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任子平:发展高性能钢铁材料 掀起“海洋强国”新篇章

2017-10-09 11:34:42
作者:王 元
来源:中国腐蚀与防护网

随着党的十八大提出的“建设海洋强国”的宏伟战略目标,船舶与海洋工程装备和技术迎来了千载难逢的发展机遇,同时对海洋装备的结构、材料、防护技术与措施等提出更高的要求。为了全面了解我国海洋钢铁材料研发现状及未来趋势,探秘我国大型钢铁集团是如何顺应国家的发展战略的?值此第九届全国腐蚀大会来临之际,记者特邀请到鞍钢集团钢铁研究院任子平院长做相关方面的精彩解读。

    钢铁作为海洋工程装备的关键结构材料,广泛应用于钻井平台、生产平台以及海底管道等。由于海洋装备长期服役于苛刻海洋腐蚀环境中,装备材料的腐蚀损伤、磨蚀失效和生物污损无法回避,且每年给国家造成近万亿元的经济损失和30%以上海中航行体的能源浪费,已成为严重制约重大海洋工程技术和装备发展的技术瓶颈之一。随着党的十八大提出的“建设海洋强国”的宏伟战略目标,船舶与海洋工程装备和技术迎来了千载难逢的发展机遇,同时对海洋装备的结构、材料、防护技术与措施等提出更高的要求。


    为了全面了解我国海洋钢铁材料研发现状及未来趋势,探秘我国大型钢铁集团是如何顺应国家的发展战略的?值此第九届全国腐蚀大会来临之际,记者特邀请到鞍钢集团钢铁研究院任子平院长做相关方面的精彩解读。

 

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    鞍钢集团钢铁研究院任子平院长


    记者:请您大致谈谈我国海洋工程用钢铁材料研发现状及未来趋势?


    任院长:海洋工程用钢主要种类可分为:海洋油气开发装备、舰船用钢、桥梁基础设施用钢、海洋特殊装备(包括深潜器、海水淡化、深海资源勘探)用钢等。


   
1、海洋平台用钢


    海洋油气开发主要装备是海洋平台,海洋平台服役期一般为20-40年,比普通船舶高约50%,由于海洋平台处于深水、浪涌、低温等多重复杂而苛刻的服役环境,平台建造所采用的钢板需要具有高强度 、高韧性、抗疲劳、抗层状撕裂、良好可焊性和可加工性等综合性能。海洋平台按作业方式可分为钻井平台和生产平台两大类。材料级别从355-690MPa,最大厚度可达259mm。EH36及以下级别平台用钢基本实现国产化,占平台用钢量的90%,但关键部位所用超高强度(600MPa以上)、大厚度(100mm以上)、高韧性(-40℃以下)、适应50kJ/cm以上大焊接热量输入的钢材还需进口。平台主要遵循的通用标准包括BS/EN系列欧标、美标API、北海NOSOK及国际船级社规范等。我国的海洋平台用钢标准体系还需要进一步完善。随着我国海洋开发的不断发展,对海洋平台用钢的需求量不断扩大,预计年用钢需求量在300万吨以上。


   
2、海底油气管线用钢


    随着陆地及近海油气资源的日渐枯竭,深海和超深海的油气资源的勘探开发已经成为世界油气开采的重点领域。随着海上油气田、极地油气田、深水气田的开发,面对恶劣的海洋服役环境,对海底管线提出了比陆地管线更高的质量要求,如钢管高钢级、大厚度、各向同性、低屈强比、低温下的高韧性、高止裂性、良好焊接性、抗大应变性能及抗酸性介质腐蚀等性能。在目前国际上普遍执行的美国协会API标准中,管线用钢级别涵盖了X42-X80的焊接高强度钢。国内每年需建设原油管线6000km,至少需要17万吨的海底管线钢。如果国内南海油气资源大规模开发,则需要的管线钢数量将大幅度上升。


    3、船舶用钢


    我国作为世界造船大国,正向着轻量化、大型化、安全化、长寿化的趋势发展,在高技术船舶方面的设计建造及材料应用已跻身世界先进行列,船体结构用钢的强度级别从235MPa-1000MPa,年需求量达到1200万吨以上。具有高强度、高韧性、易焊接、高止裂性、耐低温、耐腐蚀及大厚度、宽规格等关键特性的钢板成为船用钢的发展方向。除冰级船舶、化学品船、LNG船、大型邮轮等船舶所需特种钢材正处于研发阶段以外,我国已经实现绝大部分船型所需材料的国产化。


    随着我国海洋战略的实施,以及人类开发利用深海时代的到来,对高性能海洋平台用钢的需求量将不断增加,海洋平台用钢也将成为未来几年国内钢铁企业重点研发和生产的产品。综合分析我国海洋工业的市场需求及现有海洋平台用钢与国外产品的差距,可以看到,目前海洋平台用桩腿、悬臂梁及半圆板等结构件急需升级换代,特厚规格齿条用钢、极地低温用钢、高耐蚀性特种钢等均需开展细致的研究工作,同时应与设计单位和下游用户密切合作,积极推进高端装备材料的工程化应用,尽快健全材料体系,建立完备的国际认可的标准规范和材料应用评价准则。


  
  海洋装备用钢未来具体发展趋势体现在以下几方面:


   
1、实现高性能海洋平台用钢的国产化


    海洋平台用钢的高性能包括高强度、高韧性、耐腐蚀等特点,从海洋平台结构设计角度出发,采用高强度和超高强度钢可以有效减轻平台结构自重,增加平台可变载荷和自持能力,提高总排水量与平台钢结构自重比。而随着深海及极地海洋平台建设的快速发展,海洋工程用钢的低温韧性更显重要,因此,690MPa以上级别的超高强度、耐-60℃及以下低温的高韧性、大厚度海洋平台用钢将是今后研发的重点。


    全面提升材料的综合性能,如良好的力学性能,满足钢结构的强度、韧性、耐疲劳性、耐海水腐蚀等设计要求;良好的加工工艺性,如冷热加工工艺性、可焊性等,以保证设计目标的实现。


  
  2、开发海洋工程用钢生产新工艺


    为实现海洋平台用高强度特厚规格钢板的国产化应用,开展钢板冶金质量、组织性能稳定化控制等关键生产工艺技术研究,包括大断面铸坯(锭)凝固与冶金质量控制、基于大厚度钢板组织性能均匀化的控制轧制及热处理技术,系统掌握大厚度钢板的强韧性变化机制、微观组织与力学性能控制的冶金学规律与控制技术。


    3、系统化的海洋工程用钢应用技术研究


    可焊性、抗疲劳和耐腐蚀是实现海洋平台工程化应用的关键应用特性。以导管架平台为例,所采用的易焊接高强钢要求实现“焊前不预热,焊接高输入、焊后免热处理”。我国急需在大线能量焊接的基础原理及关键技术上实现突破,以满足海洋装备领域的高效化生产需求,推进高端装备材料的升级换代。面对复杂的海洋腐蚀环境,开展系统的腐蚀实验及研究,开发具有高强、高韧、耐浪涌、耐海洋环境腐蚀和长寿命用高性能低合金耐蚀钢、不锈钢等高性能特殊钢,形成系列化,满足海洋环境对钢材的耐腐蚀、长寿命要求。


  
  4、研发低成本高附加值产品


    产品海洋平台是由钢结构焊接而成,其中高强钢所占比例高达 60%~90%,如果在高强钢合金设计上实现减量化,将会大大降低海洋平台的建设成本。 国内现有的 690 级高强钢均采用添加大量的Ni、Mo 等贵重合金元素,如能通过合金设计,实现“以 Mn/C 代 Ni”的成分设计思路,可以大幅度降低成本。首先,Mn 是一种强奥氏体稳定元素,其价格只是Ni的 1/5-1/20,其次,高 Mn 钢具有优异的强度和塑性的综合性能以及优异的低温韧性。 高Mn 钢本身的优异综合性能可以解决目前海洋平台用 690 MPa 级超高强钢的低温韧性差、屈强比高等问题, 能够满足未来深海和极地海洋平台对超高强钢安全性能和建造成本需求, 这也是今后高强、高韧海洋平台用钢的重要发展方向。


   
5、良好成形性能的低屈强比


    海洋平台用钢开发从海洋平台底部结构设计出发, 如果采用先进的桩腿(包括桩靴)结构和升降机构,将会增加平台的承重能力、抗冲击能力及耐久性。目前,升降齿条用钢采用了 690 MPa 级超高强钢,但其他桩腿结构用钢一般仅为 550 MPa 级别高强钢。 主要原因在于, 其他结构用钢不仅要求具有较高的强度,同时需要良好的成形性能,因而对屈强比进行了严格限制, 海洋平台安全设计中结构件用钢的屈强比不允许超过 0.85, 以确保塑性失效前有足够的延展性来防止发生灾难性的脆性断裂。


 
   6、止裂性能高强钢开发


    针对船舶、建筑、储油罐、海洋结构、管线等结构设施所发生的一系列的结构件断裂灾难事故,国际工程领域提出了生产和应用止裂性性能钢板的要求,且正在形成并推广相关的国际标准。 钢中存在一定量的残余奥氏体时, 在裂纹扩展时可以使其沿残余奥氏体发生偏转, 或者因裂纹尖端的应力集中引发 “残余奥氏体→马氏体” 相变的TRIP 效应而产生相变韧化,从而提高钢材的止裂性能。由于“Mn/C”合金化可以有效调控钢中残余奥氏体含量, 因此通过合理的成分设计以及组织性能控制,实现钢中残余奥氏体含量、大小、分布的精确控制,从而有效提高钢材的止裂性能,这是高强韧海洋平台用钢的又一重要发展趋势。


   
记者:鞍钢海洋材料国家重点实验室是此次会议的协办单位,请您详细地介绍一下鞍钢海洋材料国家重点实验室,并谈谈它的特色和优势?


    任院长:海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室是国家科技部于2015年9月批准建设的第三批企业国家重点实验室之一,是我国首个在海洋装备用金属材料及其应用领域设立的国家重点实验室。海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室根据国际和行业的发展需求,针对海洋装备用金属材料急需解决的技术瓶颈与关键装备材料,设置了海洋装备用金属材料冶金技术、海军装备用金属材料制备技术、海洋工程用金属材料制备技术、海洋装备用特种金属材料制备技术以及海洋装备用金属材料应用技术五个研究方向,主要从事海洋装备用金属材料的应用基础研究、关键技术和共性技术研究。 实验室现有固定人员113人,研究人员106人,科研用房面积4.3万平方米,拥有基础及共性技术、应用技术和工业制备生产三个试验平台,中试生产线4条,各类大型科研仪器设备近百台(套)。实验室聘请了国内15名知名院士、专家为实验室学术委员,中国工程院翁宇庆院士担任实验室学术委员会主任,侯保荣院士和曾恒一院士担任实验室学术委员会副主任。实验室的建设将有力推动海洋装备用金属材料领域前沿技术和和共性技术的研究,促进海洋装备用金属材料的基础研究成果转化和科研成果的产业化,提高行业技术水平和企业自主创新能力,成为引领和推动海洋装备用金属材料领域的“产、学、研、检、用”相结合的重要平台。


   
实验室特点与优势


    创建基础性、跨学科和开放式的海洋装备用金属材料及应用国家重点实验室,其主要目的是瞄准我国海洋装备制造业对材料的战略需求与发展方向,搭建我国海洋装备用金属材料“产、学、研、检、用”技术平台,以核心技术带动产业发展,对我国海洋装备用金属材料应用形成有力的技术支撑,推进更新换代,大幅度提高海洋装备用金属材料的国产化率。


    海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室形成了功能完备、具有国际先进水平的金属材料研发支撑平台。一方面,冶金性能实验室、炼钢实验室、冶金水力模型实验室、轧钢实验室、材料腐蚀实验室、焊接实验室等十余个专业实验室以及四套/条冶金工艺与材料实验装置/生产线,具备从原料、炼铁、炼钢、轧钢到产品开发一整套具有国际先进水平的基本满足创新工作需求的试验、实验检测手段。另一方面鞍钢具有以世界先进5500轧机为核心的功能完备、品种规格齐全的海洋装备用金属材料生产装备及技术。因此,海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室落户鞍钢,为鞍钢进一步拓展该领域市场创造了良好条件。一是重点实验室将发挥研究开发中心和国际性学术交流中心的作用,吸引、凝聚和培养更多优秀技术人才,走出一条属于自己的自主创新之路,助力国家实现“海洋强国”的梦想。二是实验室将重点打造三个实验平台,即基础及共性技术实验室平台、工艺流程中间实验平台、应用技术实验平台,通过三个平台的建设,在海洋装备用金属材料基础研究、材料制备关键技术及工程化应用、材料检测评价要求及相关技术标准制定等方面达到国际先进水平。三是实验室将助推鞍钢对接海洋装备制造业发展需求,研发出更多更高端海洋装备用金属材料,进一步拓展鞍钢品牌市场占有率,鞍钢制造将跨洋越海驶向蔚蓝色的海洋。


    记者:请您谈谈鞍钢海洋材料国家重点实验室做出过哪些重要成果?发挥了哪些经济效益和社会效益?


    任院长:海洋装备用金属材料及应用重点实验室以鞍钢为依托,围绕我国“海洋强国”建设、《中国制造2025》 “海工装备及高技术船舶”在突破性发展中所涉及的海洋装备金属材料的重大需求与制约瓶颈,深入开展研究,先后承担完成了一系列重大基础性科学研究项目、国家级重大科技攻关课题、国家科技支撑课题,使鞍钢在耐腐蚀船舶用钢、军工舰船与潜艇及深海管线等高端产品的基础理论和应用技术研究方面积累了丰富研究经验并保持国内领先水平,使鞍钢在海洋工程用金属材料方面,取得了强度级别最高、品种规格最齐全、市场占有率最高、连续创造了多项全国第一的辉煌业绩。


    近年,实验室加强核心技术和关键产品的自主创新,在海洋装备用金属材料及应用领域取得丰硕成果。

 

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750mm×550mm高刚度二辊热轧试验机

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    EPMA 1610电子探针

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    2006年鞍钢Q420q耐候桥梁钢应用于重庆朝天门大桥


    鞍钢挺进市场冰海,致力于船舶和海工低温用钢产品开发工作。经过努力,鞍钢开创了破冰船用钢国产化的先河,5000吨钢板应用于我国首次自主设计、自主建造的破冰船项目,为鞍钢船板产品进军高端船舶海工制造领域打下了坚实的基础。


    在油船货油舱用船板开发方面,鞍钢通过三年的研制,系统掌握了耐蚀钢的成分、组织及工艺因素等对耐腐蚀性能影响规律,开发出了油船货油舱用耐腐蚀钢板,独家供货我国首艘耐蚀钢示范油轮“大庆435”号,打破了日本在该项产品上的技术封锁,鞍钢也成为国内首家在该产品上通过7国船级社认可的钢企。


    以鞍钢独家供货的F级超高强海工钢板为主要承重件加工制作的全球最深半潜式钻井平台--Frigstad D90超深水半潜式钻井平台,在山东烟台中集来福士建造基地顺利实现上下部大合拢。这意味着“鞍钢制造”的F级超高强海工用钢成功替代进口,撑起世界顶级钻井平台。鞍钢再次填补国内空白,成为国内唯一一个具备F级超高强海工用钢供货资质的钢铁企业。由鞍钢供货的全球最先进超深水钻井平台“蓝鲸1号”命名交付,鞍钢成为国内唯一具备TMCP态F级超高强海工钢供货资质的钢企。


    鞍钢自主研制开发的超大型集装箱船用止裂钢板,国内首家通过最大厚度90mm的多国船级社认证,实现20000箱集装箱船用钢板整船供货,替代进口,在高端海洋装备用钢的研发、生产及应用方面跻身国际先进行列。


    鞍钢抢占海底油气管线用钢市场,积极与用户合作开展海底管线用钢研究,实现了X70钢级海底管线钢由鞍钢独家供货,用于制作水深1500米的输送管道,鞍钢成为国内首批具备厚壁海底管线钢产品供货能力的钢企。


    鞍钢率先开展大线能量焊接的核心技术、焊接工艺及配套焊材的研究开发,用于船体及海洋采油平台制造,填补了国内空白。与此同时,鞍钢在国内创新性地开发了超快速冷却技术、DQ与ACC结合的新一代TMCP技术,并实现船舶、海工、桥梁、管线等多个品种的工业化应用,实现了组织精细控制和强韧性的大幅度提升。


    桥梁钢研发团队参与中马友谊大桥的设计,成功研发出一种具有原创性、为马尔代夫定制的新产品,使鞍钢成为援马尔代夫中马友谊大桥唯一供应商。中马友谊大桥是中马两国开展的第一项合作,是世界首座建在珊瑚礁上的跨海大桥,也是马尔代夫的第一座桥梁,项目的实施对促进中马两国关系、促进马尔代夫社会经济发展意义重大。


 
   记者:请您谈谈贵单位未来的发展规划?尤其是鞍钢海洋材料国家重点实验室的发展规划。


    任院长:未来,重点实验室将在国家和依托单位的支持下,充分利用依托单位在海洋装备用金属材料及应用领域形成多学科发展的综合研究优势,以制约我国海洋工程装备发展的关键材料、技术瓶颈为研究对象,围绕海洋装备用金属材料冶金技术、海军装备用金属材料制备技术、海洋工程用金属材料制备技术、海洋装备用特种金属材料制备技术、海洋装备用金属材料的应用技术等五个研究方向,针对海洋装备用金属材料的发展现状、产业化需求以及海洋装备用金属材料急需解决的关键核心技术开展研究,建立特殊性能检测标准评价体系,形成开放式的海洋装备用金属材料研发、应用评价示范性平台,推动我国海工装备制造用材全面实现国产化,同时打造一只专业从事海洋装备金属材料研发的高水平的研究团队,为我国的海洋装备制造业材料领域的技术进步提供基础理论与应用实践支持。


  
  记者:两年一度的全国腐蚀大会都会带来许多的精彩报告和前沿科技的分享,贵单位作为第九届全国腐蚀大会的协办单位,请您谈谈对会议的看法和期许?


    任院长:全国腐蚀大会是国内腐蚀科学领域学术水平最高、范围最广、影响最大的学术会议。两年一度大会是对我国材料腐蚀与防护领域前沿科技创新成果的集中展示,也是该领域重要的产、学、研、用交流平台。历届全国腐蚀大会对推动我国腐蚀与防护技术创新及成功转化发挥了不可替代的重要作用。海洋材料腐蚀与防护技术是我国海洋战略的重要支撑性技术,基于这一点,作为第九届全国腐蚀大会的协办单位的海洋装备金属材料及其应用国家重点实验室期望本届大会在继续发挥交流平台和展示窗口作用的同时,着重关注海洋材料腐蚀与防护领域新思路、新观点、新成果、促进相关科研院所及企业间的交流合作,为提升我国海洋材料研究及应用水平、推进“海洋强国”战略贡献力量。


    后记:秉承“21世纪海上丝绸之路”的宏伟构想,中国人民正在以前所未有的决心和速度,努力实现从海洋大国向海洋强国的“蓝色跨越”。相信在国际上“蓝色圈地”愈演愈烈的大环境下,在新一轮“大国崛起”的洪流中,中国人必将勇立潮头,劈波斩浪!为此,发展海洋钢铁材料,研发新技术、新产品势必掀开我国海洋强军、海洋强国、海洋经济大发展的新篇章!


  
  人物简介


    任子平,博士,鞍钢股份有限公司总工程师,教授级高级工程师。他毕业于东北大学钢铁冶金专业,获博士学位。任先生于一九九零年加入鞍钢,现任鞍钢集团钢铁研究院院长,曾任鞍山钢铁集团公司第三炼钢厂厂长、第二炼钢厂厂长、鞍钢股份有限公司技术中心常务副主任、鞍山钢铁集团公司科技发展部部长、鞍山钢铁集团公司科技质量部部长。

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责任编辑:王元

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标签: 任子平, 高性能钢铁材料, 第九届全国腐蚀大会

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