題目海洋工程用鋼綜述學(xué)院名稱 專業(yè)名稱 學(xué)生姓名學(xué)號(hào)目錄一、海洋結(jié)構(gòu)用鋼的工作環(huán)境和性能要求 31、強(qiáng)度 32、韌性 43、可焊性 44、腐蝕疲勞特性 55、耐蝕性 56、斷裂韌性 67、各向同性 67.1、 Z向鋼斷裂韌性試驗(yàn) 67.2、Z向鋼金相檢驗(yàn)和斷口分析 7二、造船及海洋工程用鋼開發(fā) 81、大線能量焊接船板鋼 82、油船貨油艙用耐腐蝕鋼 83、大規(guī)格船用球扁鋼 84、海洋平臺(tái)特厚齒條鋼 95、9Ni低溫鋼 9總結(jié) 10參考文獻(xiàn) 10海洋工程用鋼綜述劉斌摘要：海洋結(jié)構(gòu)用鋼的特點(diǎn)和性能要求，耐海水用鋼，耐腐蝕鋼，海洋石油平臺(tái)用鋼的工作條件與性能要求，低合金高強(qiáng)度鋼的生產(chǎn)工藝，Z向鋼斷裂一、海洋結(jié)構(gòu)用鋼的工作環(huán)境和性能要求海洋結(jié)構(gòu)用鋼所處環(huán)境惡劣，除了需要承受重力載荷之外，還要考慮到風(fēng)載荷、波浪載荷、海流載荷、冰載荷、地震載荷、海水腐蝕、污損、海底地質(zhì)情況等因素的影響所以海洋結(jié)構(gòu)用鋼，要求耐海洋大氣腐蝕和海水腐蝕，具有足夠的抗波浪和潮流作用所產(chǎn)生的周期疲勞強(qiáng)度此外，由于部分海洋結(jié)構(gòu)用鋼所處環(huán)境為寒冷地帶，如我國的渤海灣（冬季），還應(yīng)能抗-30℃--20℃的低溫脆性。

此外，還應(yīng)具有良好的焊接性能和機(jī)械加工性能［1］1、強(qiáng)度海洋結(jié)構(gòu)用鋼，需要承受波浪和強(qiáng)風(fēng)所造成的水平載荷，抗拉強(qiáng)度以采用50-60公斤/毫米2為適宜而接頭部位，由于應(yīng)力集中以及三向應(yīng)力，所以要求海洋結(jié)構(gòu)用鋼既要有足夠的強(qiáng)度，又要求具有良好的塑性變形性能此外，強(qiáng)度越高的鋼材就越容易引起應(yīng)力腐蝕深海潛艇除了承載高壓之外，還需要輕量化，所以要追求輕質(zhì)高強(qiáng)的材料[2]按照屈服強(qiáng)度，美國ABS（除采用規(guī)定的船體鋼外），分成24-31和31-41，41-70kgf/mm2三檔；英國勞埃德船級(jí)社LR（1997）分成29和36 kgf/mm2兩檔；西德GL和挪威DNV與其本國船規(guī)鋼級(jí)相同[3]對(duì)大多數(shù)固定平臺(tái),適宜選用低、中強(qiáng)度（屈服強(qiáng)度為22.44-35.70 kgf/mm2，抗拉強(qiáng)度為43.86-51.0 kgf/mm2），對(duì)移動(dòng)式平臺(tái)（包括固定式平臺(tái)上層建筑），為減輕構(gòu)件重量，增加浮力和平臺(tái)容量，則采用高強(qiáng)度鋼例如自升式平臺(tái)樁腿就采用ASTMA514鋼，系船支柱，泥層中的管樁等也采用調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度鋼[4]研究顯示，晶粒細(xì)化可以同時(shí)提高屈服強(qiáng)度和沖擊韌性在適當(dāng)條件下, 低合金高強(qiáng)度鋼中可以形成一定體積分?jǐn)?shù)的尺寸為納米級(jí)的碳氮化物粒子, 具有非常強(qiáng)烈的沉淀硬化效果。

加入的釩、鈮、鈦等元素，除了可以作為細(xì)化晶粒元素使用外，還有析出強(qiáng)化作用[5][6]低合金高強(qiáng)度鋼生產(chǎn)的現(xiàn)代工藝流程為：高爐- 鐵水脫硫- 轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)合吹煉或超高功率電弧爐冶煉- 鋼包噴粉- 真空除氣- 板坯或方坯連鑄2、韌性海上結(jié)構(gòu)處于嚴(yán)酷的環(huán)境之中，局部聯(lián)結(jié)處會(huì)受到波力和風(fēng)力的沖擊，造成應(yīng)力集中尤其是在嚴(yán)寒區(qū)域低溫下工作時(shí)，由于鋼的韌性下降而產(chǎn)生脆性破壞，因此要求結(jié)構(gòu)鋼具有高的低溫韌性當(dāng)前平臺(tái)建造規(guī)范中廣泛使用V型缺口夏比沖擊試驗(yàn)，用其沖擊功來衡量鋼材韌性的好壞3、可焊性大型海洋結(jié)構(gòu)物的樁腿等構(gòu)件多為圓柱構(gòu)架狀組合，由厚鋼板卷成圓筒焊接而成，接頭形狀復(fù)雜，剛性大，不少焊接接頭位于應(yīng)力集中部位，又多在現(xiàn)場焊接，施工條件惡劣，故很容易發(fā)生焊接裂紋，因此要求比船用鋼具有更好的焊接性能，并在選擇鋼材和焊接工藝時(shí)必須十分嚴(yán)格在這種結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)的焊接裂紋主要是焊接熱影響區(qū)（HAZ）的低溫裂紋和層狀撕裂引起的金屬在焊接時(shí)產(chǎn)生裂紋的敏感程度稱為裂紋敏感性熱影響區(qū)裂紋受焊接時(shí)保護(hù)氣體和焊接材料中侵入的氫、裂紋敏感性高的HAZ組織及拘束度的影響HAZ組織的裂紋敏感性取決于化學(xué)成分和焊接預(yù)熱溫度、線能量等。

通常用碳當(dāng)量來評(píng)價(jià)化學(xué)成分對(duì)HAZ組織硬化性的影響為防止污染海水中微量硫化氫引起的應(yīng)力腐蝕開裂和陰極保護(hù)引起的氫脆等，曾對(duì)HAZ的硬度加以限制再者，焊縫金屬與母材的材質(zhì)和電化學(xué)性能應(yīng)盡可能相同或相似，以避免或減輕電偶腐蝕4、腐蝕疲勞特性海上石油平臺(tái)由于長期處在海水和海洋大氣的腐蝕環(huán)境中，經(jīng)受波浪，潮流引起的交變應(yīng)力，使構(gòu)件焊接頭處由于點(diǎn)蝕而產(chǎn)生疲勞破壞經(jīng)常在深?；顒?dòng)的潛水艇則受到超低頻外力疲勞破壞從材料上講上講與鋼中夾雜的氣體和雜質(zhì)有關(guān), 結(jié)構(gòu)上則與斷面大小、缺口、表面缺陷以及焊接缺陷有關(guān)因此, 所使用的鋼材必需在設(shè)計(jì)、材料選擇、施工管理上使之能承受低頻疲勞實(shí)驗(yàn)證明, 高強(qiáng)度鋼在海水中的疲勞強(qiáng)度一般與普通強(qiáng)度鋼差不多, 然而強(qiáng)度越高, 腐蝕影響就越大低合金鋼的腐蝕疲勞強(qiáng)度一般比碳鋼稍高些焊接接頭的腐蝕疲勞特征與大氣中相同, 它跟加強(qiáng)焊縫有關(guān), 通過砂輪打磨, 鎢極惰性氣體保護(hù)處理和等離子修正等降低形狀系數(shù)焊接接頭應(yīng)力消除也改善其疲勞強(qiáng)度在鋼中添加鉻和鋼結(jié)構(gòu)物實(shí)施陰極保護(hù), 能有效地提高鋼的抗腐蝕疲勞強(qiáng)度5、耐蝕性海上石油平臺(tái)長期經(jīng)受海水和海洋大氣的侵蝕作用, 對(duì)鋼結(jié)構(gòu)有很大影響海水中溶解氧所起的作用特別大。

如北海因溫度比墨西哥灣低, 溶解氧多, 腐蝕較厲害下表列出了海洋腐蝕環(huán)境和鋼的腐蝕速度的關(guān)系 因此平臺(tái)設(shè)計(jì)選材時(shí), 要考慮鋼材的腐蝕性能但平臺(tái)的防腐主要靠采取保護(hù)措施平臺(tái)不同部位可采用以下保護(hù)措施: ①海洋大氣腐蝕區(qū)即海水面以上, 一般采用涂料加以保護(hù)② 平臺(tái)的飛濺區(qū)和潮差區(qū), 采用加厚12.5% 板厚的方法, 給出腐蝕余量也有用含0.5 - 2.0% C r 的耐海水鋼, 其腐蝕性能比普通鋼高2 - 3倍, 但由于其焊接工藝復(fù)雜和成本較高, 只能在局部地區(qū)使用飛濺帶也可用包覆Moenl400合金的方法加以保護(hù)此外, 還有不銹鋼以及橡膠和塑料涂覆層防腐, 噴鍍和電鍍金屬層, 如Z和AI鍍層等等③ 對(duì)平臺(tái)的水下部分采用電化學(xué)保護(hù)即棲牲陽極和外加電源法④ 泥漿以下的土壤腐蝕, 一般比較輕微, 可采用涂料保護(hù)6、斷裂韌性材料抵抗裂紋擴(kuò)展斷裂的韌性性能稱為斷裂韌性海洋工程中,構(gòu)件的斷裂破壞問題, 已引起普遍重視,對(duì)特殊構(gòu)件用鋼,明確規(guī)定要進(jìn)行COD（臨界裂紋張開位移）試驗(yàn)和落錘試驗(yàn)測取NDT（無延性轉(zhuǎn)變）溫度COD試驗(yàn)被作為測定基體金屬和焊縫脆性斷裂起始特性的手段挪威船級(jí)社已把COD值列為測定焊縫金屬韌性的指標(biāo)。

7、各向同性一般結(jié)構(gòu)鋼材, 板厚方向的性能與其長度、寬度方向的性能差別較大海上平臺(tái)節(jié)點(diǎn)處結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 應(yīng)力集中為了防止由于層狀撕裂而導(dǎo)致海上結(jié)構(gòu)物破壞的惡性事故發(fā)生, 各國規(guī)范中對(duì)重要節(jié)點(diǎn)用鋼都十分強(qiáng)調(diào)用硫含量相當(dāng)?shù)偷目箤訝钏毫唁摷碯 向鋼7.1、 Z向鋼斷裂韌性試驗(yàn)Z向鋼的斷裂韌性試驗(yàn)研究，是根據(jù)制造海上D級(jí)采油平臺(tái)技術(shù)要求進(jìn)行的按照英國和國際標(biāo)準(zhǔn)做COD試驗(yàn)，可測得臨界裂紋張開位移；按美國ASTMA370和英國BS131標(biāo)準(zhǔn)，做FATT和系列沖擊試驗(yàn)，測得金屬料的低溫脆性轉(zhuǎn)變溫度（低碳鋼和高強(qiáng)度合金鋼在某些工作溫度下有較高的沖擊韌性，即有較好的塑性，但隨著溫度的降低，其沖擊韌性將有所下降當(dāng)沖擊韌性顯著下降時(shí)的溫度稱為金屬料的FATT）；按美國ASTME208_S6T及我國試行的落錘試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，做NDT試驗(yàn)及斷口宏觀觀察[7]7.2、Z向鋼金相檢驗(yàn)和斷口分析Z向鋼中夾雜物主要為板塊狀、條帶狀、類球狀和環(huán)狀試樣1/4處金相組織如圖2所示所有試樣金相組織類型為鐵素體+珠光體，圖2中灰黑色為珠光體，淺色為鐵素體，珠光體沿軋制方向呈帶狀分布，鐵素體由帶狀和等軸狀晶粒組成試樣厚度方向拉伸斷口表面呈白亮色，斷口有塊狀、類球狀?yuàn)A雜物，且斷口無頸縮現(xiàn)象。

鋼板中心區(qū)域有偏析帶，在偏析帶周圍有貝氏體和馬氏體組織出現(xiàn)，同時(shí)還有裂紋延貝氏體、馬氏體組織擴(kuò)展；通過和周圍組織對(duì)比發(fā)現(xiàn)，偏析多發(fā)生在寬度較大的帶狀組織上，裂紋也是容易在該類組織上出現(xiàn)分析原因是鋼板芯部存在偏析，導(dǎo)致鋼板軋后冷卻過程中，中心部組織的轉(zhuǎn)變CCT 曲線右移，進(jìn)入貝氏體或馬氏體區(qū)，部分形成貝氏體或馬氏體，鋼中存在偏析帶或夾雜物在冷卻過程中比基體收縮大，使夾雜物周圍產(chǎn)生裂紋和空隙改進(jìn)措施有提高連鑄坯的質(zhì)量，控制鋼中非金屬夾雜物，提高鋼水純凈度，優(yōu)化加熱和控軋控冷工藝等[8] 二、造船及海洋工程用鋼開發(fā)鋼材是造船及海洋工程結(jié)構(gòu)建造的主要原材料，占據(jù)了船體及海洋工程建造成本的２０％ ～３０％涉及的鋼材品種主要包括鋼板、型鋼（船用球扁鋼、Ｈ 型鋼、角鋼等）、鑄鍛鋼以及配套焊接材料等其中船體建造耗用鋼材量約占全船質(zhì)量的６０％左右，其中板材又占８８％左右1、大線能量焊接船板鋼氧化物冶金即利用煉鋼過程中生成的尺寸細(xì)小、彌散分布、成分可控的氧化物夾雜作為硫化物、氮化物等異相析出核點(diǎn)，以改變鋼的組織和晶粒度，使鋼材具有優(yōu)異的韌性、較高的強(qiáng)度，尤其是優(yōu)良的焊接性能采用“氧化物冶金”的技術(shù)思路開展了大線能量焊接用鋼的研究開發(fā)工作。

比較各種脫氧處理?xiàng)l件下焊接熱影響區(qū)的低溫韌性可得，普通未進(jìn)行任何處理的Ｃ－Ｍｎ鋼焊后熱影響區(qū)的整體低溫韌性水平較低，其中線能量Ｅ 大于５０ｋＪ／ｃｍ 時(shí)，低溫韌性顯著降低，僅為１０Ｊ左右而經(jīng)過不同合金脫氧處理后模擬焊接粗晶區(qū)的低溫韌性顯著提高 2、油船貨油艙用耐腐蝕鋼在內(nèi)底板腐蝕環(huán)境下，微量合金元素對(duì)船板鋼的耐蝕性存在顯著影響添加0.1%以上的B和C耐蝕合金元素可以使腐蝕速率顯著降低到原來的1/4~1/3觀察腐蝕后的形貌可以看出，在ＩＭＯ 貨油艙內(nèi)底板腐蝕環(huán)境下，傳統(tǒng)鋼表面主要形成大量直徑大而深的腐蝕點(diǎn)蝕坑，而開發(fā)的耐蝕鋼表面只出現(xiàn)少量小而淺的點(diǎn)蝕坑，點(diǎn)蝕坑的深度／直徑比顯著降低[10]3、大規(guī)格船用球扁鋼利用新型的釩氮微合金化設(shè)計(jì)＋碳氮化釩控制析出軋制工藝（ＰＣＲＰ），可開發(fā)出高韌性、大規(guī)格船用球扁鋼品種技術(shù)依靠奧氏體中析出的碳氮化釩促進(jìn)晶內(nèi)鐵素體形核，顯著地細(xì)化了最終的鐵素體晶粒尺寸，獲得顯著的細(xì)晶強(qiáng)化效果同時(shí)，依靠鐵素體中彌散析出的碳氮化釩的析出強(qiáng)化作用，顯著提高鋼的強(qiáng)度4、海洋平臺(tái)特厚齒條鋼隨著海洋石油工業(yè)的深入開展和鉆采難度的加大，對(duì)自升式鉆井平臺(tái)用齒條鋼提出了大厚度、高強(qiáng)度、高韌性的發(fā)展要求，這類產(chǎn)品一般使用調(diào)質(zhì)熱處理狀態(tài)交貨。

但是，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(chǎn)品開發(fā)的難點(diǎn)鋼在淬火時(shí)獲取淬硬層深度的能力稱為鋼的淬透性采用微Ｂ＋固Ｎ 元素的復(fù)合處理可以在獲得良好強(qiáng)韌性的條件下大幅度提高齒條鋼的淬透性同時(shí)，采用微Ｔｉ處理或稍過量的Ａｌ處理，均可使微量Ｂ的固溶比例達(dá)到５０％以上，且偏聚于奧氏體晶界處，有效地延緩了高溫相變，顯著提高齒條鋼的淬透性采取上述合金優(yōu)化思路，工業(yè)生產(chǎn)獲得了截面均勻的淬透組織和良好力學(xué)性能的特厚齒條鋼對(duì)于１５２ｍｍ 厚的齒條鋼，即使在鋼板的心部，淬火冷卻速率僅為１℃／ｓ左右，通過上述合金設(shè)計(jì)和工藝配合，也可獲得以馬氏體＋下貝氏體為主的顯微組織，基于該思路開發(fā)的齒條鋼和國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)相比，具有較高的強(qiáng)韌性水平5、9Ni低溫鋼隨著ＬＮＧ工業(yè)的迅猛發(fā)展，９Ｎｉ低溫鋼的研究和開發(fā)熱度持續(xù)升溫ＬＮＧ 的儲(chǔ)存溫度為－１６３℃，要求ＬＮＧ儲(chǔ)罐內(nèi)壁用９Ｎｉ鋼，具有較高的強(qiáng)度、良好的低溫韌性和較小的波動(dòng)研究發(fā)現(xiàn)，采用ＱＬＴ熱處理（在ＱＴ調(diào)質(zhì)處理中增加一道兩相區(qū)淬火），可在強(qiáng)度略微降低的情況下，顯著提高９Ｎｉ鋼的低溫韌性，同時(shí)大大擴(kuò)展９Ｎｉ鋼的熱處理工藝窗口，提高９Ｎｉ鋼的性能穩(wěn)定性。

９Ｎｉ鋼的良好低溫韌性與其中形成的一定含量的逆轉(zhuǎn)變奧氏體有密切關(guān)系在９Ｎｉ鋼中形成５％。