科技新进展:极寒环境用高强韧易焊接海洋装备用钢关键技术创新及工程应用

    一、研究的背景与问题

    油气资源不仅是国家的经济命脉，也与人民生活密切相关，陆地和近海油气资源的枯竭使得北、南极和外海超深水域成为最后的争夺地，围绕其展开的科考、勘探、开发和利用呈现出“白热化”局面。受到设计配套能力差、高端材料国产化空白等关键因素的影响，我国在以极地冰区船型为代表的高技术船舶和深海钻采装备的制造成本、承接订单量、市场竞争力等方面与日、美、俄等发达国家差距显著。

    为打破这一困境，“十二五”以来国家出台一系列振兴高端装备制造业的实施计划，将“高技术船舶与海工装备”列入十大重点支持战略产业，力求快速提升高端装备制造业水平，助推我国“海洋强国”战略的实施。

    鞍钢项目团队自2010年起，依托国家强基工程项目及鞍钢集团重大项目开展技术攻关，针对极地船舶和深水钻井平台用高端材料短缺、现有材料技术指标无法满足冰区服役装备设计建造要求、耐低温材料应用服役技术研究空白等问题，重点开展了基于高强韧、易焊接、抗疲劳、耐腐蚀、耐磨蚀等关键特性的极寒环境用钢材料设计制造与应用技术研究。

    国内现有船舶及海洋装备用钢无法满足极寒环境应用，其主要原因在于：1、36-40kg高强船板，通常采用控轧、正火轧制或传统TMCP方式生产，常规组织的韧脆转变温度较高、防止结构脆性瞬断能力不足，无法满足极地船舶-60℃的设计服役要求；2、极寒和超深水海洋平台用钢需满足超高强、大厚度、易焊接、厚向均匀等特性，传统上采用调质生产的钢板其高屈强比、高碳当量导致可焊性差；钢板厚度方向性能不均，心部强度和低温韧性易存在波动，无法满足超深水和极寒海工装备在高韧性设计和应用服役性能要求。

    为满足国家重点领域关键材料亟需，鞍钢联合项目各完成单位开展“产-学-研-用”协同创新，针对不同海洋装备的设计选材要求，实施材料设计-制造-应用-服役评价等全链条集成化技术创新，探清低温韧化机制，开发出全系列极寒环境用高强韧易焊接海洋装备用钢，实现国内外重大海工装备示范应用，为海工装备产业技术升级、实现高端材料自主可控提供了重要支撑。

    鞍钢作为国内海洋装备用钢的重要研发基地，率先完成F级极寒环境海洋装备用钢的船级社认证，与项目完成单位在极寒环境海洋装备用钢的合金体系设计、强韧化机理、服役性能评价等方面开展了合作，并积累了丰富的经验。

    鞍钢拥有国际一流的海洋工程用钢生产装备，5500mm轧机轧制力高达105000kN，最大板宽可达5200mm，完全可以满足极寒环境海洋装备用钢的轧制要求。

    鞍钢拥有强大的热处理能力，可进行淬火、回火、正火、退火等热处理，为项目的研发提供了支撑。

    二、解决问题的思路与技术方案

   该项目的研发始于2010年，针对高强度极地船舶用钢，通过E/F质量等级36kg、40kg新型低温船用钢的合金体系设计、基于全厚度截面温度场与应变场耦合控制的UC-TMCP生产技术研究，获得细晶F+P精细化微观组织，具有高强塑性、低温韧性、焊接性和抗冷裂纹敏感性等优异性能。

    2013年，针对极寒、超深水钻井平台用钢的超高强、大厚度易焊接等关键特性需求，开展了FH420~FH550级大厚度超高强耐低温海工钢研发，采用超低碳与高强韧性微合金化元素的合理配比，研究了TMCP工艺下轧制及冷却工艺对全厚度钢板的组织性能影响规律，获得具有细化的再结晶组织、全截面变体针状铁素体、贝氏体多相组织特征的F级超强度钢，强化特厚超高强度钢板心部性能，满足了超深水和极寒地区海洋平台对材料高强度、耐低温、抗冷裂、易焊接等综合性能要求。

    2017年以来，针对中集来福士、新加坡吉宝等国际知名海工企业制造的FPSO、北极钻井平台等高端海洋装备所需的高韧性、低屈强比、易焊接820MPa大厚度钢板的材料设计需求，相继开展了超规范的大厚度钢板开发，创新提出基于异构马氏体组织调控原理及强韧匹配的热处理技术，研究了低压缩比条件下特厚耐低温海工钢连铸坯原始组织遗传行为，将特厚钢板原始奥氏体细化、精细组织控制与高渗透形变控制技术相结合，实现特厚钢板厚向组织均匀细化；自主开发出QIAT技术，实现大厚度超高强海工钢强韧性调控，获得优异的超高强度及低温韧性指标，形成微观组织调控新理论及完备的极寒环境用高强韧性海洋装备用钢一体化制造关键技术。

    项目涉及的钢种多、规格多、性能指标复杂苛刻、强度级别跨度大，为了实现超高强、高韧性、大厚度、易焊接等多种互斥特性之间的平衡，总体研发思路如下：

     三、主要创新性成果1、针对355MPa-400MPa强度级别，采用低碳及低碳当量合金体系，在物理冶金原理及模拟仿真的指导下，利用新型控制轧制技术，通过板坯全厚度截面温度场与应变场耦合控制，充分实现奥氏体再结晶细化，获得低碳-细铁素体-少珠光体组织；裂纹尖端张开位移CTOD（-20℃）≥2.8mm，满足极寒与超低温船舶材料设计服役要求。

    2、针对420-550MPa钢级TMCP厚规格钢板，揭示了合金成分和原始奥氏体尺寸对协变相变变体选择的规律及其对低温韧性的影响，发展了TMCP工艺下的全厚度截面奥氏体细化技术，获得表层组织超细化、内部大角度晶界密度均匀一致的F级超高强度钢，实现了高端海洋用钢国产化、系列化、高品质化。

    3、创新发展了基于异构马氏体/贝氏体组织调控原理及强韧匹配的热处理技术，通过马氏体、高温退火马氏体/贝氏体的比例调控、分布调控以及晶体学取向调控，开发出屈服强度700MPa，抗拉强度不低于820MPa，最厚达到86mm海洋平台用钢，满足了超深水和极寒海域海洋工程装备特殊设计需求。

    该项目形成三大系列58个牌号产品率先通过船级社认证，制修定国家标准1项，授权专利10项。

    经省级鉴定，项目总体达到国际领先水平。

    首发产品应用于超深水钻井平台“蓝鲸1、2号”等国内外重大海洋工程。

    2011年至今，生产极寒环境海洋用钢75.0万吨，销售收入45.63亿元，新增利润52196.6万元，经济和社会效益显著，促进了我国高端海洋装备制造业技术进步与发展，市场应用前景广阔。

    四、应用情况与效果

    1、极寒环境用高强韧易焊接海洋装备用钢集成生产技术在鞍钢推广情况鞍钢作为国内最早开发高强韧性海洋装备用钢的钢铁企业，自1993年首次进行船级社认证以来，先后21次在国内率先完成高端海洋装备用钢的认证，成为国内认证次数最多、认证品种最全、认证材料等级最高的企业。

    本项目开发的具有自主知识产权的极寒环境海洋装备用钢产品及其关键生产技术，在鞍钢炼钢总厂、鲅鱼圈分公司炼钢部进行高品质海洋装备用钢冶炼、连铸，在鞍钢股份中厚板厂4300mm、鲅鱼圈分公司厚板部5500mm等产线实现极寒环境用高强韧易焊接海洋装备用钢的产品制造，多项产品实现全球、国内首发，形成三大系列58个牌号产品。

    应用实效表明，产品过程性能稳定。

    2、极寒环境用高强韧易焊接海洋装备用钢产品推广情况由于鞍钢生产的极寒环境海洋装备用钢种类全、规格多，极大满足了用户差异化需求和产品个性化需要。

    超高强F级海工用钢用于全球首座第七代超深水钻井平台“蓝鲸1号、2号”；国际上首次成功开发VL4-4MOD低温钢，用于建造5000m3LPG运输船，为鞍钢独有的全球首发产品；此外，FH420、EQ51、820MPa等超高强钢分别用于 “海洋石油982”、巴西石油公司FPSO、挪威北海水域钻井平台“维京龙”、俄罗斯亚马尔一期项目的极寒凝析油轮和极地甲板运输船、全球最大的南极磷虾捕捞船等数十项国内外重大工程项目（见表1）。

    在使用过程中，经过检验考核，用户一致认为，鞍钢极寒环境海洋装备用钢具有质量稳定、性能指标富余量大、表面质量好、交货期短等优点。

    由于鞍钢低温钢高性能、高质量钢材的大批量生产，有力的支持了中国海洋事业的发展，对国民经济的拉动和支撑起到了促进作用。

    3、其他评价及论文引用情况辽宁省金属学会组织的科技成果和新产品的鉴定评价意见认为该技术属国际领先水平（见附录评价证书）。

    该技术形成专利12项（授权发明专利10项、受理发明2项）、修订国家标准一项、发表相关技术论文11篇，其中SCI文章9篇，论文被引用63次。

    4、社会效益与市场推广前景鞍钢极寒环境用高强韧易焊接海洋装备用钢系列产品，品种多、规格全、表面质量好，由于其优良的综合性能，得到广泛应用，在创造巨大企业效益的同时也创造了巨大的社会效益，对国内中厚板行业的技术进步起到示范引领作用，极寒海洋装备用钢多项产品实现国内首发及工程化、批量稳定化应用，成功打破国外技术垄断，产品成功替代进口，填补国内空白，显著提升我国先进材料的国产化率，产品实物质量及技术经济指标达到国际领先水平。

    随着常规可开采能源逐渐枯竭，开发利用海洋中的丰富资源，已经成为未来能源利用的必然趋势，北极地区及深海区域由于具有丰富的能源储量受到越来越多的关注。

    而随着北极航线的逐渐开通，对海洋资源的开采逐渐由浅海向深海区域、极地高寒区域发展，将极大的促进了大型高技术极地运输破冰船舶及深水钻井平台的需求与发展。