浦项制铁海洋工程用钢的研制方向

罗 晔,王 超

(1.武汉钢铁(集团)公司研究院,湖北武汉 430080;

2.武汉杉舍环保科技有限公司,湖北武汉 430050)

浦项制铁海洋工程用钢的研制方向

罗 晔1,王 超2

(1.武汉钢铁(集团)公司研究院,湖北武汉 430080;

2.武汉杉舍环保科技有限公司,湖北武汉 430050)

浦项制铁重点关注造船及能源行业,近年开发出LNG储罐用9%镍钢、LNG储罐用高锰钢、LNG储罐用不锈钢、海洋平台用钢、集装箱船用BCA保证钢等一系列高附加值WP产品,通过与造船、能源企业通力合作,充分了解客户需求,灵活调整研发方向,持续实施“解决方案式营销”活动,推动了长期供货协议的签订,开创了稳固的收益来源。

浦项制铁;产品;造船;海洋工程;研发

1 引言

造船行业是中厚板产品的重点需求行业,不过进入2000年以后,受全球金融危机的影响,市场需求已经发生了一定变化,钢铁企业之间的竞争也日益加剧。全球90%的造船量都集中在中日韩三国,尽管造船行业在2012年以后的发展出现了停滞,不过由于近期高能效Eco-ship、大型集装箱船等订单量出现了增加,因此市场有望逐步回暖。

自1972年浦项厂中厚板一分厂投产以来,浦项制铁(以下简称“浦项或POSCO”)就一直致力于开发造船和建设行业专用的中厚板产品和技术,由此满足市场的各种需求,步入了与客户共同发展的良性循环轨道。浦项自主开发出的POSHARP技术(POSCO Heavy Strand Reduction Process),可将300 t的板坯生产成厚度150 mm以上的极厚板材,批量生产热处理极厚板材产品,向国内外压力容器制造企业供货,而移动式钻井平台的锚架用厚度183 mm极厚板EQ70在正式批量供货前,还进行了质量认证。致力于开发厚度超过100 mm的极厚板材,相继开发出了压力容器专用的热处理钢材,移动式钻井平台的锚架和弦杆等海洋平台用材料。

海洋工程能源用钢主要用于石油、天然气等能源物质的开发、生产、运输、储藏的设施。随着能源消耗的与日俱增,全球能源用钢市场需求在2012年为3100万吨,预计到2020年将达到5100万吨,年均增长率约在6%以上。目前这块市场依旧被日本和欧洲等少数企业垄断,早在2000年,浦项就开始着手能源用钢的开发,2013年开始,韩国造船行业的海洋平台业务出现亏损,但浦项还是新开发出10余种能源用钢材,共计23个新品种,截至目前,已经成功开发出30余种产品,今后还计划开发出60个新钢种,目标是到2020年之前占据全球10%的市场份额。

2008年以来,浦项每年都会参加国际海洋技术展览会—近海技术会议 OTC (Offshore Technology Conference),开展有关能源钢材加工及应用技术的整体解决方案销售活动。在会展专属展位上,通过与能源企业大力合作,充分掌握了客户的多种需求,并逐步调整自身的研发方向。通过行之有效的产品推介和认证活动,不仅向外界充分展示了自身能源用钢加工和应用技术的实力,更极大地促进了能源用钢长期供货协议的签订及技术合作的开展。目前,浦项已经与壳牌公司和马来西亚石油公司签订了长期合同,还为现代重工业、三星重工业、大宇造船海洋等韩国三大造船企业提供海洋工程钢材,同时还推动与埃克森美孚、挪威科技工业研究院、AMEC和荷兰辉固等公司的技术合作。在全球钢铁企业中,仅有浦项在世界上首次向大宇造船海洋公司批量供应能源用中厚板产品,并向荷兰皇家壳牌集团批量供应FLNG设备专用中厚板产品,这一壮举标志着其能源用钢已经获得了权威认证。

2 重点产品

2.1 LNG储罐用9%镍钢

随着页岩气开发的热潮席卷全球,对于LNG运输船及LNG接收站的需求也在不断增长。液化天然气(LNG)储罐的底部和内壁采用的材料主要是9%镍钢,这一产品在-162℃可以保持高强度,在-196℃的极低温环境中可以保持较好的韧性,尤其经过了淬火和回火热处理等严格复杂的生产工艺之后,性能突出。浦项在1994年开发出LNG储罐内壁钢材9%镍合金钢,此后向韩国国内的统营、三陟、平泽、光阳LNG接收站供货,与进口产品相比,价格优势突出;与其他企业的产品相比,生产周期和交货期大幅缩短,产品服务质量高。

早前LNG储罐底部材料厚度为5 mm,其中9%镍钢的比重约为25%,但韩国国内尚不能生产,只能依靠进口,针对这一现状,浦项根据市场需求,积极开展了9%镍钢薄钢带产品的研制。

为了降低产品不合格率,浦项首先开发出最适于9%镍钢带的轧制技术,为了确保热处理后的产品外形质量,重新调整了相应的生产工序,提高了连铸板坯的修磨能力,以及板坯的脱磁处理能力。2013年上半年可以提供各种规格的9%镍钢带产品,同时对客户的需求作出迅速回应。对质量检查加强管理,客户的满意度也在不断提高。与此同时,浦项还将根据客户的新需求,预先对5%和7%镍钢进行工艺优化,并积极推动产品的质量认证。2014年上半年实现了3800 mm宽幅的9%镍钢板的生产,可以减少焊接次数,节省焊接材料,缩短客户的操作时间,其超高级中厚板产品9%镍钢的钢带生产技术有望完全替代进口产品。

2.2 LNG储罐用高锰钢

2014年3月,浦项与韩国科学技术院(KAIST)联合研制出了大容量LNG储罐,该产品的材质是由浦项研发的高锰钢,贮藏量为2万m3,与现有储罐1000 m3的贮藏量相比,提高了19倍左右。2015年1月由韩国产业通商资源部制定了低温压力容器用高锰钢板(KSD 30131)、高锰钢用电弧焊条(KSD 7142)、高锰钢用电焊药芯焊丝(KSD 7143)、高锰钢用埋弧焊丝和焊剂(KSD 7144)等一系列新标准。这些产品可以减少焊接次数,不仅为客户提高了生产效率,还节省了制造成本。

浦项之所以能够在研发大容量LNG储罐上取得成功,得益于其高锰钢产品和韩国科学技术院的“格子结构”技术的完美结合。浦项所开发的高锰钢产品是能经受超低温度的能源用钢,尤其适用于在-162℃储存LNG,与目前采用的不锈钢相比,不仅焊接性能更为优秀,还易于制造储罐罐体。与此同时,为了提升高锰钢产品的竞争力,特别采用了韩国科学技术院专有的格子结构技术。在储罐内设置的格子结构可以分散传递给罐外壁的压力,贮藏量提高的同时却无需增加外壁的厚度。分离出的格子型压力容器储罐为长方形,可以作为大型储罐使用。这项技术已经先后通过了韩国船级社和美国船级社的认证,同时还获得了美国机械工程师协会的“压力容器认证”(ASME U2 Stamp)。高锰钢格子型压力容器可以让海运公司在远距离航行时降低燃料消耗,可以使造船公司降低LNG船舶的制造费用,该产品具有明显的价格优势。

与铝合金相比,高锰钢材料的单价仅相当于其53%,故而用于制造LNG储罐的费用也可降至56%的水平。将超低温用高锰钢的材料价格和施工费用统统计算在内,也比现有的极低温用材料便宜50%～75%。随着高锰钢使用比重的扩大,韩国国内造船和海洋平台等相关行业的竞争力也将进一步提高。2016年三季度,该高锰钢材料正式用于现代尾浦造船公司承建的5万DWT级动力散货船的LNG储罐。船体计划于2017年底完工,2018年由韩国日伸海运公司从江原道向光阳厂运送浦项生产所需的石灰石原料。在韩国制造业持续低迷的大环境之下,此次钢铁、造船、海运行业之间的合作可谓是突破危机的一次尝试。

2.3 LNG储罐用不锈钢

2016年2月浦项WP不锈钢产品304L正式用于韩国天然气公司的LNG船储罐薄膜系统KC-1,由此韩国天然气公司制造的薄膜型LNG船用储罐全部采用了该不锈钢产品。

常规的球罐型LNG船装有4～5个圆筒形储罐,而薄膜型LNG船仅有单一储罐建造在船体内,采用冷轧不锈钢材质,充分利用了空间,装载运输效率更高,降低LNG蒸发损耗,也更为安全、经济。薄膜系统是指LNG船用储罐的内壁与LNG直接接触,被喻为“一次屏障”,对船舶的LNG运输效率和经济性有一定影响。早前薄膜设计技术的专有权归海外施工企业所有,韩国造船企业生产薄膜型LNG船时必须支付特许权使用费,直至2014年韩国天然气公司成功开发了薄膜设计技术。

在这项技术的开发过程中,浦项与韩国天然气公司联手开发出适于LNG储罐薄膜系统KC-1的304L不锈钢薄板,并由仁荷大学冲击和疲劳破坏研究室对不同镍含量下超低温的机械强度和疲劳强度进行评价。通过“解决方案式营销”活动,浦项构建了材料生产/供货的全套体系,为客户提供定制化的服务,成为了韩国和国际市场上薄膜不锈钢材料的唯一供应商。以技术实力和产品质量为基础,今后还计划在陆地储罐、小型罐车上扩大不锈钢材料的应用,由此提高在能源市场的占有率。

2.4 海洋平台用钢

虽然受到进口低价钢材的巨大冲击,加之韩国国内造船行业长期低迷,浦项依旧加快了对海洋平台能源用钢的开发。与建造普通商船所需的厚板类似,海洋平台能源用钢是指制造海洋平台设备所需的钢材。不过由于行业低迷,加之油价下跌的影响,现代重工业、三星重工业、大宇造船海洋等韩国三大巨头船企的海洋平台订单量锐减,因而相关能源用钢的需求也出现了减少。

尽管如此,为了应对长期市场低迷,浦项的海洋平台能源用钢的研发主要围绕高强度、最大厚度以及低温安全性等三个方面进行。目前浦项的海洋平台能源用钢强度可达500 MPa,最大厚度可达210 mm。

早前浦项主要向韩国三大造船巨头供应这些海洋平台能源用钢产品,包括浦项在内,现代制铁、东国制钢等主要钢企向这些客户的供货比重分别是:普通厚板60%,海洋平台能源用钢40%。不过到2014年以后,受行情不济以及低油价的影响,三大船企的海洋平台订单额骤减了一半以上。因此大部分钢企不仅减少了能源用钢的供货,还削减了研发投入,而浦项却反其道而行之,加大了包括能源用钢在内的高附加值钢材研发投入。2009年开发出北海油田海洋结构用钢材,并首次向德国Veba油气公司供货1.2万吨。

2014年6月,浦项与韩国钢管和船体分段供应商SAM KANG M&T公司共同研制的中厚板S460钢成功实现了商业化供货。两家公司于2012年初开始合作,历经2年左右的研究,用中厚板S460钢制造厚壁钢管,还计划阶段性提高产品的产量和销量。

另外,中厚板S460钢是作为焊接结构用细晶粒钢材使用的,按照德国工业标准DIN (Deutsches Institut fǖr Normung)拉伸强度为550 MPa。该钢种主要用于海洋及能源产业,在欧洲应用很广,但在韩国工业标准KS上却并没有明确标示出来。尽管此前韩国业界已经认识到了这类钢种的重要性,但由于开发力度不够,因此错失了不少大型工程项目。此次两家公司通过开发的S460钢种和相应材料制成的厚壁钢管,将为韩国钢管产业的长远发展提供良好的发展契机。

目前,浦项正致力于开发北海等极地专用的海洋平台能源用钢。这些地区不仅温度低,而且波涛汹涌,为了开采油气田,海洋平台的稳定性至关重要。浦项近期成功开发出的能源钢材可以在-40℃的环境下依旧保持高强度,不易发生破裂,远期的目标是开发可经受-60℃的能源钢材。

2.5 集装箱船用BCA保证钢

近年来,随着北极航道的开通,货运时间比现有苏伊士运河缩短了10天以上,船舶数量将明显增多,因而促成了对耐超低温钢材的大幅需求。据国际权威机构Ocean Shipping Consultant分析,1.8万TEU级的集装箱船一天的运营费用为19.719 8万美元,如果利用北极航道,运输时间在缩短的同时,人工费、保险费和其他费用都将大幅减少[1]。与此同时,由于燃料价格不断上升,环境法规的日趋严格,高能效、环保型船舶的订单明显增加,船体也趋于大型化。国内外造船企业对于钢材品种的需求已经发生了巨大的变化。为了顺应这种市场趋势,浦项预先了解了客户的需求,已经把高强度、耐超低温造船用钢材确定为研发重点,并进行有针对性地开发,为客户提供配套的解决方案,最终实现与客户的共同发展。

随着集装箱尺寸的增大,集装箱船趋于大型化,裂纹产生的破坏也会大幅增加,为了确保船体结构完整性和减轻重量,需要采用高强钢板。根据国际船级社协会(IACS)的规定,2014年1月1日开始承建的船舶必须采用经船级社认证的BCA保证钢厚板。BCA钢指具备脆性裂纹止裂(Brittle Crack Arrest)韧性的钢,在船体出现裂纹时,可以防止裂纹扩散。浦项开发的厚度85 mm以上的EH40厚板,以及厚度50 mm以上的EH47厚板就属于这类产品,可以有效防止焊接部位的破裂。

2010年6月浦项采用TMCP工艺开发了BCA保证钢EH40。按照不同船级社的认证标准,ABS和LR等船级社称其为EH40,而DNV、LR、BV、RINA、GL等船级社称之E40。EH40用于大焊接线能量的焊接,要求焊接线能量高于500 kJ/cm。2014年12月浦项开发了最大厚度达100 mm的EH40厚板,并在全球最早获得德国劳埃德船级社(Germanischer Lloyd)认证,2015年2月向大宇造船海洋19200 TEU级的集装箱船供货。

值得一提的是,浦项拥有韩国国内唯一的大型检测设备,对EH40进行了5次ESSO试验。ESSO试验是一种确认钢材脆裂性的试验方法,主要确定带有裂纹的样品在不同温度下发生断裂的程度。经过试验确认,钢板最大厚度为100 mm的EH40阻止脆性裂纹扩展最小韧性值(Kca)为7000 N/mm1.5以上,远高于船级社的规定指标6000 N/ mm1.5。除德国船级社GL以外,EH40还获得了美国ABS、英国LR等船级社的初期认证,由此抢占集装箱船用钢材市场,2015年对造船行业的供货量约为3000 t,预计2017年将持续增至1万吨[2]。

目前浦项正在与大宇造船海洋、德国船级社总部进行紧密合作,在开始批量供货后,将采用较简便的落锤试验DWT(Drop Weight Test)代替ESSO试验。如果采取ESSO试验,通常需要60天,而采取DWT试验,在12天内就可以完成,简化了质量认证的流程,提高了工作效率,与韩国国内竞争对手相比,浦项的BCA保证钢工期可以缩短5周以上,具有相当的竞争力。

与此同时,浦项还计划增加裂纹顶端张开位移试验CTOD(Crack Tip Opening Displacement),以测定EH40钢阻止脆性裂纹的性能指标。如果能同时获得BCA和CTOD认证,浦项有望成为全球领先的企业, BCA保证钢向造船企业的供货量将从2015年的3千多吨提高到2017年的1万吨。除了德国船级社以外,浦项还计划通过ABS、LR等船级社的认证,以抢占集装箱船用钢市场。

2010年6月开发的EH47具有高强度,要求在-10℃条件下进行CTOD(裂纹尖端张开位移)试验,在-40℃条件下确保热影响区(HAZ)韧性;屈服强度比EH40高出70 MPa。板厚为63 mm的EH47钢板可替代传统的75 mm厚板,用于18 000TEU级集装箱船的上甲板;74 mm的EH47钢板则可替代传统的80 mm厚板用于舱口围板。厚度的降低可减少船体的焊接量、节省燃油消耗,并提高船舶速度。该产品已获得德国劳氏船级社GL、美国船级社ABS和韩国船级社KR的认证。2014年11月将PosPATH (POSCO PAradox Technology for Heavy plate)技术用于生产EH47厚板,这项极厚板材制造技术可将其厚度增至200 mm,并降低了探伤不合格率。

3 结语与展望

在处境极为艰难的钢铁市场,为了确保自身的竞争力,浦项重点关注造船海洋行业的产品需求,将船板用钢和能源用钢作为突破口。为了巩固在产品技术和市场营销的优势地位,浦项和光阳两大分厂、解决方案中心及技术研究院通过紧密合作,加快了WP产品的研发步伐。当前的研究重点是耐超低温钢材、高强极厚板等高性能产品,同时大力开展“解决方案式营销”活动,从“材料—设计施工—制造”等全方位提供解决方案,为客户创造最大化的价值。

[1] 罗晔.韩国钢铁企业加快研发新型耐低温能源用钢[N].世界金属导报,2015-03-17 (B01).

[2] 罗晔.浦项制铁首次供应BCA保证钢[N].中国船舶报,2015-04-10(007).

Tendency in Development of POSCO’s Ocean Engineering Steel

LUO Ye1,WANG Chao2
(1.Research and Development Center of WISCO,Wuhan 430080,Hubei,China;
2.Wuhan Sunse Environmental Protection Technology Co.,Ltd.,Wuhan 430050,Hubei,China)

The development of POSCO's steel products has been focused on the shipbuilding and energy industries.In recent years,a series of high value-added world premium products have been developed,such as 9%nickel alloy steel,high manganese steel,stainless steel forthe LNG storage tank,steel for offshore platform,steelfor ULCS and so on.The signment of long-term supply agreement has been promoted through co-operation with shipyards and energy companies,fully understanding of customer needs,adjusting the direction of research and development,sustainablely implementing the solution marketing activities,which has created a stable source of income.

POSCO,steel products,shipbuilding,ocean engineering

TG142

A

罗 晔,工程师,主要从事日韩钢铁冶金信息情报的研究。