海洋耐蝕鋼的國(guó)內(nèi)外進(jìn)展

張國(guó)宏，成 林，李 鈺，伊薩耶夫·歐列格，吳開(kāi)明

(武漢科技大學(xué)國(guó)際鋼鐵研究院 耐火材料與冶金省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430081)

1 前 言

2013年，中國(guó)國(guó)家海洋局發(fā)布了《國(guó)家海洋事業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃》[1]。在規(guī)劃中明確提出：作為發(fā)展中的海洋大國(guó)，我國(guó)在海洋有著廣泛的戰(zhàn)略利益。隨著經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展和開(kāi)放型經(jīng)濟(jì)的形成與深化，海洋作為國(guó)際貿(mào)易與合作交流的紐帶作用日益顯現(xiàn)，在提供資源保障和拓展發(fā)展空間方面的戰(zhàn)略地位更為突出?！笆濉逼陂g是我國(guó)海洋事業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，未來(lái)將向深海和遠(yuǎn)海發(fā)展。著力提升海洋開(kāi)發(fā)、控制和綜合管理能力，統(tǒng)籌海洋事業(yè)全面發(fā)展，是保障國(guó)家“走出去”戰(zhàn)略實(shí)施的重大舉措，對(duì)于促進(jìn)沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變，具有重大的戰(zhàn)略意義。以國(guó)際海事組織制定的性能標(biāo)準(zhǔn)為主導(dǎo)，世界各國(guó)圍繞海洋耐蝕鋼開(kāi)展了腐蝕機(jī)理、腐蝕過(guò)程的研究，其中油船貨油艙用耐蝕鋼是近10年來(lái)國(guó)際上研究和開(kāi)發(fā)的重要鋼鐵新品種。在該領(lǐng)域，日本走在世界前列，烏克蘭與俄羅斯有其技術(shù)特色海洋，中國(guó)對(duì)海洋耐蝕鋼的研究應(yīng)用相對(duì)滯后。隨著海洋耐腐蝕鋼替代標(biāo)準(zhǔn)不斷得到認(rèn)可，將逐漸取代涂層鋼成為海洋腐蝕保護(hù)方式的主流。本文重點(diǎn)分析了油船貨油艙用耐蝕鋼和耐海水腐蝕鋼這2大類低合金高強(qiáng)度鋼的發(fā)展現(xiàn)狀及需求，不涉及不銹鋼、特種合金等鋼鐵材料。

2 油船貨油艙用耐蝕鋼

2.1 重大需求分析

進(jìn)入21世紀(jì)，中國(guó)船舶及海洋石油工業(yè)迎來(lái)了高速增長(zhǎng)期，成為中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱。據(jù)英國(guó)克拉克松研究數(shù)據(jù)表明，中國(guó)已成為世界造船中心[2]。2013年，中國(guó)造船3大指標(biāo)市場(chǎng)份額繼續(xù)保持世界領(lǐng)先，其中造船完工量、新接訂單量、手持訂單量分別占世界總量的40.3%、47.6%和45.8%，如表1所示。

表1 2013年1～12月世界造船3大指標(biāo)市場(chǎng)份額Table 1 Market share on the three main indexes of global shipbuilding in 2013

“十一五”期間，在海洋石油工業(yè)領(lǐng)域，中國(guó)海上油氣開(kāi)發(fā)投入1 200億元人民幣，建設(shè)了15個(gè)海洋油氣田、76座鉆井平臺(tái)、6座浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船，鋪設(shè)了1 400 km海底管線，2010年海洋油氣產(chǎn)量實(shí)現(xiàn)了5 000萬(wàn)t油當(dāng)量。根據(jù)中海油規(guī)劃，“十二五”期間將新建5 000萬(wàn)t油當(dāng)量產(chǎn)能。預(yù)計(jì)“十二五”、“十三五”期間海洋石油工業(yè)投入將分別達(dá)到6 700億元和9 500億元人民幣，其中海洋工程裝備市場(chǎng)投資將達(dá)到2 500億～3 000億元人民幣[3]。

根據(jù)我國(guó)《鋼鐵工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》[4]對(duì)2015年關(guān)鍵鋼材品種消費(fèi)預(yù)測(cè)， 未來(lái)5年，僅船板用鋼消費(fèi)量將從2010年的1 300萬(wàn) t提高到2015年的1 600萬(wàn)t，其中油船貨油艙用鋼量占油船用鋼總量的30%～45%。以建造一艘30萬(wàn)t級(jí)的超大型油輪(VLCC)為例，船體結(jié)構(gòu)總用鋼量近4萬(wàn)t，其中油船貨油艙部分用鋼約1.7萬(wàn)t。據(jù)中國(guó)船舶工業(yè)行業(yè)協(xié)會(huì)對(duì)我國(guó)目前手持油船訂單統(tǒng)計(jì)，油船貨油艙用鋼量每年達(dá)200萬(wàn)t左右。如果能推廣使用到海洋工程領(lǐng)域，其市場(chǎng)需求將更大。

2.2 油船貨油艙用耐蝕鋼概況

油船是原油海洋運(yùn)輸?shù)闹饕ぞ咧?。近年?lái)因貨油艙腐蝕造成油船失效事故時(shí)有發(fā)生，不僅造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和安全事故，而且對(duì)海洋環(huán)境造成嚴(yán)重危害。因此油船貨油艙的防腐問(wèn)題越來(lái)越受關(guān)注[5]。2006年以前油船都是單甲板、單底結(jié)構(gòu)，因?yàn)樨浻团搩?nèi)破損后，油浮在水面上，艙內(nèi)不至于大量進(jìn)水，故油船除了在機(jī)艙區(qū)域內(nèi)設(shè)置雙層底以外，貨油艙區(qū)域一般不設(shè)置雙層底。2006年以后，為了提高海運(yùn)安全性，防止和減少油輪發(fā)生海損事故造成的污染，國(guó)際海事組織(IMO)要求大型油輪必須設(shè)置雙層底或雙層船殼。內(nèi)層為貨油艙，用來(lái)承載原油。原油尤其是高硫高酸原油對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)貨油艙腐蝕影響嚴(yán)重，威脅著油船運(yùn)營(yíng)安全。

目前針對(duì)油船貨油艙腐蝕所采取的防護(hù)措施主要有：加注緩蝕劑、采用防腐涂層和耐蝕鋼板。其中，加注緩蝕劑過(guò)程復(fù)雜，長(zhǎng)期投資高；防腐涂層使用過(guò)程中存在嚴(yán)重的局部腐蝕隱患，每2.5 a就須對(duì)油船進(jìn)行涂層維護(hù)和重新涂布，需要耗費(fèi)高額成本，延長(zhǎng)工期，并且貨油艙空間封閉，施工環(huán)境惡劣，也會(huì)一定程度上影響施工質(zhì)量[6]。表2比較了使用涂層和耐蝕鋼造船的成本，安全且低成本的防護(hù)措施是使用耐蝕鋼。

表2 使用防腐涂層和耐蝕鋼造船成本比較Table 2 Shipbuilding cost comparison between use of coating and corrosion resistant steel

1995年，國(guó)際海事組織對(duì)油船貨油艙用耐蝕鋼提出推薦性要求，并推薦各國(guó)進(jìn)行研究。2010年5月14日，國(guó)際海事組織海上安全委員會(huì)(MSC)第87次會(huì)議正式通過(guò)了《原油油船貨油艙防腐保護(hù)替代方法性能標(biāo)準(zhǔn)》，并于2012年1月1日生效[7]。2013年1月1日及以后簽訂建造合同或2016年1月1日及以后交付的所有5 000 t級(jí)以上油船必須從貨油艙保護(hù)涂層和耐蝕鋼方案中選擇采用一種。該性能標(biāo)準(zhǔn)附件中對(duì)耐蝕鋼的適用范圍、目標(biāo)壽命、試驗(yàn)程序及性能標(biāo)準(zhǔn)做了規(guī)范和要求。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定耐蝕鋼的目標(biāo)使用壽命是25 a，對(duì)耐蝕鋼的要求是在貨油艙頂腐蝕環(huán)境中，鋼材25 a后估計(jì)腐蝕損耗值(ECL)不超過(guò)2 mm；在艙底腐蝕環(huán)境中，年均腐蝕速率(C.Rave)不超過(guò)1.0 mm/a。兩種環(huán)境均要求焊縫處放大1 000倍后，母材和焊縫金屬之間不出現(xiàn)階梯狀不連貫表面[7]。

2.3 國(guó)內(nèi)外研究開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

2.3.1 日本和韓國(guó)

目前走在前列、技術(shù)較成熟的國(guó)家是日本。早在1999年，日本造船協(xié)會(huì)的SR242項(xiàng)目組利用實(shí)船測(cè)試、實(shí)驗(yàn)室模擬等手段對(duì)超大型油船(VLCC)進(jìn)行了為期3 a的研究，成功揭示了貨油艙內(nèi)的腐蝕狀況、腐蝕機(jī)理及過(guò)程[8-10]。他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得了貨油艙內(nèi)部的腐蝕環(huán)境，如圖1所示。在貨油艙頂部，由于原油中的揮發(fā)成分、混入的海水、油田鹽水的鹽分、為防止爆炸而輸入的惰性氣體(5%O2,13%CO2,0.01%SO2,余量為N2，體積分?jǐn)?shù))以及從原油中揮發(fā)的H2S等腐蝕性氣體會(huì)在油輪貨油艙的頂部?jī)?nèi)表面富集。同時(shí)，由于甲板溫度在白天和夜晚的交替變化，上甲板內(nèi)表面濕度大小會(huì)發(fā)生周期性變化。濕的H2S和O2以及SO2等發(fā)生反應(yīng)，會(huì)在上甲板內(nèi)表面析出單質(zhì)S：

4H2S+SO2+O2=4H2O+5S

(1)

腐蝕了的鋼板表面的鐵銹也是催化劑，能加速SO2和H2S向單質(zhì)S的反應(yīng)。鋼板腐蝕導(dǎo)致新鐵銹的生成以及固體S的析出交替發(fā)生，由于固體單質(zhì)S層較脆，容易產(chǎn)生剝離、脫落，如圖1b所示。貨油艙內(nèi)底板有一層油膜，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)油膜由原油和混合沉淀物組成，同時(shí)包含大量的H2S和氯離子(酸性介質(zhì))，具有很強(qiáng)的阻抗作用，比焦油環(huán)氧樹(shù)脂涂層的阻抗作用要顯著。因此，油膜的存在可以顯著增強(qiáng)油船貨油艙下底板的耐腐蝕性。但洗艙會(huì)造成油膜破損，成為點(diǎn)蝕起源。在破損處會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)：

陽(yáng)極(孔內(nèi))：Fe→Fe2++2e；

(2)

陰極(孔外)：O2+2H2O+4e→4OH-

(3)

隨后亞鐵離子發(fā)生水解，使得孔內(nèi)的pH值大大降低，促進(jìn)了陽(yáng)極的進(jìn)一步溶解。

Fe2++2H2O→Fe(OH)2+2H+

(4)

此外，從上甲板脫落的腐蝕產(chǎn)物S，對(duì)底板的點(diǎn)蝕同樣有加速作用，如方程式(5)。圖1c為觀察到的貨油艙下底板典型局部點(diǎn)蝕照片。

S+2H2O→H2S+2OH-

(5)

圖1 油船貨油艙內(nèi)部腐蝕環(huán)境及實(shí)船上下底板的腐蝕形貌[8]Fig.1 Corrosion environment(a) and corrosion morphology of the upper deck(b) and bottom plate(c) of crude oil tank (COT)

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，油船貨油艙上甲板的腐蝕具有如下特征：① 通過(guò)檢測(cè)分析4艘真實(shí)油船貨油艙頂部空間氣體的化學(xué)組成發(fā)現(xiàn)，在上甲板和原油之間的空間中含有高濃度的H2S，如表3所示。② 上甲板腐蝕層主要由鐵銹和單質(zhì)S組成，其中60%是單質(zhì)S。③上甲板平均腐蝕速率大于0.1 mm/a，速率較低，腐蝕均勻。而油船貨油艙下底板的腐蝕具有如下特征：①在原油和下底板之間貯存有大量的滯留水，通過(guò)檢測(cè)分析3艘真實(shí)油船貨油艙滯留水的化學(xué)組成，發(fā)現(xiàn)含有高濃度的Na+和Cl-，約占總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的10%，如表4所示。但是其中不含Mg、K等離子，可以確定滯留水并不是海水[8]。但其存在的位置和含有高濃度的Cl-會(huì)降低貨油艙下底板的耐蝕性。②通過(guò)水洗、刮擦或酒精擦拭，致密的油膜層由于機(jī)械作用或化學(xué)溶解而被破壞，導(dǎo)致阻抗明顯下降，增加點(diǎn)蝕速率，急劇地減弱了油膜對(duì)貨油艙下底板的保護(hù)。 ③通過(guò)對(duì)6艘真實(shí)油船貨油艙中pH值實(shí)地檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)貨油艙底部點(diǎn)蝕坑內(nèi)的pH值在0.85～1.16之間，顯著低于坑外的pH值，且點(diǎn)蝕速率隨pH值的降低顯著增加，最大可達(dá)2～4 mm/a。說(shuō)明點(diǎn)蝕是強(qiáng)酸環(huán)境下的腐蝕[11-12]。④通過(guò)觀察和測(cè)量，發(fā)現(xiàn)點(diǎn)蝕坑具有很強(qiáng)的形狀性和規(guī)律性，整個(gè)點(diǎn)蝕坑成等軸狀[8]，從點(diǎn)蝕坑的邊緣到底部的腐蝕速率相同，以整體同步向外擴(kuò)展的，點(diǎn)蝕坑越大則點(diǎn)蝕坑越深。表5綜合比較了油船貨油艙上下底板的腐蝕狀況。

表3 油船貨油艙頂部氣體空間的氣體組成[8]Table 3 Gas composition in vapor space of cargo oil tanks

表4 油船貨油艙底部滯留水的化學(xué)組成(%)[8]Table 4 Chemical composition of water sampled from the bottom of cargo oil tanks

表5 油船貨油艙上下底板腐蝕狀況對(duì)比Table 5 Comparison of corrosion status between the upper deck and bottom plate of oil tank

基于上述研究，日本新日鐵、JFE、住友金屬3大鋼鐵公司分別開(kāi)發(fā)了新型油船貨油艙用耐蝕鋼。①新日鐵NSGPTM-1和NSGPTM-2。2003年新日鐵公司與NYK公司合作首次成功開(kāi)發(fā)了新型耐蝕鋼NSGPTM-1[12-16]。表6給出了NSGPTM-1鋼的化學(xué)成分。從表6可知，其所含合金元素較少，成分與傳統(tǒng)船用鋼AH32差別不大，完全符合IACS標(biāo)準(zhǔn)。模擬油船貨油艙下底板點(diǎn)蝕環(huán)境的室內(nèi)全浸腐蝕掛片實(shí)驗(yàn)表明，這種鋼板及其焊接接頭的耐蝕性比傳統(tǒng)船板鋼AH32高，NSGPTM-1鋼的力學(xué)性能和現(xiàn)場(chǎng)使用性能與傳統(tǒng)船用鋼相當(dāng)甚至更優(yōu)，且焊接、加工工藝完全相同，建造時(shí)無(wú)需進(jìn)行特殊的施工治理。為驗(yàn)證新型耐蝕鋼的性能，這2家公司于2004年將其應(yīng)用在三菱重工建造的“TAKAMINE”號(hào)巨型油船貨油艙下底板，該船運(yùn)營(yíng)2.5 a后的考察結(jié)果表明，使用NSGPTM-1鋼的貨油艙下底板最大腐蝕孔只有2.8 mm，而采用傳統(tǒng)鋼板的則為6.3 mm。依據(jù)國(guó)際慣例，腐蝕孔超過(guò)4 mm需要重新涂裝船體，超過(guò)7 mm則需要焊接維修。因此使用NSGPTM-1鋼的貨油艙無(wú)需重新涂裝，不僅可以省卻建造時(shí)為防腐而進(jìn)行的涂裝工序，且在檢修過(guò)程中也無(wú)需重新涂裝，大大減少維護(hù)成本。2007年，NSGPTM-1鋼正式接受訂貨, 截止2010年初，其累計(jì)發(fā)貨量已經(jīng)超過(guò)1萬(wàn)t[14]。2008年，新日鐵公司與NYK公司又開(kāi)發(fā)了應(yīng)用于油船貨油艙上甲板的耐蝕鋼NSGPTM-2，經(jīng)過(guò)5 a年的實(shí)船試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果表明，NSGPTM-2鋼5 a平均腐蝕速率小于0.07 mm/a，比傳統(tǒng)鋼降低了38%[17]。②住友金屬SMICORE。2004年，住友金屬開(kāi)發(fā)了SMICORE耐蝕鋼[18-19]，2005年將其應(yīng)用于“SANKO BLOSSOM”號(hào)油船貨油艙上甲板與下底板。經(jīng)過(guò)2.75 a的實(shí)船試驗(yàn)，船塢檢查結(jié)果表明，與傳統(tǒng)鋼相比，SMICORE鋼用于貨油艙上甲板時(shí)腐蝕速率降低了40%；用于貨油艙下底板時(shí)腐蝕速率降低40%～80%，在世界上首次確認(rèn)了耐蝕鋼用于上甲板和下底板都具有優(yōu)異的耐蝕性。 ③JFE公司NAC5。JFE公司于2004年開(kāi)發(fā)出一種NAC5耐蝕鋼[20]。與傳統(tǒng)鋼相比，將不涂裝的NAC5用于上甲板，可減少10%的腐蝕量；將涂裝的NAC5用于上甲板，涂層剝離速率降低了40%，涂層剝離壽命提高2倍，上甲板壽命提高5 a以上。NAC5耐蝕鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能見(jiàn)表7。④JFE公司JFE-SIPTM-OT。2008年，日本JFE鋼鐵公司與三井O.S.K航運(yùn)公司共同成功研發(fā)了JFE-SIPTM-OT高耐蝕厚鋼板，并于2008年應(yīng)用于油船貨油艙艙頂與艙底。據(jù)三井商船稱，該耐蝕鋼板有以下特點(diǎn)：①抗點(diǎn)蝕性比傳統(tǒng)鋼板提高5倍，甚至可以幫助油船的上甲板耐均勻腐蝕；②與傳統(tǒng)船體用鋼板具有相同的可焊性和機(jī)械性能；③減少傳統(tǒng)鋼板每2.5 a的干船塢維護(hù)工作[21-22]。

2010年韓國(guó)也開(kāi)始了油船貨油艙用耐蝕鋼的研究工作，并且在技術(shù)方面已經(jīng)達(dá)到了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求[6]。

2.3.2 烏克蘭與俄羅斯

鋼鐵冶金是烏克蘭經(jīng)濟(jì)中的支柱性產(chǎn)業(yè)之一，工業(yè)部門齊全，產(chǎn)品產(chǎn)量居世界前列，蘇聯(lián)解體以前曾達(dá)到全國(guó)人均1 t鋼的水平。烏克蘭繼承了前蘇聯(lián)惟一的航母制造基地，造船業(yè)特別是軍艦制造業(yè)，具有很高的水平，有能力建造包括航空母艦在內(nèi)的一切艦艇。黑海造船廠作為前蘇聯(lián)時(shí)代惟一的航母建造總裝廠，集中了很強(qiáng)的艦船科研和生產(chǎn)力量，曾被譽(yù)為“前蘇聯(lián)大型水面艦艇的搖籃”。前蘇聯(lián)幾艘航母——“莫斯科”號(hào)、“列寧格勒”號(hào)、“基輔”號(hào)、“明斯克”號(hào)、“戈?duì)柺部品颉碧?hào)、“庫(kù)茲涅佐夫”號(hào)、“烏里揚(yáng)諾夫斯克”號(hào)全部在此建造。烏克蘭和俄羅斯的海洋耐蝕鋼制造體系不同于日本和歐美，采用低C、低Mn和微合金化的成分設(shè)計(jì)，較高的Cr含量，Cu，Ni，P等耐蝕元素較少加入。其核心技術(shù)是鋼包精煉、中間包精煉、結(jié)晶器電磁制動(dòng)等，達(dá)到有效去除鋼中低熔點(diǎn)有色金屬、非金屬等腐蝕性元素和夾雜物。采用結(jié)晶器喂鋼帶等技術(shù)有效抑制連鑄坯中心偏析和中心疏松，實(shí)現(xiàn)鑄坯均質(zhì)化。

表6 新日鐵NSGPTM-1耐蝕鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)[14]Table 6 Chemical composition of NSGP-1 corrosion resistant steel developed by Nippon Steel(mass fraction/%)

表7 JFE公司NAC5耐蝕鋼化學(xué)成分和力學(xué)性能[20]Table 7 Chemical composition and mechanical properties of NAC5 steel developed by JFE

2.3.3 中國(guó)

由于日本在該領(lǐng)域具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，正在中國(guó)設(shè)置專利障礙，并作出各種承諾以維持其技術(shù)壟斷地位[23]。為了防止國(guó)外可能形成的壟斷性供應(yīng)或技術(shù)壁壘，2008年中國(guó)提出研發(fā)船用耐蝕鋼。2010年，國(guó)家科技部將“大型油輪貨油艙用高品質(zhì)耐腐蝕鋼”列入國(guó)家科技支撐計(jì)劃的重點(diǎn)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，研究高硫、高酸油氣環(huán)境中，低合金鋼在H2S、SO2、Cl-和酸性鹽水介質(zhì)，以及上述各種復(fù)雜混合介質(zhì)條件下的腐蝕規(guī)律，開(kāi)發(fā)耐腐蝕合金鋼成分體系、生產(chǎn)工藝及相關(guān)配套焊接材料，形成油船用耐蝕鋼的腐蝕評(píng)價(jià)體系與標(biāo)準(zhǔn)，解決油氣開(kāi)采、輸送和儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中的鋼鐵材料腐蝕問(wèn)題，形成具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的油氣開(kāi)采與儲(chǔ)運(yùn)用耐腐蝕鋼生產(chǎn)技術(shù)體系和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。2012年，工信部啟動(dòng)了“基于IMO標(biāo)準(zhǔn)的船用耐蝕鋼應(yīng)用技術(shù)研究”重大科技創(chuàng)新項(xiàng)目。到目前為止，我國(guó)油船貨油艙用耐蝕鋼研究項(xiàng)目已經(jīng)取得了階段性研究成果，突破了材料研發(fā)的核心技術(shù)難關(guān)，數(shù)家鋼鐵企業(yè)已經(jīng)進(jìn)入了工業(yè)試制與實(shí)船試驗(yàn)階段[6]。2010年～2011年，鞍鋼集團(tuán)公司陸續(xù)開(kāi)展了兩輪1 000 t以上耐蝕鋼工業(yè)試制，目前已提交船級(jí)社認(rèn)證；2010年，首鋼開(kāi)始對(duì)耐蝕鋼進(jìn)行前期研究，并聯(lián)合開(kāi)展腐蝕機(jī)理研究，研發(fā)油船貨油艙腐蝕環(huán)境耐蝕鋼，到2012年上半年已經(jīng)成功完成E36級(jí)原油船貨油艙用耐蝕鋼及相關(guān)焊材的開(kāi)發(fā)，并形成了配套的焊接工藝技術(shù)，各項(xiàng)性能滿足國(guó)際海事組織耐蝕鋼標(biāo)準(zhǔn)要求及目前的船板規(guī)范，具備了進(jìn)一步開(kāi)展造船應(yīng)用研究的條件。2012年，武鋼、寶鋼、南鋼及湘鋼等鋼廠相繼開(kāi)發(fā)成功油船貨油艙用耐蝕鋼。武鋼經(jīng)過(guò)對(duì)高硫高酸油氣環(huán)境下耐腐蝕鋼的腐蝕機(jī)理、腐蝕條件、合金元素耐蝕性規(guī)律以及鋼的潔凈度、夾雜物、顯微組織對(duì)耐蝕性的影響機(jī)理等方面的研究，確立了新鋼種合金設(shè)計(jì)方案以及生產(chǎn)工藝，并將實(shí)驗(yàn)室研究成果運(yùn)用到工業(yè)試制中，成功實(shí)現(xiàn)了油船貨油艙用耐蝕鋼及其腐蝕試驗(yàn)對(duì)比鋼的批量試制，鋼板性能均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。南鋼與東北大學(xué)、北京科技大學(xué)、武漢科技大學(xué)等高校進(jìn)行合作，成功研發(fā)出高效焊接海洋工程用鋼、原油船貨油艙用耐蝕鋼板EH36-NS以及專用焊接材料，并申請(qǐng)了相關(guān)專利[24-26]。中國(guó)鋼研科技集團(tuán)有限責(zé)任公司鋼鐵研究總院和國(guó)家連鑄技術(shù)工程研究中心在耐蝕鋼成分設(shè)計(jì)方面亦取得可喜成果，研制的鋼板的耐均勻腐蝕和耐局部腐蝕性達(dá)到或超過(guò)了日本NAC5鋼板水平[27]?？傊覈?guó)船用耐蝕鋼國(guó)產(chǎn)化項(xiàng)目已建設(shè)了符合IMO標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)裝置，突破了材料研發(fā)與檢測(cè)的核心技術(shù)難關(guān)，國(guó)產(chǎn)船用耐蝕鋼板各項(xiàng)指標(biāo)滿足IMO標(biāo)準(zhǔn)和船級(jí)社規(guī)范要求，造船工藝性能與傳統(tǒng)船板相當(dāng)，成本增量低于涂層成本，配套的焊接材料、型材、管材等研制工作也已取得初步成果。2014年4月28日[28]，中外運(yùn)長(zhǎng)航吳淞船舶工程有限公司啟動(dòng)了大慶435號(hào)油船改裝工程，其改裝技術(shù)方案由中船集團(tuán)第七〇八研究所制訂，經(jīng)中國(guó)船級(jí)社審定，將采用由鞍鋼公司提供的1 100 t船用耐蝕鋼對(duì)貨油艙內(nèi)底板、上甲板進(jìn)行改裝。同時(shí)，將進(jìn)行耐蝕鋼與常規(guī)船板的對(duì)比使用試驗(yàn)，為后續(xù)相關(guān)科研工作提供實(shí)船數(shù)據(jù)和工程管理經(jīng)驗(yàn)。這表明，我國(guó)鋼企已經(jīng)掌握了油船貨油艙用耐蝕鋼的關(guān)鍵制造技術(shù)，即將進(jìn)入批量生產(chǎn)供貨階段。

2.4 問(wèn)題與差距

長(zhǎng)期以來(lái)，由于缺乏對(duì)大型油船貨油艙用耐蝕鋼等高品質(zhì)海洋結(jié)構(gòu)鋼材的前瞻性探索，我國(guó)對(duì)海洋工程高端鋼鐵材料方面的耐腐蝕機(jī)理等研究明顯落后于日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，造成海洋工程用鋼品種規(guī)格少、鋼材性能差、質(zhì)量不穩(wěn)定、使用壽命短等一系列問(wèn)題；我國(guó)耐蝕鋼產(chǎn)業(yè)集中度低，達(dá)不到規(guī)模效益，研發(fā)、生產(chǎn)難度較大，鋼企積極性不高；我國(guó)缺乏船用耐蝕鋼國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和具有檢測(cè)及認(rèn)證資質(zhì)的第三方機(jī)構(gòu)；針對(duì)焊縫焊材的耐蝕性問(wèn)題重視不足。以上問(wèn)題嚴(yán)重制約了國(guó)家重大工程項(xiàng)目的建設(shè)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

目前，中國(guó)船企能建造國(guó)際航運(yùn)界95%所需船型，包括17.5萬(wàn) t散貨輪、30萬(wàn) t超大型油輪(VLCC)、30萬(wàn) t浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船(FPSO)、8530標(biāo)箱第6代集裝箱船、14.7萬(wàn)m3LNG船、122 m自升式鉆井平臺(tái)JU2 000等。目前在建9座30萬(wàn)t級(jí)造船船塢，并在規(guī)劃50萬(wàn) t級(jí)和100萬(wàn) t級(jí)船塢。但是，在中國(guó)船企建造的船舶中，60%～70%以低技術(shù)含量的散貨船為主，大型油船、高技術(shù)含量的鉆井船及液化天然氣船等承接量少，在先進(jìn)船舶制造及海洋工程裝備設(shè)計(jì)制造技術(shù)、大型油船貨油艙用耐蝕鋼的研究與開(kāi)發(fā)等方面，才剛剛進(jìn)入實(shí)船驗(yàn)證階段，與日本等國(guó)家相比，還有較大差距。

3 耐海水腐蝕鋼

3.1 重大需求分析

占地球表面積約71%的海洋中蘊(yùn)藏著豐富的資源，隨著世界人口的日益增長(zhǎng)和陸地資源不斷的消耗，未來(lái)人類的生存會(huì)越來(lái)越依賴于海洋，海洋將成為礦產(chǎn)、能源和食品資源的主要供應(yīng)基地。為此，海洋開(kāi)發(fā)被列為2l世紀(jì)的重點(diǎn)目標(biāo)之一。我國(guó)享有主權(quán)和管轄權(quán)的海域面積接近300萬(wàn)km2，但海洋石油和天然氣等資源的平均探明率分別只有12.3%和10.9%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界73.0%和60.5% 的平均水平[29]。隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的提高，我國(guó)海洋開(kāi)發(fā)事業(yè)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。由于技術(shù)越來(lái)越復(fù)雜，制造成本越來(lái)越高，人們希望海洋裝備的使用壽命成倍提高，而耐海水腐蝕材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用研究是海洋開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)和前提，導(dǎo)致耐海水腐蝕鋼材越來(lái)越受到人們的重視，用量逐年增加。另外火電廠、核電廠、化工廠和海水淡化工程等項(xiàng)目中也是耐海水腐蝕鋼另一個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域。有報(bào)道稱，到2015年全世界海水淡化能力將增長(zhǎng)到6 200萬(wàn)m3，所增加的投資預(yù)計(jì)為950億美元。而中國(guó)也是一個(gè)水資源貧乏的國(guó)家，這個(gè)新興領(lǐng)域?qū)δ秃Ｋg鋼的需求必定持續(xù)增長(zhǎng)[29]。

由于海洋的特定環(huán)境對(duì)海洋工程材料有很多特殊要求：最主要的是耐海水腐蝕問(wèn)題；其次是深海下密封殼體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度問(wèn)題。因此研究高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐海水腐蝕、低成本的材料以及合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選材，已成為海洋工程的關(guān)鍵技術(shù)之一。

3.2 耐海水腐蝕鋼的發(fā)展概況

海水中含有大量的以NaCl為主的鹽類，占總含鹽量的88.7%。由于它們易于電離，使海水中的Cl-含量增高，達(dá)1.898%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))；同時(shí)提高海水電導(dǎo)率，其平均電導(dǎo)率可為4×10-2s/cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)河水(2×10-2s/cm)和雨水(1×10-2s/cm)。為此，海水中金屬表面難以保持穩(wěn)定的鈍態(tài)，易于發(fā)生電化學(xué)腐蝕，極易發(fā)生劣化破壞。目前海洋污染趨于嚴(yán)重，海洋環(huán)境更加復(fù)雜，從而使得海洋工程用鋼材的腐蝕問(wèn)題更加突出。大型海洋工程結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境中的腐蝕一般分為5個(gè)區(qū)：大氣區(qū)、飛濺區(qū)、潮差區(qū)、全浸區(qū)及海泥區(qū)。在這些不同的區(qū)域，鋼材的腐蝕速率是不同的，圖2是鋼樁在海水不同腐蝕區(qū)域腐蝕速率示意圖[30]。

圖2 鋼樁在海水不同區(qū)域腐蝕速率的示意圖[31]Fig.2 Schematic diagram of the corrosion rate of steel pile in different zones of the seawater

除了海水區(qū)域不同對(duì)鋼材腐蝕有不同的影響外，就是在一同區(qū)域的海洋環(huán)境中也含有其他諸多影響因素，如海水的鹽度、pH值、溫度、溶解氣體( O2、CO2等) 流速、微生物以及污染等，這些因素有時(shí)交差作用，造成了海洋環(huán)境對(duì)鋼材腐蝕的一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程。

目前鋼鐵材料的防腐蝕方法大致可分為4類：①涂層法；②長(zhǎng)效法；③陰極保護(hù)；④采用本身具有抗腐蝕能力的不銹鋼。但大規(guī)模使用預(yù)防措施所產(chǎn)生的環(huán)境污染大、能耗大、投資大，其成本高得難以承受，并且不銹鋼的力學(xué)性能和焊接性能也很難滿足各種工程的需要，因而鋼鐵材料的腐蝕情況一直沒(méi)有得到根本的控制。研究表明，通過(guò)添加微量合金元素可以在鋼材表面形成含有特定結(jié)構(gòu)、具有離子選擇特性的致密保護(hù)層，使鋼材本身具有耐腐蝕性能，并保持優(yōu)良的綜合力學(xué)性能及使用性能。

3.3 耐海水腐蝕鋼國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)耐海水腐蝕鋼的研究始于20世紀(jì)30年代，其中最為活躍的國(guó)家是美國(guó)和日本。美國(guó)最先開(kāi)始耐海水腐蝕鋼的研究，于1951年開(kāi)發(fā)了Ni-Cu-P系Mariner鋼，含0.5%Ni、0.5%Cu、0.1%P。此類鋼在飛濺區(qū)的耐海水腐蝕性能較好，為普通碳素鋼的2～3倍，但P含量偏高(0.08%～0.15%)，厚度大于20 mm的鋼板不適宜焊接。在此基礎(chǔ)上，世界各國(guó)相繼開(kāi)發(fā)了各種系列的耐海水腐蝕鋼。如日本針對(duì)Mariner鋼P(yáng)含量高、焊接性能差研制了P含量≤0.03%的Mariloy (Cu-Cr-P、Cu-Cr-A1-P、Cu-Cr-Mo)系列低合金耐海水腐蝕鋼[31]。Mariloy系列鋼之所以具有好的耐蝕性， 主要原因有：①鉻、硅共存, 促使在腐蝕過(guò)程中形成穩(wěn)定的硫酸鹽膜， 能阻止在污染海水中細(xì)菌的生長(zhǎng)，從而減緩了鋼的腐蝕；②由于硅、鉻、銅在銹層中富集，并直接作用于金屬表面， 使緊貼基體銹蝕產(chǎn)物變得細(xì)小致密，阻礙了海水中溶解氧向鋼表面擴(kuò)散，減緩了鋼的腐蝕速率。

中國(guó)耐海水腐蝕鋼的研究始于1965年，從300多個(gè)鋼種中篩選出16個(gè)鋼種，并于1978年進(jìn)行了耐蝕性能的統(tǒng)一評(píng)定。4年的試驗(yàn)周期表明，Cr-Mo-Al系的10Cr2MoAlRE鋼耐蝕性能最好。近期寶鋼借鑒日本耐海水腐蝕鋼成分特點(diǎn)，綜合考慮中國(guó)近海海水腐蝕介質(zhì)的環(huán)境作用因子，通過(guò)優(yōu)化調(diào)整化學(xué)成分及采用合理軋制工藝技術(shù)，成功開(kāi)發(fā)出Cr-Cu-Mo系耐海水腐蝕鋼種Q345C-NHY3[32]。該鋼種具有優(yōu)良的力學(xué)性能、焊接性能和耐海水腐蝕性能等，能夠滿足海洋鋼結(jié)構(gòu)的制造要求。已經(jīng)向東海洋山深水港碼頭二期及三期工程供貨約30萬(wàn) t，主要用于加工海底鋼管樁。這是國(guó)內(nèi)首次在工程中大批量應(yīng)用耐海水腐蝕鋼，整個(gè)工程結(jié)束預(yù)期應(yīng)用量達(dá)50余萬(wàn) t。

目前國(guó)外生產(chǎn)的低合金耐海水腐蝕用鋼按成分系列可分為Ni-Cu-P系、Cr-Nb系、Cr-Cu系、Cr-Al系、Cr-Cu-Si系、Cr-Cu-Al系、Cr-Cu-Mo 系、Cr-Cu-P系及Cr-Al-Mo系等。我國(guó)研制的耐海水腐蝕鋼試驗(yàn)鋼號(hào)近200種，其中10Cr2MoAlRE、08PVRE、09MnCuPTi、10MnPNbRE、10NiCuAs、10CrMoAl等已通過(guò)鑒定，但尚未推廣，在大型固定式和移動(dòng)式海洋結(jié)構(gòu)件上應(yīng)用較少[33]。

3.4 問(wèn)題與差距

我國(guó)在耐海水腐蝕鋼方面與國(guó)外先進(jìn)國(guó)家之間存在較大差距，如表8所示。

表8 我國(guó)耐海水腐蝕鋼與國(guó)外的差距[31]Table 8 Gap between China and overseas countries in marine corrosion resistant steels

我國(guó)在海工鋼和船用耐蝕鋼方面存在以下突出問(wèn)題[30,34-36]：①海工用鋼需求有限，科研和生產(chǎn)難度較大。我國(guó)主要海工總裝制造企業(yè)手持各類海工鉆井平臺(tái)不到100座/艘，計(jì)劃在3 a內(nèi)交付。每年交付量在30～40座/艘左右，年均用鋼量?jī)H為60～80萬(wàn)t。加之海工用鋼的特點(diǎn)為多品種、小批量，達(dá)不到規(guī)模效益。②對(duì)耐海水腐蝕機(jī)理的研究不足。由于各合金元素在不同海洋環(huán)境條件下的耐蝕效果不同、各牌號(hào)鋼種在不同海洋環(huán)境條件下的耐蝕性能也有很大的差異，加上因試驗(yàn)方法不同而造成的誤差等影響，腐蝕試驗(yàn)結(jié)果必然有所不同，而我國(guó)缺乏該領(lǐng)域檢測(cè)與第三方認(rèn)證機(jī)構(gòu)。特別對(duì)我國(guó)南海高濕熱、強(qiáng)輻射、高Cl-海洋環(huán)境下的鋼鐵材料腐蝕問(wèn)題還未得到研究與驗(yàn)證，腐蝕數(shù)據(jù)積累不足。 ③焊縫焊材的耐蝕性問(wèn)題未得到重視。由于接頭各部分在成分和組織上的不均勻性、殘余應(yīng)力以及應(yīng)力集中等因素的影響，使得接頭的耐蝕性往往低于母材，而在整個(gè)焊接接頭中焊縫是耐腐蝕性最差的部位。

4 對(duì)策與建議

隨著世界安全和環(huán)保意識(shí)的提高以及經(jīng)濟(jì)全球化引起的物流量增加，強(qiáng)化對(duì)船舶與海工裝備結(jié)構(gòu)安全性、可靠性、及海上運(yùn)輸高速化、高效化的要求，需進(jìn)一步提供高性能鋼材。如果國(guó)內(nèi)不能生產(chǎn)而大量進(jìn)口，不但會(huì)推高造船行業(yè)的建造成本；而且，如果船東青睞這種鋼材，而國(guó)外不予供貨的話，船企接單也將受到影響。因此，需要國(guó)家政策引導(dǎo)支持，造船、海工、鋼鐵、航運(yùn)等企業(yè)以及高?？蒲性核o密協(xié)同與合作。建議：①加強(qiáng)政策引導(dǎo)和財(cái)政支持，加大研發(fā)投入。在國(guó)家層面制定海洋耐蝕鋼的科技發(fā)展規(guī)劃，加大研發(fā)投入。同時(shí)，改變資金投入機(jī)制，讓有限的資金集中投放到由企業(yè)、高校、研究機(jī)構(gòu)等組成的優(yōu)勢(shì)協(xié)同創(chuàng)新體。建設(shè)我國(guó)海洋耐蝕鋼4大區(qū)域中心：即以環(huán)渤海灣(鞍鋼、首鋼、大連造船、北船重工(青島)、中國(guó)科學(xué)院金屬研究所、中國(guó)科學(xué)院海洋研究所、東北大學(xué)、北京科技大學(xué)、大連理工大學(xué)、清華大學(xué)等)、長(zhǎng)江口(寶鋼、南鋼、沙鋼、滬東中華造船、振華港機(jī)、上海交通大學(xué)、上海大學(xué)、南京工業(yè)大學(xué)、南京理工大學(xué)、浙江大學(xué)等)、長(zhǎng)江中上游流域(武鋼、重鋼、攀鋼、華菱集團(tuán)、武船重工、中船重工719研究所、武漢科技大學(xué)、華中科技大學(xué)、武漢大學(xué)、武漢理工大學(xué)、重慶大學(xué)等)和珠江口(寶鋼集團(tuán)湛江基地、武鋼集團(tuán)防城港基地、廣州廣船國(guó)際股份有限公司、廣州黃埔造船廠等、華南理工大學(xué)、香港科技大學(xué)等)為重點(diǎn)的區(qū)域中心。②以海洋耐蝕鋼的協(xié)同研發(fā)為切入點(diǎn)，搭建三會(huì)一社(中國(guó)船舶工業(yè)行業(yè)協(xié)會(huì)、中國(guó)鋼鐵協(xié)會(huì)、中國(guó)船東協(xié)會(huì)、中國(guó)船級(jí)社)、造船企業(yè)、鋼鐵企業(yè)、航運(yùn)企業(yè)、高校科研院所聯(lián)合參與的“產(chǎn)、學(xué)、研、用、檢”的工作及信息交流平臺(tái)，使海洋耐蝕鋼的研發(fā)從臨時(shí)協(xié)調(diào)機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)殚L(zhǎng)期合作機(jī)制，并盡快落實(shí)船用和海工裝備耐蝕鋼的應(yīng)用研究和實(shí)船考核工作，定期探討船用耐蝕鋼的研發(fā)推進(jìn)工作，規(guī)范行業(yè)準(zhǔn)入和認(rèn)證管理，建立和完善船用和海工裝備耐蝕鋼標(biāo)準(zhǔn)體系以及船用和海工裝備耐蝕鋼加工配送體系。 ③加強(qiáng)對(duì)海洋耐蝕鋼，特別是我國(guó)南海高濕熱、強(qiáng)輻射、高Cl-環(huán)境下的腐蝕機(jī)理研究。建設(shè)海洋耐蝕鋼的檢測(cè)機(jī)構(gòu)和第三方認(rèn)證機(jī)構(gòu)等共同平臺(tái)。④加強(qiáng)海洋耐蝕鋼的焊接性研究與評(píng)定，研究開(kāi)發(fā)相配套的焊接材料、焊接工藝。

5 關(guān)鍵技術(shù)與核心科學(xué)問(wèn)題

5.1 關(guān)鍵技術(shù)

海洋耐蝕鋼研究與開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)包括：中厚板與特厚板的純凈度控制技術(shù)(尤其是超低S的控制)、腐蝕性?shī)A雜物(MnS和nCaOmAl2O3等)控制技術(shù)、鑄坯中心偏析控制技術(shù)、特厚板的軋制技術(shù)與工藝、中厚板與特厚板的焊接性評(píng)定與焊接工藝、以及配套焊接材料的研究與開(kāi)發(fā)等。

5.2 核心科學(xué)問(wèn)題

海洋耐蝕鋼研究與開(kāi)發(fā)的核心科學(xué)問(wèn)題主要包括：新型易焊接海洋耐蝕鋼厚板與特厚板的設(shè)計(jì)理論與原理，海洋耐蝕鋼厚板與特厚板均質(zhì)化、細(xì)晶化、高韌化機(jī)理，海洋耐蝕鋼厚板與特厚板高效高可靠性焊接冶金原理，海洋工程厚板與特厚板以及焊接接頭的耐蝕機(jī)理，包括在我國(guó)南海高濕熱和海洋微生物等特殊環(huán)境下的腐蝕機(jī)理等。

致謝感謝中國(guó)工程院和國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)的支持，感謝周廉院士、翁宇慶院士和薛群基院士的鼓勵(lì)與支持，感謝“中國(guó)海洋工程材料研發(fā)現(xiàn)狀及發(fā)展戰(zhàn)略初步研究”項(xiàng)目組各位專家提供的相關(guān)資料與信息。

參考文獻(xiàn) References

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