极地海洋装备用钢发展方向研究

王曙光,朱 军

(江南造船(集团)有限责任公司,上海201913)

0 引言

极地区域拥有极为丰富的自然资源,对世界未来经济社会的可持续发展有着重要的支撑作用[1-2]。随着全球气候变暖、海冰大量融化,极地蕴藏的丰富资源和极具价值的北极航道将极大地提升极地的实际价值[3-5],因此,极地海洋装备的开发建设日益增多。极地常年低温、多冰的环境对极地装备用钢材料性能提出了更高的挑战。我国现有船舶材料体系主要针对常规海域环境,在极地环境方面的材料应用研究起步晚、投入少。

为此,本文通过收集目前国外先进极地海洋装备用钢的研究成果及使用情况,对比国内发展现状,分析目前国内极地海洋装备用钢的短板,提出我国极地海洋装备用钢的发展建议。

1 国外极地海洋装备用钢研究现状

2000年,俄罗斯成功开发出屈服强度为235～690 MPa的新型极地用钢,最高耐寒级别可达F级,工作温度为-40～-50 ℃,保证在-60 ℃下不发生脆断。同时在F级耐寒钢的基础上开发了以“ARC”为后缀的极地专用高强钢,强度级别范围涵盖了315～750 MPa,并已完成了相应配套焊接材料的开发,可不受限制地用于任何极地装备结构。目前,俄罗斯已形成较为完整的极地用钢材料体系,工作温度低至-60 ℃,已用于冰区航行船舶、破冰船、考察船、海上钻井平台等设计建造,较好地解决了装备/结构在高盐度海冰中的脆断、疲劳、腐蚀与冲刷磨损问题。同时正在开展890 MPa和960 MPa级别的ARC级耐寒钢的开发工作。

20世纪80年代,日本在EH36钢基础上开发出厚度达75 mm的极地船舶与海工装备用EH36-060钢,屈服强度超过430 MPa、-60 ℃夏比冲击功超过300 J、50%韧脆转变温度(FATT)约为-100 ℃,可实现大线能量焊接。EH36-060钢已被用于破冰船、极地油船和极地海洋平台建造[6-7]。

美国重型破冰船的船体结构采用了HY-80、CG-ASTM 537M、EH36-060(Mod)等钢种,但高强度等级的HY钢容易出现焊接开裂和应力腐蚀开裂,导致建造成本过高。HSLA-80和HSLA-100低合金高强钢虽然碳当量较低(0.06%～0.08%),但是焊接接头在使用过程中容易开裂。

韩国开发了耐极地低温钢FH32、FH36及极地LNG船用EH500、FH500钢,并应用在“Araon”号科考破冰船与亚马尔LNG项目的极地油轮和极地LNG运输船上。目前,世界上共有60多种屈服强度超过500 MPa的北极装备用耐寒钢。

芬兰的“芬尼卡”号与“诺地卡”号破冰船船体结构采用经挪威船级社认证的NVE 500级高强钢,单艘破冰船用量约1 300 t,约占总用钢量的33%。NVE 500级钢的规定屈服强度和抗拉强度分别为500 MPa和610～770 MPa,-40 ℃冲击功不低于27 J。与常规的RAEX Polar 钢相比,RAEX 500E Polar 的合金成分有所优化,焊接接头耐海水腐蚀性能有所增强,低碳当量使其无需焊接预热和高热量输入焊接。2016年服役的“北极星”号破冰船的抗冰加强船体由48 mm厚高强钢焊接而成,冰带部位采用高强钢-耐酸不锈钢复合板,不锈钢覆层厚约5～7 mm,维护性优于常规的冰带用复合钢板材。

2 极地船舶与海工装备用钢评价技术

2.1 极地船舶与海工装备用钢技术指标要求

极地地区低温、多冰等复杂工况对极地地区运行的船舶与海工装备用钢的服役性能提出了严苛的要求,具体如下:

(1)需要具有较高的强度,材料屈服强度235～690 MPa,最高可达890 MPa。

(2)有良好的强度、延展性、抗层状撕裂性能与低温韧性,低温静态、循环及动态载荷条件下,材料均不发生脆性断裂。

(3)材料要具有良好焊接性,无需预热与后热处理,或仅需最低预热温度。

(4)有良好的冷加工适应性和耐海冰磨蚀性。

因此,各国对极地船舶与海工装备用钢提出较高的技术指标要求,具体如下:

(1)欧洲标准EN 10025-6 对北极地区用低合金高强钢轧制板材(厚度3～50 mm)的力学性能要求见表1。

表1 EN 10025-6 标准规定北极用低合金高强钢板材力学性能

(2)俄罗斯船级社对F级耐寒钢的性能要求有专门规定;2012年又将ARC级耐寒钢纳入要求,以满足北极地区对钢材耐寒性、抗裂性及可焊性的额外要求。

2.2 极地船舶与海工装备用钢评价规范

国际海事组织(IMO)海上安全委员会2014年通过了《国际极地船舶水域作业规则》,国际船级社协会(IACS)也于2006年发布了《极地船级统一要求》(IACS UR)。IMO还分别于2002年和2009年发布了《在北极冰覆盖水域内船舶航行指南》和《在极地水域内船舶航行指南》。IMO规则和IACS指南构成了极地船舶设计、建造及航行作业的主要国际性公约。其中,IMO规则明确提出“极地船舶必须采用适应极地环境的结构材料及建造工艺,以防止因脆性断裂而导致的船体结构失效事故”[8-9]。

IACS UR 规定了各级冰区船舶结构用材料分为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三类,最高级别是50 mm的FH高强钢,要求-60 ℃冲击韧性。各国船级社在IACS UR的基础上编制了各自的极地船舶规范,规定了各级极地船舶的强度设计要求及所用材料级别,技术要求与IACS UR基本一致。中国船级社首次把极地航行船舶规定编入《钢质海船入级规范》(2009)中。但目前极地船舶规范以船级社规范钢级要求为依据进行选材,尚无专门的极地船舶材料规范。而现有船级社规范钢级以冲击试验温度进行定义,最高级别为-60 ℃冲击温度的F级,其能否应用于评价极地船舶所承受冰层的动态、连续冲击载荷及温差变化大的苛刻条件尚未可知。根据英国劳式船级社对近700艘极地船舶长达40 a的跟踪调查,发现57%的极地船舶在平均13 a船龄后船体钢结构出现裂纹或断裂现象。这表明现有规范对断裂安全性的评价准则不能反映极地船舶服役环境。

3 国内发展现状及短板分析

3.1 极地用结构钢及复合钢板开发与应用

目前,国内钢厂已开发出355 MPa和390 MPa的极地用低温钢,最大厚度达到68 mm,并开展了相应的低温服役性能评价研究工作,钢板低温抗层状撕裂性能、低温韧性、低温抗脆断性能良好。其中,355 MPa级钢板已用于“雪龙”号破冰船关键设备的安装改造。同时国内七二五所联合国内钢厂分别开展了极地用355 MPa和390 MPa级爆炸复合板(最大厚度68 mm)和轧制复合板(最大板厚48 mm)的试制工作,初步完成了试制复合板的应用性能评价工作,并开展典型破冰结构单元模型建造。

根据极地用钢及复合钢板的服役性能要求,我国在极地用结构钢及复合钢板性能评价方面还存在以下短板:

(1)极地用结构钢和复合钢板强度等级较低,目前国内仅具备355 MPa和390 MPa级钢及复合板生产能力。

(2)极地用结构钢和复合钢板最大板厚规格较小。目前,国内生产的355 MPa和390 MPa级钢及复合钢板最大板厚规格仅为68 mm。

(3)极地用结构钢和复合钢板的实船应用经验不足,认可度不高。目前,国内仅有355 MPa级极地用钢用于“雪龙”号的维修改造。

(4)国内极地用结构钢和复合钢板配套焊接材料国产化不足。国产355 MPa和390 MPa级极地用钢及复合钢板的焊接适应性评价及典型破冰结构单元建造所用国产焊接材料难以满足极地服役性能要求,亟需开展极地用配套焊接材料的开发工作。

3.2 极地用结构钢和复合钢板评价体系

极地船舶与海工平台等装备长期面临恶劣的服役环境,加之极地生态环境脆弱,对结构安全性能提出严格要求,对极地用钢的性能提出以下要求:

(1)材料应具有良好的强度、延展性和抗层状撕裂性能。

(2)材料应具有良好的低温韧性、低温静态和动态载荷条件下抗脆断性能、低温止裂性能。

(3)材料应良好的低温抗疲劳性能。

(4)材料应具有良好的耐海冰磨蚀性能。

我国在极地用结构钢及复合钢板性能评价方面还存在以下短板:

(1)拉伸试验一般采用标准小尺寸圆棒拉伸试样或板状拉伸试验。由于试样尺寸较小,不能全面反映极地用钢的拉伸强度、延展性和抗层状撕裂性能,需建立原板厚低温静强度拉伸性能评价技术。

(2)采用标准断裂韧性试验,尤其是焊接接头试样均为去除余高试样,难以反映焊接接头结构应力及残余应力的影响。而抗脆断性能试验一般采用标准冲击试样,试样尺寸小,难以反映钢板的整体抗断性能,需建立能够原板厚低温断裂韧性试验和原板厚低温抗脆断性能评价技术。

(3)国内现有止裂性能评价方法主要考核钢板-10 ℃下的止裂性能,还未能形成有效考核极地用钢的止裂性能评价方法,需建立基于极地服役温度的止裂性能评价技术。

(4)现有疲劳性能评价方法一般为常温板状或圆棒状疲劳试验,还未能形成针对极地环境服役温度的原板厚钢板及焊接接头疲劳性能评价方法。

(5)缺乏有效评价极地用钢及复合钢板腐蚀与磨损耦合效应的评价方法。

因此,建立能够有效反应极地低温用钢实际服役性能的评价技术,确定极地用钢服役性能技术指标体系,确保极地装备的服役安全是当前亟需解决的问题。

4 极地海洋装备用钢发展方向

4.1 建立极地用结构钢材料体系

(1)推动国产极地低温用钢在极地装备上的应用。在前期355、390 MPa级低温钢开发、低温环境适应性研究的基础上,进一步优化材料的性能,同时确定能够有效表征极地低温钢低温抗断、止裂、耐疲劳和耐磨蚀性能的表征参量,建立相应的技术指标,推动国产355、390 MPa级低温钢的实船应用[10]。

(2)完善我国极地用钢材料体系。积极开展460、500 MPa级低温钢的开发与性能评价,确定钢板成分和生产工艺,对钢板的低温应用性能进行系统的评价,同时开展550、620、690 MPa极地低温钢的开发与性能评价工作,初步形成我国极地用钢材料体系[11]。

(3)开发极地用钢配套焊接材料。开展极地用焊接材料的开发工作,初步实现极地用焊接材料的国产化。

4.2 建立极地用结构钢评价体系

基于现有评价技术难以有效考核极地用钢实际服役性能的问题,结合极地服役环境,建立工程型低温静强度、低温韧性、低温抗脆断性能、低温止裂性能、低温耐疲劳及低温耐磨蚀性能评价技术,确定极地低温用钢服役性能表征参量,建立极地低温用钢服役性能技术指标体系,进而确保极地装备的服役安全性。

4.3 建立极地用结构钢技术指标与标准体系

首先结合极地低温用钢工程型评价试验方法与标准试验评价方法,确定极地用钢工程型试验性能表征参量与常规检验性能表征参量的相关性。然后建立适用于极地低温用钢的技术指标,修订现有低温用钢标准规范。最终形成适用于极地低温用钢的标准规范。

5 结语

本文通过收集目前国外先进极地海洋装备用钢的研究成果及使用情况,对比国内发展现状发现,我国未来需要加强国产复合钢材在实船的应用,建立极地用结构钢材料体系及与之配套的标准体系,支撑我国极地船舶与海洋工程装备形成体系能力,为维护我国在极地的安全和利益提供装备发展的决策依据。