极地船舶用低温钢发展

极地船舶用低温钢发展·1·极地船舶用低温钢发展叶其斌刘振宇王国栋（东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，辽宁沈阳110819）摘要北极地区能源和贸易航线潜力受到越来越越多关注，促进了大型高技术极地运输破冰船舶的需求与发展，对满足极地服役条件的极地船舶用低温钢提出了更高的要求，具有优异低温韧性和易焊接性的更高强度级别极地船舶用低温钢是发展趋势。然而目前缺乏专门的极地船舶材料国际规范，极地船舶建造只能采用现有规范中的钢级。实船调查显示目前低温断裂评价准则与极地服役条件存在着明显的差距。我国完全具备自主开发极地船舶用低温钢的装备条件与技术研发能力,但与俄罗斯、日本、韩国、芬兰等极地船舶用低温钢领先水平相比有着明显的差距。建议采用低碳当量成分设计的新TMCP工艺技术路线，应用纳米相强韧化理论和适合大线能量的冶金技术研究成果，重视配套焊材与工艺开发，建立极地服役环境下的低温钢安全断裂评价准则。关键词极地用钢，低温韧性，极地准则，北极开发AbstractThegreatpotentialofenergystorageandshippingrouteinArcticOceandrawsmoreandmoreinterest,whichenhancesthedemandanddevelopmentoflargehigh-techbusinessicebreaker.Thisrequiresarcticsteelswithhigherperformancetoservesafelyinextremeharshenvironment.Higherstrengthgradesteelswithexcellentcryogenictoughnessandweldabilityarerequiredtoconstructpolarshipsinthefuture.However,theabsenceofinternationalspecificationonarcticmaterialsmakesthatthesteelgradesspecifiedbythecurrentrulesofclassificationsocietieshavetobeusedinconstruction.Theinvestigationonice-breakersshowsthatthecurrentcriterionoftoughnessatlowtemperatureisnotsuitabletoevaluatetheperformanceintherealserviceconditionsofarcticsteels.Eventhoughequipmentandtechnologyofsteelmanufacturehavethecapabilitytodeveloparcticsteels,thereisacleargapbetweenChinaandworldleadingcountries,suchasRussia,Japan,Korea,andFinland.ItthussuggeststhetechnologydevelopmentofarcticsteelsemployingnewTMCProutebasedonlowCeqalloyingdesignincombinationwithnano-phasestrengtheningmechanismandmetallurgyprogressforhighheatinputwelding.Moreover,thesuitableweldingconsumablesandprocessarebothimportanttobedeveloped.Finally,thesafetycriterionshouldbeimprovedtoevaluatethesteelperformanceinrealarcticconditions.Keywordsarcticsteel,cryogenictoughness,polarcode,arcticdevelopment1引言随着常规可开采油气能源逐渐枯竭，北极地区丰富的能源储量受到越来越多关注。2008年美国地质勘探局完成的调查显示北极圈内石油、天然气和液化天然气储量分别达到900亿桶、47万亿立方米和440亿桶，约占全世界未探明能源总量的22%[1,2]。同时，全球温室效应使北极升温加剧，海冰覆盖面积持续快速减少[3]，越来越有利于资源开发与船舶航行。近年来俄罗斯和北欧国家明显加快了北极的油气勘探与开发。2014年，俄罗斯国家石油公司在北极卡拉海域发现了储量高于墨西哥湾油田的超大型油气田就是一个明显的标志[4]。另外，近几年通过北极航行的船舶和货运量大幅增加，预计未来还将呈快速增长趋势。据统计，2013年有71条船和136万吨货物通过北极航线；预计到2020年，北极航线船舶货运量将增至6500万吨，到2030年将达到1.2亿吨[5]。DNV船级社预计2030年将有140万标准集装箱约480条集装箱船通过北极航线运输，到2050年将增加到250万标准集装箱约850条集装箱船[6]。北极能源与航线开发对保障我国能源多元化供应安全和海上贸易安全具有重要的现实意义。2014年我叶其斌，男，博士后，从事高强钢研究，[e-mail]·2·第十届中国钢铁年会暨第六届宝钢学术年会论文集国进口原油达3.08亿吨，对外依存度接近60%[7]。预计到2020年我国石油进口量将达到4亿多吨，到2040年中国能源消耗将是美国的2倍和印度的4倍[8]。目前我国石油进口主要来源为中东国家，传统能源运输航线安全面临着地缘政治和海盗等威胁，北极能源开发将有利于保障能源供应的多元化。此外，目前我国到欧洲和北美东部的传统海运航线必须绕道巴拿马和苏伊士运河，如果开通北极航线，上海以北港口到欧洲西部、北海、波罗的海等港口航程将缩短25%~55%[9]，具有明显的成本优势。据估算利用北极航线我国航运成本将降低15%~37%，到2020年可节省航运成本553亿~1274亿美元[9]。北极航线开通将为中欧贸易提供一条快捷的新路线，对保障我国海上贸易安全具有重要意义。近年来，我国加快了参与北极活动的步伐，并取得了重要进展。2013年，中国成为北极理事会正式观察员国；同年3月，中石油与俄罗斯石油签署了在巴伦支海和伯朝拉海3个油田的勘探作业协定；2013年8月，中远集团所属货轮“永盛”号实现了中国商船首次通过北极航线从大连港到荷兰鹿特丹港，较传统航线缩短了9天时间[10]；2014年5月，中俄签署的《中俄联合声明》明确提出改善中方货物经北极航道过境运输条件；2014年7月，中国与冰岛签订的自由贸易协定正式生效，中海油获得冰岛海域油气勘探许可证；2014年9月，我国首次正式出版《北极航行指南》。然而，我国参与北极活动还面临着许多挑战。一方面，极端恶劣条件对极地船舶提出了苛刻的技术要求，国际海事组织（IMO）和国际船级社协会（IACS）发布了相关准则和要求作为极地水域航行船舶必须遵守的国际公约[11,12]，而我国仅有科考破冰船“雪龙”号满足要求，远不能适应极地活动任务。另一方面，我国缺乏极地船舶设计和制造经验，新一代科考破冰船项目还只能采用国外设计方案[13]，在多功能高技术极地船舶领域几乎是空白，使我国参与北极能源开发和通过北极发展贸易受到严重制约。极地船舶建造离不开适应极地恶劣服役环境的低温用钢等关键材料，高强度、高低温韧性及易焊接的高性能钢材是极地船舶安全航行的基本保障。然而，我国尚未开展极地船舶用钢及其应用评价等关键技术研究，自主发展极地船舶面临着关键结构材料缺乏的制约。本文从极地船舶国际规范及极地船舶发展需求出发，介绍国内外极地船舶用低温钢发展现状，提出了我国开发极地船舶用低温钢的技术发展建议。2极地船舶规范发展极地船舶长期面临超低温的恶劣服役环境，加上极地生态环境脆弱，因此其结构安全性能要求非常严格，船舶设计、材料、建造和配套技术都有特殊的要求。IMO海上安全委员会2014年通过了《国际极地船舶水域作业规则》[14]，而IACS也于2006年发布的《极地船级统一要求》（IACSUR）[12]。IMO还分别于2002年和2009年发布了《在北极冰覆盖水域内船舶航行指南》和《在极地水域内船舶航行指南》[15]。IMO规则和IACS指南构成了极地船舶设计、建造及航行作业的主要国际性公约，其中IMO规则明确提出了极地船舶必须采用适应极地环境的结构材料及建造工艺，以防止发生因脆性断裂而导致的船体结构失效事故[16]，而IACSUR对极地船舶分为PC1~PC7七级附加标志，对应船舶在极地适航区的不同冰况要求，其中PC1船级为昀严重冰况航行，适合全年在北极所有海域航行[12]。IACSUR规定了各级冰区船舶结构用材料分为I、II和III三类，如表1和表2所示[12]，昀高级别是50mm的FH高强钢，即要求−60℃的冲击韧性。各国船级社在IACSUR基础上编制了各自的极地船舶规范[17]，规定了各级极地船舶的强度设计要求以及所用材料级别，技术要求与IACSUR基本一致，比如ABS规范昀低−40℃服役环境设计要求用钢满足昀低−60℃的冲击试验和断裂性能要求，还允许使用经过认证的屈服强度410~690MPa级别超高强钢，根据服役条件从−30℃到昀低−60℃的冲击功要达到34J以上[18,19]。列出了DNV和BV两个船级社规范中的钢级及要求。中国船级社CCS在2009版《钢质海船入级规范》也首次把极地航行船舶规定编入规范中[20]。目前极地船舶规范以船级社规范钢级要求为依据进行选材，尚无专门的极地船舶材料规范。而现有船级社规范钢级以冲击试验温度进行定义，昀高级别为-60℃冲击温度的F级，这能否应用于评价极地船舶所承受冰层的动态、连续冲击载荷及温差变化大的苛刻条件尚未可知。根据英国LR船级社对近700条极地船舶极地船舶用低温钢发展·3·长达40年的跟踪调查，57%极地船舶在平均13年船龄后船体钢结构出现裂纹或断裂现象[21]。这表明现有现有规范中对断裂安全性的评价准则不能反映极地船舶服役环境，未来极地船舶规范发展应考虑以下工况条件对材料的影响：（1）极地昀低-70℃的服役环境温度已经低于目前昀高级别钢材的-60℃低温韧性的评价温度；（2）冬夏及水面水下巨大温差引起的结构材料体积变化可能产生巨大的结构应力而造成船体钢结构断裂；（3）冰层连续冲击致使船体产生低温疲劳和低温塑性变形；（4）远离补给基地的长距离航行使用更高强度钢减重带来的止裂性能下降。表1极地船舶结构构件材料级别[12]结构构件材料级别首部区和首部过渡区范围内的船体冰带区船体外板II及以上所有露天和暴露于海水中的次要和主要构件，船中0.4L以外结构构件I及以上首柱及尾框架、挂舵臂、舵、螺旋桨导流管、尾轴架、冰尾鳍、冰刀及其他受冰载荷冲击的船体附件板材料II及以上与露天和暴露于海水中的板材连接的所有舷内骨架构件，包括任何距离外板600mm以内的相邻船体构件I及以上货舱区域内的露天板材及其附连骨架，该货舱为因货物自然特性在寒冷天气作业期间必须打开起货舱舱口I及以上所有露天和暴露于海水中的特殊类，位于FP0.2L范围内的结构构件II及以上表2极地船舶水面之上结构用钢级别要求[12]I级材料II级材料III级材料PC1-5PC6&7PC1-5PC6&7PC1-3PC4&5PC6&7厚度t/mm普碳高强普碳高强普碳高强普碳高强普碳高强普碳高强普碳高强t≤10BAHBAHBAHBAHEEHEEHBAH10t≤15BAHBAHDDHBAHEEHEEHDDH15t≤20DDHBAHDDHBAHEEHEEHDDH20t≤25DDHBAHDDHBAHEEHEEHDDH25t≤30DDHBAHEEHDDHEEHEEHEEH30t≤35DDHBAHEEHDDHEEHEEHEEH35t≤40DDHDDHEEHDDHFFHEEHEEH40