海洋工程材料5

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法国的APS Cr-Al钢
该钢包括APS20A、APS20M、APS25三个钢号,它们均含有 4% Cr，APS20A含有0.ຫໍສະໝຸດ Baidu0%Al，APS20M含有0.90%Al和 0.15%Mo，APS25含有0.60%Al和0.15%Mo及0.80% Ni。正 火后20 mm以下钢材的强度为：APS20A、APS20M的 σs≥310 MPa， σs ≥490 MPa；APS25的σs ≥590 MPa， σs ≥835 MPa；它们的耐海水腐蚀性能大大优于碳钢，在海 水中全浸46个月的对比腐蚀试验表明，为碳钢的2.18～3.23倍， 它们在焊接时不需要预热或焊后热处理，但以650℃消除应力 为宜；缺点是该钢有晶粒长大倾向，因此要防止过热，并且除 氩弧焊外，不能做到含Al均匀的焊缝；APS Cr-Al钢用于制造 船舶管道、海水制水设备、防波堤的护板、闸门、渡船、救生 艇、盐器设备等.
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海洋油气钻采平台用焊接低合金高强度耐海 水腐蚀用钢
海洋环境对钢的腐蚀情况非常复杂，目前还没有 一个低合金钢号能全面达到海洋环境的要求。目 前国外工业生产的低合金耐海水腐蚀用钢按成份 系列可分为:Ni-Cu-P系、Cr-Nb系、Cr-Cu系、CrAl系、Cr-Cu-Si系、Cr-Cu-Al系、Cr-Cu-Mo系、 Cr-Cu-P系、Cr-Al-Mo系等，以下介绍典型的钢 号。
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焊接性能要求
大型海洋结构物大多是管件，圆形构 架状的组合，形状变化大，往往需要 将数据组合的管子在应力集中处进行 焊接，并且大多在露天或海上作业条 件很差的情况下焊接，所以要求材料 有比舰船用钢更好的焊接性能和更便 于焊接操作的条件。
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海洋油气钻采平台等大型海洋结构物用金属材料。
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海洋油气钻采平台经常采用的焊接高强度结构用钢
屈服点为320MPa的AH32-EH32钢、屈服点为360MPa 的AH36-EH36钢、屈服点为390～690MPa级钢，如美 国的ASTM A537C1.2, A543,A633 Gr.E, A678 Gr.D, A710 Gr.C, A737 Gr.C，英国的BS436055E和55F，挪 威的NVF420和460，日本的KA43、47、51、56、63、 63N、70、70N、KD43、47、51、56、63、63N、70、 70N，KE43、47、51、56、63、63N、70、70N， KF43、47、51、56、63、63N、70、70N等。
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海土带中氧极少，所以腐蚀也最轻。
对部分埋在海底，部分裸露在海水中的钢结构， 由于氧的氧浓差电池作用，加快了埋在海土中的 部分钢的腐蚀。 在海土中，特别是在浅海海土中，由于从陆地上 流入的污染土中存在大量促进腐蚀的微生物，腐 蚀较为剧烈。
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冷加工性要求 一般船体结构用钢，即使是大型船舶 用钢，仅用30～50mm厚的钢板，但 海底石油采掘设备等大型海洋结构物 则需要用60～70mm，甚至更厚的钢 板，而且主要是进行冷加工，因此需 要钢板有更好的冷加工性能。
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固定平台结构用钢材的级别可根据构件类别、构件厚度和最小设计 温度按下表选用船用结构钢材。
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§5.2.1 海洋工程用结构钢
2、海洋工程用高强度结构钢：我国《海上移动式钻井船入级和建造规
范》将船用低合金高强度钢称为高强度船体结构用钢。 高强度船体用结构钢——有四个质量等级(A、D、E、F)和三个强度级别组合 高强度船体结构钢的化学成分
耐腐蚀性能要求
海洋结构物在海洋环境下将受到潮流、盐分、水 温、微生物等腐蚀影响，并且在海水中的不同部 位（海洋大气带、飞溅带、潮差带、全浸带和海 土带）受到的腐蚀情况不同。
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海洋大气带的腐蚀为海洋大气腐蚀
海洋大气中有大量含盐微粒的水气，加上雨、雾、 风速、相对湿度等气象因素，海洋大气腐蚀要比 其它类别的大气腐蚀严重。耐海洋大气腐蚀的有 效合金元素Cu、P、Si、Al、Mo、Cr等，其中效 果最显著的元素为Cu、P，不与海水直接接触的 海洋结构物部分可采用耐海洋大气腐蚀钢。
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海洋油气钻采平台等大型海洋结构物工况特 点和对金属材料的要求
海洋油气钻采平台等大型海洋结构物，处在风、 浪、流、海水腐蚀、甚至严寒的恶劣环境下工作， 特别在深海域，还受到海洋密度分层产生的内波 影响及水波流场和结构物相互作用的势流动力学 影响，因此往往具有特殊的结构形式，并且在材 料上提出了比船舶用钢更高的要求。
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潮差带和飞溅带同样也是腐蚀严重的部位
但由于潮差带的供氧情况比下部的全浸带好，在 潮差带和全浸带之间形成的氧的浓差电池，使潮 差带作为该电池的阴极而受到保护，使腐蚀的速 度和程度降低，提高钢在潮差带的耐腐蚀能力， 可选用与飞溅带相同的有效合金元素。
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飞溅带一般是指平均潮位受到波浪作用的上限部分 受到海水交替的干湿变化，溶解的氧量也比较多。 由于日光的照射使温度升高，再加上海面的污损 生物、浮油等的附着以及台风、流水等促进腐蚀 因素，所以腐蚀极为剧烈，是海水腐蚀环境中腐 蚀最严重的部位，其腐蚀速度可达到全浸带的好 几倍。 提高钢在飞溅带的耐腐蚀能力的有效合金元素P、 Cu、Mo、 Ni、Cr、Si、W、Ti等，效果最显著的 元素为P、Cu、Mo。
全浸带指潮差带与海底之间海水浸没的部分
全浸带由于上述氧浓差电池作用和海水流动造成金属上氧的 不均匀分布形成的氧浓差电池及海洋生物的作用，加上不同 的金属接触所产生的电化学腐蚀，所以除了金属的均匀腐蚀， 还会产生局部腐蚀或点蚀。 减轻材料在全浸带腐蚀的有效元素Cr、P、Al、Mo、Si等， 特别是Cr。 在深海，由于含氧量少，海水温度随水深而降低，海洋生物 附着减少，同时海水流速也减慢，所以腐蚀速度反较慢，合 金元素效果也变得不明显。
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一般强度结构钢的力学性能
一般强度结构钢供应状态
等级与厚度 A(所有厚度) B(所有厚度) D(厚度≤35mm) (厚度＞35mm) E(所有厚度) 供货状态 热轧,正火或控制轧制 热轧,正火或控制轧制 热轧,正火或控制轧制 正火 正火
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一般强度结构钢的化学成分
一般强度海洋工程用结构钢——分为A、B、D、E四个质量等级
钢材的质量等级主要是以对冲击韧性（夏比V型缺口试验） 的要求区分的。 A级为在常温(20℃)做冲击试验，冲击功 不低于27J 。 B级为在0℃做冲击试验，冲击功不低于27J 。 D级为在-20℃做冲击试验，冲击功不低于27J。 E级为在40℃做冲击试验，冲击功不低于27J。
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自升式、半潜式钻井船用结构钢根据构件类别、板厚和工作温度选用。
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为了防止层状撕裂，对关键构件应考虑采用Z向钢板，对于表面焊接板 材的重要构件建议采用Z向钢板，如重要构件未能采用Z向钢板而选用船 体结构钢时，对钢板应逐张进行超声波检查。
Z向钢板是以某一等级船体结构钢为基础，经过特殊冶炼和处理的钢材， Z向钢板除应满足母级钢的要求外，其含硫量和板厚方向的断面收缩率 也应满足表4-42要求。
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我国从1965年起开始研制耐海水腐蚀钢
试验钢号近200种，其中10Cr2MoAlRE、08PVRE、 09MnCuPTi、10MnPNbRE、10NiCuAs、 10CrMoAl等已通过鉴定，但除了少数用户因个别工 程需要订货外，尚未推广开来，应用少，产量也少， 多用在钢板桩、海水冷凝器、输海水管线、管桩、船 坞闸门等方面，尚未涉及大型的固定式和移动式海洋 结构物。
碳素结构钢 按化学成分 合金结构钢
低碳钢（ C≤ 0.25% ） 按含碳量 中碳钢（ C＝ 0.25-0.60% ）
高碳钢（ C＞ 0.60% ）
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碳素结构钢
1、海洋工程用一般强度结构钢
《海上移动式钻井船入级与建造规范》规定，船式、驳船式和坐底式 钻井船用一般强度结构钢材，应选用按船规规定的一般强度船体结构 钢，《规范》将一般强度结构钢分为A、B、D、E共4个等级。
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§5.2.1 海洋工程用结构钢
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美国的Mariner钢
Ni-Cu-P系的半镇静钢，其屈服强度和抗拉强度 分别为：355 MPa和490MPa以上，特点是在飞 溅带的耐海水腐蚀性能好，为普通碳素钢的2～ 3倍，即使在没有混凝土包履等防护措施的情况 下，也能长期的使用，而且很少发生点蚀。但 此钢中含P量较高（0.08～0.15%P），不适宜 厚度大于20 mm钢板的焊接，不能用于焊接的 海洋结构物，主要用作护堤、筑堤等用的钢桩。
哈尔滨工程大学船舶工程学院 Harbin Engineering University Shipbuilding Engineering College
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海洋工程材料(5)
苗玉刚
2015年12月
第5章 海洋工程中常用金属材料
一、海洋工程对金属材料的要求 二、海洋工程常用钢铁材料 三、海洋工程常用有色金属材料
等级 脱氧方法 C 化 学 成 分 /% Mn Si S P Al(酸溶) A 半镇静、镇静、 沸腾钢 ≤0.21 ② ≤0.35 ≤0.040 ≤0.040 ---B 半镇静、镇静钢 ≤0.21 ≥0.80 ≤0.35 ≤0.040 ≤0.040 D 全镇静细晶粒 （铝处理） ≤0.21 ≥0.60 0.10～0.35 ≤0.040 ≤0.040 ≥0.015 E 全镇静细晶粒 （铝处理） ≤0.18 ≥0.70 0.10～0.35 ≤0.040 ≤0.040 ≥0.015
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日本的Mariloy钢
该钢针对美国“Mariner” 钢P含量高、焊接性能差及 全浸带耐腐蚀性能差的问题而研制的耐海水腐蚀钢， 包括2个强度级别（σs≥400 MPa和σb≥490 MPa）， 三种不同海水部位（飞溅带、全浸带、飞溅带和全浸 带）的6个钢号，它们是钢中含P量≤0.03%的Cr-Cu系 低合金耐海水腐蚀钢，其中Mariloy钢P50的σs ≥325 MPa， σs ≥490 MPa，在飞溅带的耐腐蚀性能是普 通碳素钢的2倍左右，用于系船浮标、钢桩等，适用 厚度6～25mm。
海洋油气钻采平台等大型海洋结构物主要采 用钢质材料建造，大量使用的钢材是焊接高 强度结构用钢和焊接低合金高强度耐海水腐 蚀用钢，它们除了按各种船级社规范进行要 求外，常常还要求耐层状撕裂性能和焊接接 头的COD性能，比规范要求更为严格。
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海洋油气钻采平台用焊接高强度结构钢
对平台的本体结构物必须充分考虑结构是 否会因水压产生弯曲变形，并且在施工 时使用冷热加工及焊接接头必须满足疲 劳强度，通常采用抗拉强度为500MPa级 的正火型高强钢，钢板厚度通常不大于 130mm，不建议用调质型高强钢。
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硫含量和Z向性能的要求
（我国船舶检验局规定）
Z向性能（板厚方向的断面收缩率Ψz）
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强度和韧性要求
要求屈服强度高，特别是移动式平台， 要求采用400～690 MPa级高屈服强度 的钢材。 对韧性的要求高。 在寒冷地区，需要有足够的低温韧性。
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§5.2 海洋工程常用钢铁材料
碳钢
铸铁
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§5.2.1 海洋工程用结构钢
船体与海洋工程结构用钢需要经过冷、热加工，船航行中和海洋工程 结构工作中又受到海浪的冲击和海水、海泥、海洋大气的腐蚀。因此， 要求船舶与海洋工程用钢应具有高综合性能（良好的塑性和冲击韧 性），满意的可焊性和较好的耐海水、海泥、海洋大气腐蚀性能。