海工装备结构用钢及其性能要求

20.4.2　海工装备结构用钢及其性能要求

海洋结构钢选用需要明确定义材料的相关电化学和力学性能、不同材料之间的兼容性，以及海洋工程装备作业工况，相关要素包括：操作工况载荷和环境条件、极端工况、特殊的作业条件、作业温度、腐蚀控制原则、工作液体的腐蚀性、作业年限、可维护性、环境条件的局限性和相关的规范规则等。

选择满足条件、最经济的材料是设计者的责任。但是，必须综合地考虑材料的强度、断裂特性、可焊性、机械性能等，某些情况下可能最昂贵的材料对于海洋工程装备全生命周期而言是最经济的。

海洋工程装备使用的结构钢材通常都是基于相关国家标准、船级社标准或者工业标准制作的，如美国材料与试验协会（ASTM）、美国石油学会（API）、英国标准协会（BSI）、国际标准化组织（ISO）等。大多数情况下，标准对结构钢材的化学成分、拉伸性能等都给出了基本规定。但是，20世纪60年代中期在役平台相继发生的几起事故（如1965年北海钻井船“海宝”号发生脆性断裂而沉没），其调查结果表明，普通的结构钢如API 5LB系列和结构钢如ASTM A7和ASTM A36并不是完全能满足海洋工程装备工作要求的。对发生事故的结构进行疲劳分析研究发现：这些材料的低缺口冲击试验值、层状撕裂和较差的可焊接性能是造成事故的主要原因。这促使人们对于海洋工程用钢安全有了更全面的认识，目前，采用如下指标来评价海洋工程用钢材的性能。

1）碳当量

通常采用钢材的含碳量指标和碳当量Ceq（carbon equivalent）来评估钢材的可焊接性能。碳素钢中决定强度和可焊性的因素主要是含碳量，合金钢（主要是低合金钢）除碳以外，各种合金元素对钢材的强度与可焊性也起着重要作用。为便于表达这些材料的强度性能和焊接性能，研究人员通过大量试验数据的统计简单地以碳当量来表示。因此，可以将Ceq理解为碳钢、碳锰钢在焊接过程中的可淬硬度，材料碳当量Ceq的值对估算材料的预热要求有实用价值。规范对碳当量Ceq的定义如下：

大型海洋钢结构的桩腿、支撑等构件多为圆柱构架状组合，接头形状复杂，刚性大，不少焊接接头位于应力集中部位，又多在现场焊接，施工条件恶劣，故很容易发生焊接裂纹。这些裂纹主要是焊接热影响区的冷裂纹，是由于焊接时过多的氢侵入到焊缝中、热影响区的淬硬组织及焊接接头拘束度三个因素的影响造成的。因此，海洋结构用钢要求比船用钢具有更好的焊接性能，并在选择钢材和焊接工艺时十分严格。通常碳当量Ceq较低的钢材或细化晶粒钢、TMCP钢焊接性比较好。另外，焊缝金属与母材的材质和电化学性能应尽可能相同或相似，以避免或减轻电偶腐蚀。

不同的炼制方法对钢板Ceq值影响很大，船级社对钢厂不同炼制方法（如TMCP钢、正火钢等）的Ceq值有明确规定，如表20.4－2所示。ABS关于厚度100mm以下的高强度TMCP钢的碳当量要求。通常情况下，业主对Ceq值也很关心，一般要求Ceq必须小于0.35。

表20.4－2　高强度TMCP钢的碳当量

2）抗拉强度

一般在波浪、强风所造成的水平载荷下的结构，以采用抗拉强度490～620MPa的钢材为宜。而接头部位，由于应力集中以及三向应力，故要求钢材既要有足够的强度，还要求有良好的塑性变形性能。强度过高，容易引起危险的应力腐蚀破坏。

对大多数海洋工程结构物而言，宜选用屈服强度为235～355MPa、抗拉强度为400～620MPa的钢材；对移动式平台包括固定式平台的上层建筑，为减轻构件重量，增加浮力及水平容量，则宜采用高强度钢或超高强度钢。例如，自升式平台桩腿一般多采用ASTM－A514钢，系船支柱和泥下管桩等也常选用调质超高强度钢。

目前，国内海洋钢结构制造所依据的主要是ABS、CCS、DNV三个船级社的规范，各个船级社都有自己的钢材规范，表20.4－3为这三个船级社的海洋结构常用钢列表。

表20.4－3　ABS、CCS、DNV海洋结构常用钢

注：A～F表示钢材的4个韧性级别，分别为A、D、E、F。

3）冲击韧性

海洋结构因其特殊的结构形式，加上局部连接处受到波浪和风力的冲击所造成的应力集中，远比船体发生脆性破坏的危险性大。例如在北海某地，采掘装置破坏事例的比率占10%左右，比船舶大得多。因此，在低温条件下工作的钢结构，钢材必须具有良好的低温韧性。海上结构处于严酷的环境中，特别是管结构的节点处在应力集中和内部有缺陷存在时，使用过程中容易损坏。尤其在严寒区域低温下工作时，由于钢的韧性下降而产生脆性破坏。因此，要求结构钢具有良好的低温韧性。当前，海洋结构建造规范中广泛使用V型缺口夏比冲击试验，用其冲击功来衡量钢材韧性的好坏。表20.4－4为ABS、CCS、DNV对不同强度级别钢材的冲击值要求，与表20.4－3对比可以看出，钢板的纵向冲击数值仅相当于其最小屈服强度数值的10%，横向冲击值基本为纵向冲击值的2/3。

海洋钢结构通常会根据结构的服役温度、构件的种类来选择不同韧性级别钢材。海洋钢结构根据构件所承受的载荷、应力水平及模式、关键载荷传递和应力集中以及失效后果，把结构构件分为：次要构件、主要构件、特殊构件。表20.4－5、表20.4－6、表20.4－7分别为ABS、CCS、DNV在不同服役温度、不同构件种类下，选择使用不同韧性级别钢的要求。从这三个表中可以看出，随着构件级别的提高及服役温度的降低，低韧性级别的钢材可以应用的范围及厚度越来越小，特别是A级钢在特殊构件中基本上不能被选用。

表20.4－4　ABS、CCS、DNV对不同强度级别钢材的冲击值要求

（续表）

表20.4－5　ABS钢材选择要求

注：表中的数字表示最大的厚度。

表20.4－6　CCS钢材选择要求

注：表中的数字表示最大的厚度。Q表示屈服强度420～690MPa的钢。

表20.4－7　DNV钢材选择要求

注：表中的数字表示最大的厚度。H表示屈服强度235～390MPa的钢。HH表示屈服强度420～690MPa的超高强度钢。

夏比冲击试验，是评定焊接接头韧度的重要试验方法。由于夏比冲击试验方法简易，费用较低，能大批量进行试验，目前还常用来控制钢材质量和用作验收性试验。但是，夏比冲击韧度本质上是一个衡量焊接接头抗冲击能力的指标，它不能全面反映焊接接头的真实韧度。由于冲击试验把缺口尖的“开裂”和“扩展”混合在一起，很难分清，因而较难解释焊接接头的失效机制。夏比冲击试验的另一个局限，是它的取样受到限制，国内外的冲击标准试样尺寸（也是最大尺寸）都是：10mm×10mm×55mm，三个试样为一组。对于大厚度的焊接接头，无法真实表达出全厚度的冲击韧度，不论是取其中一个，还是取三个的平均值来表征原焊接接头的韧度都是欠妥的。因为用部分代替整体，就不免以偏概全。对于部分厚度来说是准确的指标，对于整体厚度来说未必准确。另外，夏比冲击试验的试样都是在一次冲击下完成的，加载速度很大，往往与实际结构的加载速度相去甚远，不能完全反映真实情况。

CTOD（Crack Tip Opening Displacement，裂纹尖端张开位移）试验的试样采用全厚度钢板焊接接头，不但保存了结构尺寸的影响，而且能较好地模拟实际结构的焊接条件，并在有关规范规定范围内，选择不同的加载速度，以尽可能接近实际的加载速度。所以用全厚度焊接接头的CTOD试验得到的韧度指标更能反映实际结构焊接接头的韧性好坏。因此，为了能更真实地反应钢材及其焊接接头的韧性，减少海洋结构在服役过程中断裂破坏发生的概率，在一些规范或在建造规格书中要求应用到特殊构件上的钢材及其焊接接头进行CTOD试验，以此来作为断裂韧性指标，CTOD值越高，其断裂韧性越好。当有CTOD试验要求时，建造方在采购钢板时应要求钢材制造商进行CTOD试验，并提供CTOD试验报告，以保证钢材能满足CTOD试验的要求。

4）Z向性能（抗层状撕裂特性）

层状撕裂是发生在含有杂质的钢材受横向载荷时发生沿板厚方向撕裂破坏的现象。许多海洋工程结构物的厚壁管焊接接头具有大量的熔敷金属，且在板厚方向有很高的约束，因此，焊接接头在板厚方向有很大的应力。再加上板材中可能存在的层状分布的非金属夹杂物，降低了金属晶体之间的联系力。在强大的风浪作用下，这种沿钢板厚度方向的拉伸应力会在焊接区内，甚至在远离热影响区的钢板中间产生层状撕裂。美国曾对正在使用的三百多座平台进行了水下检查，发现多处焊接区有裂缝。裂缝多发生在热影响区，且在较大部件的一侧。这种焊接裂缝是沿钢板中层状夹杂物（低碳钢主要是硫化锰夹杂）撕裂的，一般不会发展到表面。这是一种“冷裂”，通常在焊接之后发生。

国外的一些试验表明，钢板的Z向即厚度方向收缩率只要大于20%，钢板厚度方向和轧制方向的抗拉强度便能基本相同。改善Z向性能的关键在于提高材质的洁净度，特别应在冶炼时减少硫化物夹杂或通过添加稀土元素等来改变夹杂物的形状。在ABS规范的第二篇《材料与焊接》中就要求Z向钢的最大含硫量应≤0.008%，并在Z向性能上分为Z25和Z35两个等级。此外，设计者应尽量减少钢材在厚度方向的应力，如通过合理分布焊缝及改变焊缝的坡口形式或连接的方式来解决。而在焊接过程中除了采用预热法外，还可采用合理的装配、焊接程序及其他措施来减少厚度方向的应力，避免焊接接头层状撕裂现象的出现。

5）腐蚀疲劳特性

海洋结构物长期在海洋环境中受到波浪、潮流和风力反复作用的交变应力，构件焊接接头处由于局部腐蚀将会产生疲劳破坏，经常在深海活动的潜水艇则受到超低频外载荷。疲劳破坏从材料上讲与钢材中夹杂的气体和杂质有关，结构上则与断面大小、缺口、表面缺陷以及焊接缺陷有关。因此，所使用的钢材必须在设计、材料选择、施工管理上使之能承受低频疲劳。

高强度钢在海水中的疲劳强度一般同普通钢差不多，低合金钢的腐蚀疲劳强度一般比碳钢稍高些。焊接接头的腐蚀疲劳特征与大气中相同，焊接接头消除应力后能改善其疲劳强度。钢中添加铬和钢结构物实施阴极保护，能有效地提高钢的抗腐蚀疲劳强度。

6）耐蚀性

海洋结构的腐蚀非常复杂，不但会发生全面腐蚀、孔蚀，有时还会发生缝隙腐蚀、接触腐蚀和应力腐蚀等，严重影响结构物和设施的寿命。钢材在未涂装前，其在海水飞溅区的腐蚀速率是0.15mm/年，在全浸区海水中的腐蚀速率为0.07mm/年，在寒冷快速流动的并含有泥沙或其他沉淀物的潮汐中腐蚀速率为0.3mm/年。钢材在淡水中的腐蚀速率为海水的一半。故必须选择合适的耐腐蚀材料及采取充分的防护措施。

7）良好的加工性能

由于海洋采油平台的桩腿和导管架等构件都是采用较厚的钢板卷成圆筒焊接而成的，加工量大，故要求钢材具有良好的成形加工性能。

8）钢板的交货状态

根据ABS、CCS、DNV船级社规范，海洋结构用钢板交货状态分为：任意、控轧、正火、TMCP（Thermo Mechanical Control Process热机械控制工艺）、调质（淬火＋回火）。根据钢材炼制的脱氧方式、细化晶粒元素、强度、韧性级别、厚度等因素，其要求的交货状态也不同。表20.4－8是一般强度海洋结构用钢的交货状态，表20.4－9是高强度和超高强度海洋结构用钢的交货状态，其中：A表示任意状态；N表示正火；CR表示控制轧制；TM表示TMCP；QT表示淬火＋回火；AR表示同轧制状态。

表20.4－8　一般强度海洋结构用钢的交货状态

表20.4－9　高强度和超高强度海洋结构用钢的交货状态

（续表）

从表20.4－8可以看出，对于一般强度海洋结构用钢，A、B级钢当厚度t＞50mm时，其交货状态就要求为N、TM或CR；D级钢当厚度t＞35mm时，其交货状态就要求为N、TM或CR；E级钢不论厚度其交货状态都要求为TM或N。

从表20.4－9可以看出，对于高强度和超高强度海洋结构用钢，任意交货状态只适用于AH32/36，DH32/36，AH40且t≤20mm（12.5mm，对于AH40），CR交货状态只适用于AH、DH级钢，且对于AH40、DH40钢，CR适用于t≤50mm。N和TM交货状态适用于所有AH、DH、EH、FH级钢。QT交货状态适用于AH40（t＞50mm）、DH40（t＞50mm）、EH40、FH40，AQ、DQ、EQ、FQ钢。从表20.4－7、表20.4－8也可以看出N、TM交货状态适用的范围最广，覆盖A～FH40中所有钢种。

海洋结构用钢大多数为屈服强度235～355MPa，抗拉强度400～620MPa的钢材，即A～FH36，所以其钢材交货状态主要以控轧、正火、TMCP为主。随着铁水预处理、碱氧炉炼钢、钢包精炼、真空精炼等精炼技术的采用，钢中S、P等杂质元素的含量越来越低，热裂纹、液化裂纹发生的频率已降得非常低。精炼技术、微合金钢技术、控轧控冷技术、形变热处理（TCMP）等一些先进技术的应用，使其焊接性大大改善，粗晶区韧性大幅度提高，高效率、大线能量焊接工艺得以应用。TMCP称为“热机械控制工艺”，它是将钢材“控轧”（Controlled rolling，控制加热、轧制温度、压下量）技术与随后的“加速冷却”（Accelerated cooling，快速空冷）结合起来，在尽量控制合金元素添加的情况下，通过对加快轧制后的冷却速度，导致对钢材细化晶粒措施、能够得到高强度和高冲击韧性的下贝氏体组织。

TMCP钢与轧制钢和正火钢相比，它不依赖合金元素，通过水冷控制组织，可以达到高强度和高韧性的要求。而且在碳当量较低的情况下能够生产出相同强度的钢材，因此，可以降低或省略焊接时的预热温度，尤其在温度较低的地区施工时TMCP钢可大大减少预热的工作量。碳当量低又可以降低焊接热影响区的硬度，不容易形成因显微偏析而产生的局部硬化相，容易保证焊接部位的韧性，特别适用于大线能量的焊接。在海洋结构制作中，对局部变形，不可避免要进行火工矫正，TMCP钢碳当量低，其矫正温度允许高达1 000℃，并可进行水冷，其火工矫正工艺要求远宽于轧制钢和正火钢。另外，TMCP还是一项节约合金和能源的工艺，从环保方面来看，它也是一项意义深远的技术，国内对TMCP钢在海洋工程中的应用应予以足够的重视。