CTOD 性能优良的海工钢技术研发现状及发展方向

许 营 陈 妍

1.前言

近年来，随着能源需求的不断增加，海洋油气资源的开采区域向深海和低温区域扩展，海工钢向高强、高韧性方向发展，即以屈服强度460MPa以下为主体的钢材使用量向500MPa～690MPa增加。在要求-40℃～-60℃夏比冲击功的基础上还增加了对脆性断裂性能（即CTOD值）的要求。本文介绍了国内外海洋工程用厚板CTOD性能的研发情况，对具有优良CTOD性能的海洋工程用厚板技术发展概况以及研发思路进行梳理，找出技术发展特点，为海洋工程用厚钢板的研发和生产夯实基础，提供支撑。

2.CTOD特性优良的海工钢技术研发现状

2.1 国内外CTOD 海工钢供货级别

目前国内外可供货的CTOD海工钢品种见表1。可以看出，日本制铁公司、JFE公司对CTOD特性优良海工钢的研发处于领先地位，500MPa及以上级别的CTOD海工钢可以实现供货。

表1 国外可供货的CTOD海工钢品种

2.2 国外CTOD 海工钢基本研发思路

（1）JFE钢铁公司

JFE钢铁公司利用其独特的控制冷却技术Super-OLAC以及提高焊接热影响区韧性技术JFE-EWEL，生产出CTOD特性优良的海工钢。为了确保海工钢HAZ（焊接热影响区）具有优良的CTOD特性，JFE在生产中主要采用低C、低Ceq、适当添加Ni的成分体系，炼钢工序中，降低钢中的P、S、N，进行Ca-Ti处理或REM-Ti处理。见图1(1)。

图1 JFE提高HAZ韧性的基本思路

（2）日本制铁公司

日本制铁利用其独特的CLC-μ冷却技术和HAZ高韧性HTUFF技术，在保证焊接接头CTOD特性方面，已经开发出了Ti-N钢、Ti-O钢、Mg-O钢和Cu析出强化钢，其基本的成分体系为低Si和无Al，并且强调Ti-N最佳配比，从而减少MA岛形成以及避免TiC脆化。日本制铁提高HAZ韧性的主要措施包括降低HAZ硬度、减少脆化相以及HAZ晶粒细化。见表2。

表2 日本制铁提高HAZ韧性的基本思路

（3）POSCO公司

韩国POSCO的基本思路包括：（1）通过夹杂物形成致密的针状铁素体，同时抑制MA产生；（2）减少C、Si、Mn、Mo、Als、Nb等元素的添加量，减少MA产生；（3）加入Ni确保低温韧性；（4）焊后将HAZ再加热至200℃～650℃，降低硬度。

2.3 国外CTOD 海工钢研发实例

国外钢铁公司研发500MPa级、保证焊接接头-10℃CTOD性能的海工钢的典型化学成分（2-3）、力学性能见表3、表4。JFE开发的500MPa级CTOD海工钢的焊接性能见表5。

表3 国外钢铁公司500MPa级CTOD海工钢典型化学成分

表4 国外钢铁公司500MPa级CTOD海工钢典型力学性能

表5 JFE钢铁公司500MPa级CTOD海工钢焊接性能

3. CTOD特性优良海工钢的发展方向

3.1 CTOD 海工钢的发展特点

（1）品种系列化

从CTOD供货和研发情况看，国外CTOD特性海洋平台用钢板可成系列供货，先进钢铁公司焊接接头CTOD温度-10～-40℃的海工钢均可实现批量供货。

（2）独特的焊接热影响区韧化技术

国外钢铁企业都开发了自己独有的焊接热影响区韧化技术，如JFE公司的JFE-EWEL技术和新日铁公司的HTUFF技术等，在先进的TMCP技术的驱使下，实现了焊接接头优良的韧性。

（3）国内外差距明显

近年来，我国在海工装备用钢的生产方面取得了很大的进步，国产海工装备用钢被广泛采用。CTOD特性优良的海工钢的研究也越来越多，也形成了自己独有的技术特点。但无论从供货的系列化、产品性能稳定性以及实际应用角度，国内外同类产品还存在一定的差距。也没有类似国外钢铁企业的系统性理论研究。日本制铁、JFE目前均已经成功开发出符合NORSOK标准的500MPa级CTOD-10℃的低温韧性海工钢，处于世界领先地位。

3.2 研发发展方向

CTOD特性海洋工程用钢的具体研究方向体现在以下方面：

（1）研发向更高强度级别（550MPa以上）、更大厚度（100mm以上）、更低温度（-40℃以下）方向发展，并且随着钢板厚度的不断提高，沿板厚方向性能的均匀性成为研发重点，以确保海洋结构安全服役。

（2）研发从元素偏析、夹杂物形态和数量控制向钢板全厚度显微组织研究转变，在不增加贵重合金元素（如Cu、Ni、Mo等）前提下，通过合金组合设计优化和革新的TMCP工艺技术获得更好的组织匹配，从而得到更高的强韧性和更优良的焊接性。

（3）确保CTOD性能的前提下，具备止裂性等复合性能，并可实现大线能量焊接。

4. 结语

海洋油气开发由浅水区向深水区，由常规温和环境向极地高寒环境发展，推动了海洋石油平台的不断升级换代，对具有良好CTOD特性的低温韧性海洋工程用钢的需求量将不断增加，CTOD特性钢作为海洋工程用钢的重要品种，也将成为未来几年国内钢铁企业重点研发和生产的产品。