进入２１世纪，中国船舶及海洋石油工业迎来了高速增长的新时期，成为中国国民经济发展的重要支柱。就船舶行业而言，据英国克拉克松 研 究 数据表明，２０１０年中国造船完工量、新接订单量、手持订单量分别 占 据 世 界 市 场 份 额 的４１.９％、４８.５％、４０.８％，均位居世界第一，中国成为世界造船中心。
在海洋石油工业领域，“十一五”期间，中国海上油气开发投入１２００亿 元 人 民 币，建 设 了１５个 海 洋 油 气田，７６座平台、６座 ＦＰＳＯ，铺设了１４００多公里海底管线，２０１０年 海 洋 油 气 产 量 实 现 了５０００ 万ｔ油 当量。仅根据中海油规划，“十二五”期间将新建５０００万ｔ油当量产能。预计“十二五”、“十 三 五”海 洋 石油工业投入将分别达到６７００亿元和９５００亿元人民币，其中仅海洋工程装备市场投资将达到２５００亿～３０００亿元人民 币。目前中国船厂能建造国际航运界所需船型的９５％左右，包括１７.５万ｔ散货轮、３０万ｔ超大型 油 轮（ＶＬＣＣ）、３０万ｔ浮式生产储油船（ＦＰＳＯ）、８５３０ 标 箱 第 ６ 代 集 装 箱 船、１４.７ 万 ｍ３ＬＮＧ 船、１２２ｍ 自升式钻井平台ＪＵ２０００等，目前已有９座３０万ｔ级造船船坞，并 在 规 划５０万ｔ级 和１００万ｔ级船坞。
船舶及海洋石油工业的飞速发展对造船及海洋工程用钢提出了迫切需求。为适应船体高效化的建造需求，对船板钢提出了１００～５００ｋＪ／ｃｍ 的大线能量 焊 接 要 求，从而实现了船板钢的一次焊接成型；为提高船体运行安全性，延长钢材使用寿命，对压载舱、货油舱船板钢提出了耐腐蚀的要求，提高运行寿命的同时降低了维护成本；大型船体建造提出了４３号 大 规 格 的 Ｄ４０球 扁 钢 的 需 求，突 破 了传统型钢生 产 开 发 的 极 限；自 升 式 海 洋 平 台 桩腿构件需要１２７～２１０ｍｍ 厚高强度特厚板，突破了中厚板生产厚度规格极限；油气储运设备提出了超低温用钢铁材料，最低使用温度达到－１９６℃，服役环境极为苛刻。在此基础上，根据液化 天然 气 （ＬＮＧ）、液 化 石 油 气 （ＬＰＧ）、液 化 乙 烯 气（ＬＥＧ）等低温油气的不同使用温度要求，研制开发了 Ｎｉ的质量分数分别为９％、５％或３。５％等 Ｎｉ系低温钢。总之，高强度、高韧性、易焊接性、良好的耐腐蚀性以及大厚度、大规格化是船舶及海洋工程用钢的发展方向。
但是，中国和世界上先进的船舶制造及海洋工程装备设计制造技术相比，还存在很大差距。在中国船企建造的船舶中，６０％～７０％主要以低技术含量的散货船为主，高技术含量的钻井船及液化天然气船等承接量少。在海洋工程装备领域，国外深水钻探最大水深已达３０９５ｍ，中国为１４８０ｍ。国外已开发油气田最大水深为２７４３ｍ，中国为３００ｍ，其中自主开发的装备采油能 力 不 大 于２００ｍ 水 深，与 国外 有 近 １０ 年 的 距 离。 南 中 国 海 水 深 在 ５００～２０００ｍ，中国目前还不具备在这种海域进行油气勘探和生产的装备技术。为此，必须要开发一系列高新技术和产品作为支持，而系列高品质船舶及海洋工程用钢的开发是其重要组成部分，它将为推进中国船舶工业及海洋石油工业的发展，保障中国能源、运输等行业的安全奠定良好的基础。
１ 造船及海洋工程用钢的研究进展
钢 材 是 造 船 及 海 洋 工 程 结 构 建 造 的 主 要 原 材料，占 据 了 船 体 及 海 洋 工 程 建 造 成 本 的 ２０％ ～３０％。涉及的钢材品种主要包括钢板、型钢（船用球扁钢、Ｈ 型 钢、角 钢 等）、铸锻钢以及配套焊接材 料等。其中船体建造耗用钢材量约占全船质量的６０％左右，其中板材又占８８％左右。
高强度、高韧性是造船和海洋工程用钢的基本要求。早期大型船体结构多采用２３５ＭＰａ级 以 下的钢板，随着船体结构的安全性要求的不断提高，船用钢板的强度在逐步提高，由２３５ＭＰａ逐步升级到３１５ＭＰａ以及３５５ＭＰａ，钢的质量等级也从 Ａ 级 提高到 Ｅ级甚至 Ｆ级。到２０世纪９０年代，随着船舶的大型化、轻量化和高速化的要求，日本和欧洲率先开发出屈服强度 为３９０ＭＰａ级 的 ＴＭＣＰ 型 高 强 船板（ＹＰ４０Ｋ），主要用在船体受应力比较大的舷侧舷缘顶板和强力甲板上。目前，在大型散装货船和集装箱船中，３９０ＭＰａ级的高强度钢已占主导地位，ＴＭＣＰ工艺生产的船体钢的强度级别已经达到５５０ＭＰａ级以上，在海洋平台等大型海洋结构 中 获得广泛应用。海洋工程中自升式钻井平台的桩腿结构，如齿条板、半圆板和无缝支撑管等部位，均要求屈服强度６９０ＭＰａ以上的高强度低合金钢，同时对低温冲击韧性的要求也极为苛刻，即使在普通工况条件也要求考核－４０ ℃（Ｅ级）的低温冲击性能，在寒冷或极寒条件下考核－６０℃（Ｆ 级）甚 至－８０℃的低温冲击性能。而一些低温油气储运用钢对低温冲击性能的要求更为苛刻，如储存 ＬＮＧ 的９Ｎｉ钢要求考核－１９６℃的低温冲击功达到１００Ｊ以上，储 运 ＬＥＧ 的 ５Ｎｉ 钢 也 要 求 考 核 －１２０℃ 冲 击功。
焊接性也是船体结构钢关注的重点问题之一。２０世纪３０年 代 以 前，船体结构大都采用铆接或螺栓连接。第二次世界大战前后，焊接技术开始普遍应用在船体结构上，对船体钢的焊接性和焊接工艺也提出了越来越高的要求。焊接时，钢板的焊接热影响区 ＨＡＺ必 须 经 受 高 温 热 循 环，这 很 容 易 引 起钢板 ＨＡＺ的组织粗化，显着降低 ＨＡＺ的韧性。特别是近几年 来，为 降 低 建 造 成 本、提 高 造 船 的 生 产率，造船厂强烈要求采用大线能量焊接。国外广泛采用１００～５００ｋＪ／ｃｍ 大线能量焊接。为此，各国开发了一系列大线能量焊接船体钢，如日本于２０世纪８０年代初期研制的 ＹＰ３３５钢、９０年代中期研制 的ＹＰ３９０和目前正在研制的 ＹＰ４６０钢等。
船舶及海洋工程结构的耐腐蚀性近年来越来越受到人们的关注。近年来，国际海事组织（ＩＭＯ）先后通过了压载舱涂层防护标准（ＰＳＰＣ）以及货 油 舱用耐腐蚀钢性能标准（ＭＳＣ８７），这使得相关的研究工作变得更加紧迫。在压载舱环境下，船板钢经受高温、高湿以及 Ｃｌ－ 的共同侵蚀，尤其在压载舱的潮差部位船板钢发生严重的局部腐蚀。ＪＦＥ钢铁开发出了可抑制船舶压载舱涂膜劣化的新型高耐腐蚀性压载舱 用 钢“ＪＦＥ－ＳＩＰ－ＢＴ”。由 于 找 到 可 抑 制 涂 装后涂膜劣化的元素，提高了基于腐蚀生成物的钢材保护性能，可将涂膜膨胀及剥离等涂膜的劣化速度减慢到原钢材的一半左右。新日铁等通过提高钢材的纯净度，添 加 Ｎｉ、Ｃｕ、Ｗ、Ｍｏ等 耐 蚀 合 金 元 素 的方法研制开发的 Ｄ３６货油舱用耐腐蚀钢，将船体结构的使用寿命从１５年提高到２５年，开发的货油舱用耐腐蚀钢腐蚀速率约为传统钢的１／４。
厚度规格也是船体钢技术水平的重要标志之一。虽然一般船体结构中对船体钢厚板规格最多要求到４０ｍｍ，但中国新的船体钢标准 ＧＢ７１２-２０１１已将规格上限扩大到１５０ｍｍ，厚规格船体钢主要用于海洋平台等大型海洋结构中。自升式钻井平台的桩腿用齿条板，其厚度普遍 大 于１００ｍｍ，目 前 的 主力型号ＪＵ２０００齿条板一般采用１７８ ｍｍ 厚 钢 板。
厚规格船板和平台用钢重要的性能指标之一是抗层状撕裂性能。由于轧制变形量较小以及铸坯偏析的影响，厚板 Ｚ 向（即 厚 度 方 向）性能一般显着低于纵、横向性 能。ＧＢ５３１３-２０１０对 有 厚 度 方 向 性 能要求的钢板进行了规定，其中最高级别的 Ｚ３５钢要求断面收缩 率 大 于 等 于３５％。大 型 船 体 结 构 不 仅对钢板提出了厚规格要求，也对船用型钢提出了厚规格 要 求。３０万ｔ级大型船舶舭龙骨部位要求 使用４３ 号 大 规 格 Ｄ４０ 球 扁 钢，腹 板 厚 度 最 大 达２０ｍｍ，是目前研制型钢中强韧性要求最高、截面尺寸最大的型材。型材一般采用孔型轧制生产，由于道次变形量低、终轧温度高、轧后无法实现快冷等特点，因此大规格高强度型钢较钢板技术难度更大。
船舶用钢板应具有良好的止裂特性。近 年 来，散装货船的破损事故和巨型油轮（ＶＬＣＣ）的触礁事故不断增多，除从设计上进行改进外，在造船用钢方面，则要求船的碰撞和触礁产生较大塑性变形（１０％）时，造船用钢板必须具有良好的抗脆性裂纹传播的止裂 特 性。采 用 ＴＭＣＰ 工 艺 可 生 产 出 表 层具有超细晶粒组织的钢板，厚度方向性能均匀，具有良好的阻止脆性裂纹扩展的能力。这种船板钢已成功地用于石油液化气（ＬＰＧ）船和散装货船剪切应力最大的部位。随造船工业的发展，船舶对止裂钢板的需求将越来越多。
２ 高品质造船及海洋工程用钢开发
２.１ 大线能量焊接船板钢
采用“氧化物冶金”的技术思路开展了大线能量焊接用钢的 研 究 开 发 工 作。研 究 了 Ｔｉ处 理、Ｚｒ处理、复合 Ｔｉ－Ｍｇ处理、复合 Ｔｉ－Ｚｒ处理对船体钢大线能量焊接性的影响。对试验钢进行２０～２００ｋＪ／ｃｍ的焊接热模拟试验，焊接热模拟最高加热峰值温度１３５０℃。结果 表 明，Ｔｉ－Ｍｇ、Ｔｉ－Ｚｒ复 合 处 理 后，钢中获得了大量细小的复合含 Ｔｉ氧化物粒子（图１），其直径约１～２μｍ。比较各种脱氧处理条件下焊接热影响区的低温韧性可以看 出（图２），普 通 未 进 行任何处理的 Ｃ－Ｍｎ钢焊后热影响区的整体低温韧性水平较低，其中线能量 Ｅ 大 于５０ｋＪ／ｃｍ 时，低 温 韧性显着降低，仅为１０Ｊ左右。经过不同合金脱氧处理后模拟焊接粗晶区的低温韧性显着提高。其中经Ｔｉ－Ｍｇ处理（低 Ｍｇ）后粗晶区的低温韧性水平最高，各种线能量下的低温冲击值均在３００Ｊ以上，且随线能量的变化不敏感。对比焊接热影响区的组织（图３）可以看出，Ａｌ处理钢中主要得到大量平行排列的侧板条铁素体组织，Ｔｉ－Ｍｇ复合处理钢中主要得到大量交错排列的晶内铁素体组织。采用 Ｔｉ－Ｍｇ复合脱氧处理的方法，在工业大生产条件下研制开发了１００～２４０ｋＪ／ｃｍ 大线能量焊接用钢，钢板最大厚度为８０ｍｍ。
２.２ 油船货油舱用耐腐蚀钢
深入分析了船板钢在货油舱上甲板、内底板环境下的腐蚀行为，研究了提高船板钢耐蚀性的不同技术思路。通过不同的耐蚀合金设计，研究了多种合金元素对船板钢在货油舱腐蚀环境下的耐蚀性。图４为３种不同合金元素对腐蚀速率的影响规律。从研究结果可以看出，在内底板腐蚀环境下，微量合金元 素 对 船 板 钢 的 耐 蚀性存在显着影响。添 加０.１％以上的 Ｂ和 Ｃ耐蚀合金元素可以使腐蚀速率显着降低到 原 来 的１／４～１／３。观 察 腐 蚀 后 的 形 貌（图５）可 以 看 出，在ＩＭＯ 货 油 舱 内 底 板 腐 蚀 环 境下，传统钢表面主要形成大量直径大而深的腐蚀点蚀坑，而开发的耐蚀钢表面只出现少量小而浅的点蚀 坑，点蚀坑的深度／直径比显着降低。根据上述结果研制开发的工业钢（ＮＳＤ３２、ＮＳＤ３６）内底板腐蚀速率均低于１ｍｍ／ａ的标准腐蚀速率要求（图６），其中 ＮＳＤ３６钢腐蚀速率最低可以达到０.３８ｍｍ／ａ的超低水平，约为传统钢的１／１３。
２.３ 大规格船用球扁钢
综合利用新型的钒氮微合金化设计＋碳氮化钒控制析出 轧 制 工 艺（ＰＣＲＰ），集 成 创 新 开 发 出 高 韧性、大 规 格 船 用 球 扁 钢 品 种 技 术。依 靠 奥 氏 体 中 析出的碳氮化钒促进晶内铁素体形核（图７），显 着 地细化了最终的铁素体晶粒尺寸，获得显着的细晶强化效果。同时，依靠铁素体中弥散析出的碳氮化钒的析出强化作用，显着提高钢的强度。利用上述技术思路，可以在传统孔型轧制条件下研究开发出屈服强度３５５、３９０、４４０ＭＰａ级 系 列 高 韧 性 船 用 球 扁钢品种。其中研 制 开 发 的 Ｄ４０极 限 规 格４３号（边长４３０ｍｍ、腹板厚 度２０ｍｍ）热轧船用球扁钢屈服强度高于４１０ＭＰａ，－４０℃冲击功达到２００Ｊ（图８）。高韧性、高强度、大规格船用球扁钢的开发解决了高韧性舰船用球扁钢品种技术难题，满足了中国船体建造的需要。
２.４ 海洋平台特厚齿条钢
随着海洋石油工业的深入开展和钻采难度的加大，对自升式钻井平台用齿条钢提出了大厚度、高强度、高韧性的发展要求，这类产品一般使用调质热处理状态交货。但是，随着齿条钢厚度的增加，截面厚度方向上组织、性能差异增大，提高特厚齿条钢的淬透性成为这类产品开发的难点。研究了不同合金元素复合处理对齿条钢淬透性的影响，结果表明，采用微 Ｂ＋固 Ｎ 元素的复合处理可以在获得良好强韧性的条件下大幅度提高齿条钢的淬透性（图９（ａ））。同时，采用微 Ｔｉ处理或稍过量的 Ａｌ处理，均可使微量Ｂ的固溶比例达到５０％以上（图９（ｂ）），且偏聚于奥氏体晶界处，有效地延缓了高温相变，显着提高齿条钢的淬透性。
采取 上 述 合 金 优 化 思 路，工业生产获得了截面均匀 的 淬 透 组 织 和 良 好 力 学 性 能 的 特 厚 齿 条钢。对 于 １５２ｍｍ 厚 的 齿 条 钢，即使在钢板的心部，淬火冷 却 速 率 仅 为１℃／ｓ左 右，通 过 上 述 合 金设计和工 艺 配 合，也可获得以马氏体 ＋ 下 贝 氏 体为主的显微 组 织（图１０），基于该思路开发的齿条钢和国内 外 先 进 技 术 相 比，具 有 较 高 的 强 韧 性 水平（图１１）。
２.５ ９Ｎｉ低温钢
随着 ＬＮＧ 工业的迅猛发展，９Ｎｉ低 温 钢 的 研究和 开 发 热 度 持 续 升 温。ＬＮＧ 的 储 存 温 度 为－１６３℃，要求 ＬＮＧ 储罐内壁 用９Ｎｉ钢，具 有 较 高的强度、良 好 的 低 温 韧 性 和 较 小 的 波 动。研 究 发现，采用 ＱＬＴ热处理（在 ＱＴ调质处理中增加一道两相区 淬 火），可在强度略微降低的情况下，显 着提 高９Ｎｉ钢 的 低 温 韧 性，同 时 大 大 扩 展９Ｎｉ钢 的 热处理工艺窗口，提高９Ｎｉ钢的性能稳定性（图１２）。
进一步研究显示，９Ｎｉ钢的良好低温韧性与 其中形成的一定含量的逆转变奥氏体有密切关系（图１３）。在９Ｎｉ钢中形成５％～１５％左右的、热稳定性高的逆转变奥氏体，可韧化马氏体基体，在受载变形过程中吸收能量，提高相变诱导塑性能力。在一定范围内，９Ｎｉ钢的逆转变奥氏体含量越高，低温韧性越好。
９Ｎｉ钢逆转变奥氏体的形成和稳定性，与 Ｃ、Ｎｉ、Ｍｎ等奥氏 体 稳 定 元 素 的 显 着 富 集 具 有 密 切 的关系（图１４）。理论计算和试验结果显示，采用适当的工艺处理，９Ｎｉ钢中 Ｃ、Ｎｉ、Ｍｎ元素的质量分数最高可分别达到０。５％、２５％和２％左右，使热处理过程形成的奥氏体可稳定保持到室温，即使冷却至液氮温度也不发生转变。逆转变奥氏体的控制技术，也是改善和提高９Ｎｉ钢低温断裂韧性尤其是止裂韧性的关键工艺技术之一。
３ 结语
高技术船舶及海洋工程的国产化是建立在高端材料和技术大量依赖进口的背景之上的。要实现中国成为世界造船强国的战略目标，还有大量关键技术需要突破，其中的核心问题之一就是高品质造船及海洋工程用钢的研发和推广应用。
船舶及海洋石油工业的飞速发展给造船及海洋工程用钢提出了高强度、高韧性、大线能量焊接及耐腐蚀性的要求，同时还需要具备大厚度及大尺寸规格的要求。采用 Ｍｇ－Ｔｉ复合处理技术，开发出了适合１００～２００ｋＪ／ｃｍ 的 大 线 能 量 焊 接 船 体 钢，其 在２００ｋＪ／ｃｍ 的大线 能 量 焊 接 时，焊接热影响区粗晶区－２０℃冲击 功 高 达３５０Ｊ。通 过 超 纯 净 度 冶 炼 及添加增加耐蚀性能合金元素的方法开发出了 ＮＳ－Ｄ３２及 ＮＳ－Ｄ３６船板 钢，在下底板环境下的腐蚀速率仅为传统 钢 的１／１３。采 用 钒 氮 微 合 金 化＋碳 氮化钒控制析出轧制工艺开发出了性能优异的４３号极限大规格 Ｄ４０球扁钢。此外，齿条钢已由过去的１００、１２７ｍｍ 发展为 主 力 船 型 用 的１７８ｍｍ，并 逐 步增加２１０ｍｍ 齿 条 钢 的 使 用，个 别 工 况 的 最 大 厚 度达到２５９ｍｍ。服役工况更为苛刻，强韧性匹配的要求也更高。油气储运设备的大型化趋势也使用户对Ｎｉ系低温钢的安全裕量的考核更加重视。２０万 ｍ３和２５万 ｍ３ 巨型 ＬＮＧ 储罐的设计和建造促进了超级９Ｎｉ钢 的 研 究 和 开 发，产 品 厚 度 达 到 ５０ｍｍ 以上，在保持强度水平的情况下，—１９６℃的冲击功由１５０～２２０Ｊ提高至２５０Ｊ以上，—１６３℃的 ＣＴＯＤ 值达到０.３ｍｍ 以上。