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发展海洋工程 “材料先行”刻不容缓
时间:2014-01-21 17:14 来源:中国冶金报 点击:

    近年来,对海洋资源尤其是深海资源的开发,已经成为各国关注的焦点。发展海洋工程,“材料先行”刻不容缓。在日前召开的海洋工程装备与船舶用钢论坛暨海洋平台用钢国际研讨会上,与会嘉宾表示,未来5年~10年将是我国发展海洋工程及其所用材料的大好时机,海洋工程行业要尽快建立上下游产业链合作平台,通过上下游积极联动解决在钢板生产、船舶和平台设计制造中的问题,共同推进我国海洋战略的实施。

    海洋工程年用钢量需求可期
    船舶业与海洋工程业在内涵、构造、标准、管理等方面存在根本性的差异,但这个问题曾被人们所忽视。其实,10多年前,世界上比较发达的海洋国家,如日本、韩国、挪威等的造船企业以及世界主要船级社,就已经成立了独立的船舶(事业)部与海洋工程(事业)部。近年来,我国也开始接受这一划分法,将海洋工程装备作为一个独立的产业看待。国内大型造船企业开始陆续注意在内部组建海洋工程(事业)部。这对健康有序地推动船舶与海洋工程产业发展,对冶金、材料界理顺并区分海洋工程业与造船业钢材需求有着重要的意义。
    研讨会上,中国工程院院士、中国金属学会名誉理事长翁宇庆表示,海洋工程装备需要的大量金属材料,主要包括油气钻采、深海研究、海水淡化、特种船舶与发动机所需材料4大类。其中,油气钻采用材有海洋平台结构用钢板、油气钻采和输送用钢板,深海研究用材包括具有强耐腐蚀性能的深海用金属材料和深潜器用金属材料,特种船舶与发动机用材主要有石油天然气船用低温金属材料、船舶柴油机用曲轴和船舶螺旋浆用金属材料等。
    现在人们常说的海洋工程,主要限于海洋油气钻采装置(平台)、海洋钻采装置的配套设备、海洋工程船,其中海洋油气钻采装置(平台)成为海洋工程的重要标志。
    由于海洋工程具有环境恶劣、高风险、高技术特点,在用钢方面也有其自身的特点。
    海洋石油工程股份有限公司副总工程师、海洋工程技术中心主任钟文军表示,由于海洋平台服役时间比普通船舶长,并且要长期抵抗恶劣的风浪条件,水下修理维护的成本极高,其采用的钢板必须具有高强度、高韧性、抗疲劳、抗层状撕裂、耐海水腐蚀等特性。此外,由于海洋平台采用焊接结构,平台用钢要有良好的可加工型。一是要保证良好的可焊性,可焊性主要通过控制碳当量和裂纹敏感系数(Pcm)来实现,并且要通过焊接试验进行验证。二是要有良好的冷加工能力,由于很多大直径钢管要通过钢板卷制而成,钢板要保证在卷制后仍然能够具有良好的机械性能,尤其是韧性。在平台部分关键部位还要用到超厚板,其要求的最大厚度能够达到150mm。
    浮式平台的船体部分用钢基本与固定平台类似,但在一些关键部位上有特殊要求,如自升式钻井船桩腿齿条,需要强度达到690MPa的超高强钢材。
    中国船舶工业行业协会等权威部门对今后我国海洋工程用钢需求作了以下估计:一是我国海洋油气钻井平台装备的70%仍须进口,其用钢量每年大于100万吨;二是FPSO(海上浮式生产储油船)和其他海洋工程辅助船(含船上装备)年用钢量约为100万吨;三是浅海海底油气管线用钢年需求量为20万吨~25万吨;四是包括易焊接钢,钻采、海水淡化用高端特殊钢,以及业主指令进口的平台用钢在内的海洋工程特殊钢将大量进口。

    超高强度钢、铸件等成为开发重点
    现阶段我国海洋工程用钢的发展有两条主线,一是积极开发高端产品;二是努力提升量大面广产品的质量,增强国际竞争力。有统计显示,2012年国内主要钢厂船板和海工用钢产量中,一般强度钢(A级~E级)占44%,高强度钢(AH32~FH40)占55%,超高强度钢(AH420~FH690)只占0.4%。
    首先,超高强度钢的研发是重点之一。随着我国海上油气开发走向深水,越来越多的高强度、大厚度、耐低温冲击钢被用到海洋工程上。如我国自主设计、建造的第六代半潜式钻井平台,其特殊结构区域采用了EQ56、EQ70的高强度钢板,用量约为400吨。虽然EQ56钢目前国内有几家钢厂已开发成功,但是由于此类特殊钢的用量规模较小且规格较多,在国内采购有些难度,主要还是依赖进口。由于此类钢板的价格昂贵,从服务海洋工程领域、提高我国海洋工程装备行业的综合竞争力方面来看,有必要对这种特殊类型的高强度钢材的国产化进行重点研发。
    另外,自升式钻井平台升降系统的齿条构件所用到的牌号为ASTMA517GRQ的高屈服强度的合金钢,一般要求厚度在150mm以上,具有强度高、抗冲击韧性强、抗层状撕裂性好、耐腐蚀的性能。目前国内已研发成功了150mm、180mm、215mm等不同厚度规格的此类合金钢板,但目前还不能按船厂所需,全规格、批量地生产这种钢材,仍须进口。此外,虽然国产材料与进口材料强度是一致的,材料成分也基本一致,但是焊接性能没有进口的好,焊接须要预热和保温,所花的费用相对较高。建议提高此类国产特种钢材的冶炼水平和钢板的热处理工艺,提高切割齿条板的工艺。
    随着平台减量化发展的趋势,平台用钢强度也有从355MPa向420MPa或460MPa发展的趋势,并要达到欧共体标准EN10225中的有关要求。随着420MPa~690MPa级别的钢板大量被采用,亟须发展有相应屈服强度等级的电焊条、二氧化碳药芯焊丝和埋弧焊丝/焊剂。目前,大部分品种的焊接材料仍靠进口,须加大焊接工艺、焊材方面的研发力度。
    其次,铸件和专利件开发意义深远。深水浮式钻井平台结构中的某些特殊区域和部位要使用铸造件或专利件材料,虽然此部分材料在结构钢总重量中只占很小的比例,但是这些铸件材料价格昂贵,属高附加值的产品。另外,从总体上来讲,发展铸造件和专利件也是我国海洋工程装备制造技术的发展方向之一。
    为此,业内人士表示,要加快双金属复合海管开发。由于石油天然气中含有大量的H2S、CO2、Cl-等腐蚀介质,尤其是海底油气田内部管道输送的净化前油气介质中的腐蚀成分含量高,有的还要加热输送,内腐蚀问题十分突出。双金属复合管可有效地防止管道内部腐蚀。尽管国内已有不少厂家能够生产双金属复合管,但是各厂家技术水平参差不齐,普遍因技术不成熟、规模小、生产效率低下而不能满足需求。因此,我国须加紧双金属复合管制造技术的研发,提高制造的自动化程度。另外,还要加快开发适应高温、高压、高强度、高腐蚀环境的冶金复合管,加快海洋腐蚀用铜复合管和钛复合管的开发。
    此外,还要提高海底管道管的质量稳定性。海底管道铺管船的作业成本很高,要降低海底管道施工的成本就要提高海底管道的铺设效率。在实际工程中发现,在铺管船作业线的特定环境下,当海况环境比较恶劣但不威胁管道的安全时,影响铺管作业进度的主要原因之一就是管道的对中和焊接,钢管的椭圆度、厚度和平直度等尺寸公差与管道的对中和焊接有直接的关系。海底管道的材料尺寸公差须满足DNVOSF101的要求,有些甚至比规范要求的更加严格(如对管道椭圆度和厚度的要求),这样有利于提高海上施工效率,进而减少工期和降低成本。

    上下游协作求共赢
    目前,国内一些量大面广的海洋工程用钢的生产质量仍有待提高。据中信微合金化技术中心常务主任、中信金属公司总工程师郭爱民博士介绍,在厚度60mm以上的钢板质量控制方面,下游用户反映的主要问题如下:力学性能不均匀,韧性和延性低(占37.7%);焊接HAZ韧性恶化,焊接开裂(占26.0%);Z向性能低,层状撕裂(占10.0%);时效敏感性强、不稳定,疲劳性能差(占4.5%);其他带状、粗晶、混晶、夹杂物超标等(占21.8%)。
    在钢板外观质量控制方面,国内钢厂和日本、韩国的先进水平之间也存在一些差距(见下表),这也影响到下游的材料利用率。
    此外,因为在设计水平、制造水平、管理水平和钢材加工水平上与国外先进水平存在差异,我国船板材料利用系数为85%~88%。而在日本和韩国,这一指标为92%~95%。
    国内船板大多以正火状态交货,控轧控冷TMCP钢板比例仅为20%左右。而在日本和韩国,这一比例为60%左右。TMCP钢板可大幅降低碳当量,提高构件抗冷裂纹敏感性,可降低预热温度,从而显著提高构件施工效率;低碳设计使得材料中心偏析显著降低,有效避免了构件焊接和热矫正过程沿钢板中心偏析线开裂的危险;纳米级铌的碳氮化颗粒析出,阻止了HAZ组织粗化,显著改善焊后HAZ区韧性,克服了正火钢焊后韧性大幅度衰减的风险。TMCP钢板与正火钢板相比,具有高性能、高精度、高表面质量、优异焊接性和低廉的成本等优势,提高TMCP钢板比例是目前改善我国高强船舶和海工用钢质量的关键,也是降低成本、提升我国海工装备国际竞争力的主要方向。
    目前,国务院已印发颁布了《全国海洋经济发展“十二五”规划》,海洋产业和经济的发展将依赖于先进的海洋工程装备的技术发展,海洋工程装备的发展已被列入国家高端装备制造业的“十二五”发展规划。为完成这一规划,我国应进一步加大海洋工程材料技术的基础研发投入,以发展关键、瓶颈材料技术为研发重点,发挥各方优势,加强基础性关键技术攻关,提高自主创新能力,力争获取具有自主知识产权的海洋工程材料技术和产品,促进材料技术发展路线由跟仿式向自主研发式转化,尽快缩短与国际先进水平的差距。

来源:网络

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