基于IMO標(biāo)準(zhǔn)的船用耐蝕鋼應(yīng)用技術(shù)研究綜述講解

基于IMO標(biāo)準(zhǔn)的船用耐蝕鋼應(yīng)用技術(shù)研究綜述摘要：2010年5月國際海事組織（IMO）通過的《原油船貨油艙保護(hù)涂層性能標(biāo)準(zhǔn)》和《原油船貨油艙替代防腐措施性能標(biāo)準(zhǔn)》于2014年1月1日強(qiáng)制執(zhí)行，鑒于日本在這方面有一定的技術(shù)優(yōu)勢，其正在中國設(shè)置專利障礙，船用耐蝕鋼的國產(chǎn)化成為極為緊迫的一項任務(wù)。船用耐蝕鋼的研發(fā)不僅關(guān)系我國船舶行業(yè)的發(fā)展問題，而且對我國船舶行業(yè)提升產(chǎn)業(yè)水平和國際競爭力有很大的影響。國產(chǎn)船用耐蝕鋼的研制將有效打破國外耐蝕鋼技術(shù)對我國鋼鐵、船舶行業(yè)造成的技術(shù)壁壘。本文基于IMO相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以油船貨油艙為研究對象，就國內(nèi)外船用耐蝕鋼耐蝕性、焊接性能等研究方面進(jìn)行歸類總結(jié)。探索船用耐蝕鋼的應(yīng)用技術(shù)的推廣發(fā)展與前景。1．引言貨油艙由于原油成分的多樣性和含有多種酸性腐蝕介質(zhì)造成的腐蝕，是原油船舶運(yùn)行中常見的腐蝕問題，嚴(yán)重的腐蝕不僅會大大縮短船體壽命，甚至威脅到船舶運(yùn)輸?shù)陌踩?。目前船體腐蝕問題受到越來越多的關(guān)注，已成為制約船舶發(fā)展的關(guān)鍵問題，同時也是各國提高自身船舶競爭力的有效著眼點(diǎn)。解決船板腐蝕問題的傳統(tǒng)方法是使用涂層材料，和節(jié)能要求的不斷提高，國際海事組織（等10個關(guān)鍵方面的技術(shù)要求有明顯的提高。耐蝕鋼船板的替代方案。目前日本已在耐蝕鋼環(huán)保每2——解決船板腐蝕問題的傳統(tǒng)方法是使用涂層材料，和節(jié)能要求的不斷提高，國際海事組織（等10個關(guān)鍵方面的技術(shù)要求有明顯的提高。耐蝕鋼船板的替代方案。目前日本已在耐蝕鋼環(huán)保施。2010年施。2010年5月，國際海事組織（IMO）海條）、《原油船貨油艙保護(hù)涂層性能標(biāo)準(zhǔn)》和（SOLAS）公約》框架內(nèi)的強(qiáng)制性要求，52次會議批準(zhǔn)了耐蝕鋼作為涂層替代保護(hù)措DE（IMO船舶設(shè)計與設(shè)備分委會）第上安全委員會第87屆會議通過了“原油船貨油艙腐蝕防護(hù)”SOLAS修正案（II-1/3-11《原油船貨油艙替代防腐措施性能標(biāo)準(zhǔn)》（即耐蝕鋼性能標(biāo)準(zhǔn)），成為《國際海上人命安全并于2014年1月1日正式實施。耐蝕鋼已成為IMO油船貨油艙涂層標(biāo)準(zhǔn)唯一的替代方案。耐蝕鋼技術(shù)的推出不僅對造船界的影響舉足輕重，也將對鋼鐵等相關(guān)行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[1-2]52次會議批準(zhǔn)了耐蝕鋼作為涂層替代保護(hù)措3．日本船用耐蝕鋼研究現(xiàn)狀目前耐蝕鋼的研制主要是通過加入合金元素，得到有利的組織和形成良好的保護(hù)膜，以此來提高材料的耐蝕性能。低合金高強(qiáng)耐蝕鋼是在普通低合金高強(qiáng)鋼的基礎(chǔ)上添加幾種耐蝕性元素而得到的。一般情況下，低合金高強(qiáng)耐蝕鋼的強(qiáng)度和耐蝕性要強(qiáng)于普通低合金高強(qiáng)鋼和碳素鋼，但強(qiáng)度和耐蝕性提高的同時，韌性和焊接性會變差。因此，如何提高耐蝕鋼強(qiáng)度和耐蝕性的同時保證良好韌性和焊接性成為耐蝕鋼研究主要面臨的問題。目前低合金高強(qiáng)耐蝕鋼的發(fā)展緩慢，到現(xiàn)在也沒有形成一個完整的開發(fā)體系 [3-7]。日本是最早研制貨油艙用耐蝕鋼的國家。杰富意鋼鐵株式會社和住友金屬工業(yè)株式會社在2007年到2010年間相繼開發(fā)出原油罐鋼材、原油罐用型鋼等[8-9]。其研究表明，在油輪的油艙、用于運(yùn)輸原油的油罐及用于儲藏原油的油罐中使用時，能夠降低底板處發(fā)生的局部腐蝕或甲板及側(cè)板處發(fā)生的全面腐蝕。在化學(xué)成分方面，其通過添加W和Cr，使得鋼板表面形成的銹層致密化，耐局部腐蝕性和耐全面腐蝕性提高。同時Sn、Sb或Mo的添加有助于生成含有W的致密的銹層，使耐局部腐蝕性和耐全面腐蝕性進(jìn)一步提高。住友金屬工業(yè)株式會社于2011年開發(fā)出貨油艙用耐蝕鋼和焊接變形小的耐蝕鋼板[10-11]，研究表明，在貨油艙腐蝕環(huán)境，特別在載有H2S的原油時，鋼對全面腐蝕、局部腐蝕的抵抗性優(yōu)良。同時還研究出一種焊接變形小且耐腐蝕性優(yōu)異的鋼板[12]，適用于在角焊縫焊接作業(yè)時產(chǎn)生的焊接變形小的厚鋼板，其在一種高氯化物環(huán)境中的耐腐蝕性十分優(yōu)異。新日鐵在世界上首次成功開發(fā)出了超級油船（ VLCC）貨油艙內(nèi)底板用耐蝕鋼 “NSGP1”研究表明，其點(diǎn)蝕增長速度只有傳統(tǒng)鋼的1/5。此鋼的化學(xué)組成滿足了船舶的分級標(biāo)準(zhǔn)，其機(jī)械性能、焊接性能和加工性能等都比以往的船體結(jié)構(gòu)用鋼更好，使 用性能完全能夠達(dá)到船舶要求的等級標(biāo)準(zhǔn)。目前，NSGP-1已經(jīng)被應(yīng)用于VLCC中，第一艘已于2004年下水服役。日本發(fā)明的另一種AH32耐蝕鋼具有優(yōu)異的力學(xué)性能與耐蝕性，使用傳統(tǒng)焊接材料的FCB焊縫同樣得到了很好的沖擊性能。其內(nèi)底板腐蝕速率 為傳統(tǒng)鋼的1/4-1/5，滿足了船舶的評級制度，同時可用傳統(tǒng)的焊接方法進(jìn)行焊接。此 外，日本開發(fā)的DH36耐蝕鋼同樣具有優(yōu)良的耐蝕鋼、機(jī)械性能和焊接性，工業(yè)鋼板在兩艘阿芙拉型油輪的三個貨油艙的上甲板進(jìn)行了一年的試驗，結(jié)果表明，腐蝕速率為傳統(tǒng)鋼的50-60%，該鋼種取得了英國勞氏船級社、日本海事協(xié)會、美國船級社和挪威船級 社的分級證明[13]。4?國內(nèi)船用耐蝕鋼研究現(xiàn)狀國內(nèi)關(guān)于船用耐蝕鋼的研究起步較晚， 針對IMO相關(guān)規(guī)則的涂層標(biāo)準(zhǔn)及船用鋼板研 究更是罕見，油船耐蝕鋼及配套焊接材料國TOC\o"1-5"\h\z產(chǎn)化需求十分迫切。近年來，鞍鋼集團(tuán)有限公司、寶鋼股份有限公司、鋼鐵研究總院等單位展開了油船貨油艙用耐蝕鋼及配套焊接 材料的相關(guān)研究，取得了一系列的有效成果。鞍鋼股份有限公司葉其斌等于 2011年發(fā)明一種酸性原油儲運(yùn)罐用耐腐蝕鋼及其制 造方法”專利，該專利中提到的新型耐蝕鋼板表面無防腐層、酸性原油環(huán)境下具有優(yōu)異 的耐全面和局部腐蝕性能，同時特別適用于作為油船貨油艙使用。即使在不涂裝防腐層 的情況下使用在25年壽命范圍內(nèi)也能顯示出優(yōu)良的耐腐蝕性能 ［19］。南京鋼鐵股份有限公司尹雨群等研發(fā)岀可以直接應(yīng)用在原油船的貨油艙中的耐蝕 鋼，其在原油腐蝕環(huán)境和海水腐蝕環(huán)境中， 均具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，可以延長修補(bǔ)噴 漆的時間，甚至不用表面涂膜，就能滿足耐腐蝕要求 ［14］。耐蝕鋼生產(chǎn)工藝通過采用低碳 低合金化體系設(shè)計思路，大幅度提高了其耐腐蝕能力［15］。針對IMO標(biāo)準(zhǔn)中對耐腐蝕鋼材以及焊接接頭的耐蝕性能提出的具體要求， 2012年南鋼相繼推出氣保焊和埋弧焊方法 ［16-17］，這兩種焊接方法保證焊接接頭抗拉強(qiáng)度大于 490MPa，焊接接頭-40'C沖擊韌性值大于47J，并且焊縫具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，耐腐蝕性能符合 IMO標(biāo)準(zhǔn)要求。同時，其研究還表明，通過適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚳梢员ＷC鋼種具有優(yōu)異的板形、力學(xué)性能、耐腐蝕性能 ［18］。配套焊接材料的研制是耐蝕鋼應(yīng)用的關(guān)鍵。 近年來，國內(nèi)對于油輪貨油艙用耐蝕船板的配套用焊絲也開展了相應(yīng)研究， 鋼鐵研究總院齊彥昌等與首鋼總公司曹建平等的研 究結(jié)果表明，對耐蝕鋼板施焊后，焊縫無需防腐處理就具有良好的耐均勻腐蝕和耐點(diǎn)蝕 性能，提高了油船整體的耐腐蝕性。此外，焊縫具有良好的力學(xué)性能。所述焊條可為鈦 型、鈦鈣型、欽鐵礦型、氧化鐵型、纖維素型或低氫型焊條。焊接試驗分別采用各自類型的藥皮配以H08A的焊芯，熔敷金屬的力學(xué)性能如表1所示，可見6種焊條熔敷金屬具有較好的力學(xué)性能。衣1熔敷金屬的力學(xué)性能編號Rpo.?/MpaRm/MpaA/%Akv-2OV/J14655752613724355402710334805802586451062525945470552269365356402879同時模擬油船貨油艙下底板和上甲板腐蝕試驗， 腐蝕試驗按照IMO標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，其中，內(nèi)底板腐蝕介質(zhì)為10%NaCI水溶液，溶液pH=0.85，溫度為30C,試樣浸泡時間為168小時，上甲板模擬氣體成分為 4%02-13%C02-0.01%S02-0.05%H2S-bal.N2 ，試驗共進(jìn)行98天。在兩種腐蝕環(huán)境下，6種焊條焊縫相對于耐蝕鋼的腐蝕速率均小于 1%，焊縫與母材之間過渡平緩， 未產(chǎn)生不連續(xù)的界面，可見焊條與耐蝕鋼匹配合理 ［20］。針對內(nèi)底板用鋼（化學(xué)成分C0.10%,Si0.25%,Mn0.95%，含有一定量的Cu,Ni,Cr等合金元素），焊接接頭的力學(xué)性能見表2所示，從表2中可以看岀，該耐蝕焊絲的力學(xué)性能不低于傳統(tǒng)焊 絲，完全能滿足油輪貨油艙下底板的要求。內(nèi)底板腐蝕試驗結(jié)果表明，焊接試板的母材 和熔敷金屬之間無明顯臺階，滿足國際海事組織 IMO的要求，耐蝕性能良好［21］。

農(nóng)2應(yīng)用耐蝕燼紇坪接試板的性能編號Rpc.2/MpaRrn/MpaA/%C.R.avcKAVJmm/y13404H927.5X】3,20比較例500235528.0902.05335150226.090076437451826.5980.58實施例539553027+01050.50圖8火朵物誘發(fā)的點(diǎn)蝕齊彥昌等采用新型E36耐蝕船板鋼和耐蝕實心焊絲進(jìn)行配套焊接，研究了接頭不同 區(qū)域的腐蝕行為。焊縫和E36耐蝕船板鋼的力學(xué)性能如表3所示，對比可知焊接接頭完全 能夠滿足國際船級社對其力學(xué)性能方面的要求。表3焊縫和E36耐蝕鋼的力學(xué)性能（質(zhì)量分?jǐn)?shù)100%）焊縫屮心沖擊功Akv/JRei/MPaRin/MPaA/%Z/%-20°c-40r焊縫48057530.576.0108583耐蝕鋼45755029 271圖2和圖3分別為焊接接頭腐蝕試驗后接頭各區(qū)在 30倍、1000倍下的腐蝕形貌掃描照片。從熔合線處的掃描照片可以看出,母材和焊縫之間沒有岀現(xiàn)不連續(xù)的臺階。圖 4為室腐蝕掛片試驗后接頭各區(qū)的宏觀照片。從圖中可以看岀，焊縫區(qū)表面十分光亮、均勻和致密，母材區(qū)表面略差，熱影響區(qū)的腐蝕最為嚴(yán)重。但是總體上看，各區(qū)的腐蝕速率 接近，屬于均勻腐蝕。

圖2接頭各區(qū)的斕蝕形貌掃描愿片圖3接頭各區(qū)的家觀照片①冶金因素對接頭耐蝕性的影響②夾雜物的影響間母材；⑹熱彫響區(qū)；心）熔合線*R）焊縫圖2接頭各區(qū)的斕蝕形貌掃描愿片圖3接頭各區(qū)的家觀照片①冶金因素對接頭耐蝕性的影響②夾雜物的影響間母材；⑹熱彫響區(qū)；心）熔合線*R）焊縫朗4室內(nèi)全浸腐蝕掛片試驗后接頭各區(qū)的腐蝕形貌1000X焊統(tǒng)化學(xué)成分.夾雜物和微觀組織等對接頭耐蝕件都仃貞要的彤響。腐蝕試驗后，對焊縫區(qū)進(jìn)行掃描和能譜分析過程中發(fā)現(xiàn)焊縫表面有球狀的富銅顆粒析岀，并且析岀比較均勻（圖5）。焊縫表面析岀的富銅顆粒在腐蝕液中的穩(wěn)定性比較強(qiáng)， 不易被腐蝕。當(dāng)析岀的富銅顆粒在焊縫表面均勻分布時， 會降低腐蝕速率，對基體起到定的保護(hù)作用。因此，焊絲中 Ni、Cu等耐蝕金屬元素的含量高于母材，是導(dǎo)致焊縫的 耐蝕性強(qiáng)于母材的一個非常重要的原因用金相顯微鏡在高倍下進(jìn)行觀察時會發(fā)現(xiàn)，焊縫表面有少量細(xì)小的點(diǎn)蝕坑的存在。對試驗后的焊縫表面進(jìn)行掃描觀察和能譜分析后可知，夾雜物是點(diǎn)蝕發(fā)生的最主要誘發(fā)源 （如圖7所示）從圖6可以看到，焊縫中的夾雜物主要是Si-AI-Mn-Ti等元素的球狀復(fù)合氧化物夾雜，單個體積較小，平均尺寸為 0.55卩皿，數(shù)量較多，分布均勻。腐蝕試驗結(jié)果表明，焊縫區(qū)的腐蝕均勻，耐蝕性最好，腐蝕后的表面光亮致密。用肉眼觀察沒有發(fā)現(xiàn)點(diǎn)蝕坑，但是Mul.lit)2-(n :“卅 和］0 AjKkftlM>ft*農(nóng)山炸縫屮的夾雜（a）及英能譜⑹圖7兜雜物誘發(fā)的點(diǎn)蝕③微觀組織的影響接頭各區(qū)的顯微組織（200X）如圖8所示。母材的組織為珠光體+帶狀鐵素體，熱影響區(qū)的組織為貝氏體，焊縫處的組織為針狀鐵素體+少量貝氏體+少量側(cè)板條鐵素 體?？傮w結(jié)果表明，接頭力學(xué)性能良好，能夠滿足國際船級社的要求。接頭各區(qū)中母材 的組織為珠光體+帶狀鐵素體，熱影響區(qū)為貝氏體，焊縫為針狀鐵素體+少量貝氏體+ 少量側(cè)板條鐵素體。母材與焊縫之間沒有岀現(xiàn)不連續(xù)的腐蝕臺階。焊縫的耐蝕性最好， 母材次之，熱影響區(qū)最差。 ［22］。首鋼技術(shù)研究院的楊建煒［23］等對新開發(fā)的SGNS-A32級貨油艙用耐蝕鋼及其焊接接 頭進(jìn)行浸泡腐蝕試驗，并輔以金相分析、電化學(xué)試驗等研究手段，探討了成分、組織等 對耐蝕鋼腐蝕行為的影響。船板的力學(xué)性能和焊接接頭的力學(xué)性能見表 4。耐蝕鋼焊接接頭熱影響區(qū)和焊縫處的微觀組織如圖 9和圖10所示，熱影響區(qū)的組織主要為貝氏體，焊縫部位的組織主要為鐵素體+貝氏體。[1][1]趙奇.另辟蹊徑，加快船用耐蝕鋼研究 [J].船舶經(jīng)濟(jì)貿(mào)易，2011(1):36.衷4船松從悍接接弐力學(xué)性能魏服強(qiáng)度Rpo^'MPa抗拉強(qiáng)度畑縫屮心沖擊功0CAkv/JAH323704S0140SGNS-A32430516)90SGN-1焊建440527t35r朋焊接接頭熱彫響庵組織 raio炸接按頭炸縫處組織浸泡試驗結(jié)束去除腐蝕產(chǎn)物后，其顯微組織如圖 ii所示，能明顯區(qū)分焊縫、熔合線、 母材等區(qū)域，焊縫處呈光亮的白色，試樣表面和側(cè)面未見明顯的蝕坑，整體看各區(qū)域腐 蝕速率接近，焊縫處和母材間未見明顯臺階，耐蝕性匹配良好。圖11焊接接頭試樣去除腐蝕產(chǎn)物后表面形貌5.結(jié)論與展望由于國際海事組織(IMO)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)具有強(qiáng)制性，因此對國內(nèi)相關(guān)造船企業(yè)、鋼鐵 企業(yè)都將產(chǎn)生顯著影響，短期內(nèi)可能形成日本鋼鐵企業(yè)在耐腐蝕船板領(lǐng)域的壟斷性供 應(yīng)，甚至可能對我國承接油船訂單形成技術(shù)壁壘。船用耐蝕鋼的國產(chǎn)化研究和應(yīng)用工作 已經(jīng)成為一項十分急迫的任務(wù)。 2008年起，中國鋼研科技集團(tuán)有限公司、鞍鋼、寶鋼、 中國船級社等單位在工信部協(xié)調(diào)下，開展了國產(chǎn)船用耐蝕鋼的前期研制工作。目前，貨 油艙用耐蝕鋼已經(jīng)進(jìn)行了多輪次、近千噸級的工業(yè)化生產(chǎn)。研制開發(fā)的貨油艙用耐蝕鋼 在保持船板原有各項性能的前提下，可以成倍地提高材料的耐腐蝕性能，且不大幅增加 材料成本。2014年9月，國內(nèi)首艘示范油輪全面改裝完成。國產(chǎn)船用耐蝕鋼的發(fā)展將確保我國原油油輪的建造和營運(yùn)滿足最新國際規(guī)范的要求的同時， 有效打破日本耐蝕鋼對我國船舶、鋼鐵等行業(yè)造成的技術(shù)壟斷，對船舶工業(yè)的轉(zhuǎn)型升級發(fā)展起到積極的推進(jìn)作 用。參考文獻(xiàn)汪國平.IMO《船舶壓載艙保護(hù)涂層性能標(biāo)準(zhǔn)》及應(yīng)對[J].中國涂料,2007,23(8):1.肖珩，黃振中，汪崧，等.新型耐海水腐蝕低合金鋼10CrCuSiV銹層分析研究報告[J].北京科技大學(xué)學(xué)報，1997，9(5)：476-479.王建民，陳學(xué)群，李國民，常萬順 .兩類船用低合金鋼耐點(diǎn)蝕性能的比較[J].中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報，2005，25(6)：356-360.孔小東，楊明波，童康明，朱梅五 .焊接工藝對低合金海洋用鋼焊接接頭耐蝕性的影響[J].兵器材料科學(xué)與工程，2007，30(5):22-23.曹國良，李國明，陳珊，常萬順，陳雪群 .Ni+Cu+P鋼耐蝕點(diǎn)蝕性能的機(jī)理研究[J].材料工程，2010,8：38-43.孔小東，楊明波，朱梅五.不同合金化體系的合金鋼焊接接頭的耐蝕性比較[J].金屬鑄鍛焊技術(shù)，2010，13(4)：34-37.鹽谷和彥，豬原康人，小森務(wù).原油罐用耐腐蝕鋼材及原油罐的發(fā)明專利 [P].中國專利：200780012318.X，2007-01-12.木村達(dá)己，鹽谷和彥，三田尾真司，鹿內(nèi)伸夫.原油罐用熱軋型鋼及其制造方法的發(fā)明專利[P].中國專利：200880101254.5，2008-09-24.小森務(wù)，鹽谷和彥，豬原康人.原油輪用耐腐蝕鋼材的發(fā)明專利[P].中國專利：200980152637.X，2009-12-22.鹿島和幸，幸英昭.貨油艙用耐腐蝕鋼材的發(fā)明專利[P].中國專利：201180005143.6，2011-07-07.上村隆之，鹿島和幸，幸英昭，川畑友彌，中村浩史，岡口秀治，有持和茂 .焊接變形小且耐腐蝕性優(yōu)異的鋼材的發(fā)明專利[P].中國專利：201180009786.8，2011-02-08.馮向陽.油船貨油艙用耐腐蝕鋼焊接接頭耐蝕性的研究 [J].西安建筑科技大學(xué)碩士論文， 2012,04：11-13.尹雨群，朱愛玲，趙晉斌.一種貨油艙用耐腐蝕鋼及其應(yīng)用的發(fā)明專利[P].中國專利：201010