的结构Cr,Cu,AlTAICORM50ABC日神户制铁要求飞溅带耐蚀的结构Cr,Cu,Mo表2不同位置用钢的腐蚀速率9Tab.2Corrosionconditionatdifferentseawaterpositions位置腐蚀速率/mma-1海洋大气带0.10.2海洋飞溅带0.20.4海水潮差带0.08海水全浸带0.050.10海泥带0.02表3不同元素对钢耐海洋腐蚀性的影响9Tab.3Effectofdifferentelementsoncorrosion2resistance位置CuNiCrMoAlSiPCSWTiMn海洋大气带海洋飞溅带海水潮差带海水全浸带海泥带注:
其中表示很有效,表示有效,表示有害。
重点是利用不同元素、不同组织对钢耐蚀性的影响,开发出经济、焊接性能和低温韧性良好的耐海水腐蚀海洋平台用钢。
目前常采用增加腐蚀裕量和涂层的办法,防止海水的腐蚀。
4结束语目前我国海洋平台用钢强度不高、规格不全、耐腐蚀性能较差,这限制了我国自主开采海洋资源的能力,使我国能源发展受到了制约。
因此,高强度、厚规格及耐腐蚀性能好的海洋平台用钢的开发是我国今后的主要发展方向。
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68-75.3狄国标,等:
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