海洋蕴藏着极其富饶的资源，世界诸多国家高度关注海洋资源开发，我国也不例外。中国海岸线绵长，海疆面积辽阔，其中仅海洋石油储量就达1000多亿吨^[1]，发展海洋事业势在必行。因深海矿产资源尤为丰富，由近海向深海发展将成为海洋开发的大势。因此，海工用钢的需求将日益旺盛，预计至2020年，必将形成稳定的海工钢市场^[2]。

其中，海洋平台钢是海工钢中的一大门类，主要作为制造海洋平台的焊接结构材料使用，需求量很大。海洋平台在海洋环境中工作，所处环境恶劣，负重又大，支撑的钻井设备总重量往往超过数百吨；海洋环境又具有高低温交替、深海高压以及湿度大、高氯盐腐蚀、微生物腐蚀等特点；此外，海风、海浪、洋流不断作用，台风、浮冰、地震等自然灾害频繁。上述因素对海洋平台用钢的综合性能提出了很高的要求。再者，海洋平台远离海岸，维修、保养十分不便，海洋平台要求具有比船舶更长的服役期(超过30年)，因此，海洋平台用钢板必须具有比船舶用钢更优的性能。

总之，海洋平台钢必须具有优良的强度、韧性、抗疲劳性、抗层状撕裂性、耐海水腐蚀性、良好的焊接性能和加工性能^[3-4]。

1 国内外高强度海洋平台用钢研究开发现状 1.1 国外高强度海洋平台用钢研究开发现状

自上世纪60年代开始，日本和欧美各国就着手开展钢材在海洋平台方面的应用研究，到目前为止，海洋平台钢品种系列化、标准化已逐步形成。世界范围内海洋平台用钢有高强度钢、耐腐蚀钢的供应，供货状态主要是控轧控冷、正火和调质状态。

从用钢标准来看，以往海洋平台用高强板大多采用船用标准，尽管现在很多平台采用了新型平台用钢，但执行标准依然参考钢质船舶的有关建造规范^[4]。目前，海洋平台钢按照EN10225、BS7191、API、NORSOK等标准生产^[5]，按用户需要供货。而对一些特殊海洋平台用钢，也遵照ASTM标准生产，如采用该标准中的A517Q和A514Q钢来作为齿条用材^[6]。

从性能级别来看，海洋平台用钢主要有一般强度级、高强度级以及超高强度等若干等级，通常对低温韧性有0 ℃、-20 ℃、-40 ℃、-60 ℃四种不同标准要求，抗层状撕裂性能有Z向25%、35%两种标准，而且要求耐腐蚀性能良好。

德国迪林根公司研发出低温韧性优良的S450钢(冲击功≥300 J，-60 ℃)，用于北极圈附近地区，适应于高寒地区特殊环境海工用钢的需求；此外，迪林根开发的S690特厚钢板，大量应用于平台齿条的制造^[7-8]。

日本开发的海洋平台用钢产品以其品种系列化、性能强韧化以及标准规范化等特点而居于世界领先水平^[9]。早在20世纪90年代，日本新日铁公司就开发出210 mm厚规格的HT80钢，用于制造自升式海洋平台齿条，其屈服强度≥700 MPa，抗拉强度≥850 MPa。近些年来，新日铁利用HTUFF技术生产海洋平台钢，厚度规格为16~70 mm，形成WEL-TEN系列、NAW-K系列、COR-TEN系列、MARILOY系列、NAW-TEN系列等诸多品种，可分别满足不同用途要求。此外，新日铁还能够生产315~550 MPa范围级别的钢板，满足EN10225、API2W、NORSOK和BS7191标准要求，最高强度可达到950 MPa^{[5, 10]}。日本JFE公司研发的含Ni平台钢厚板，规格达140 mm，屈服强度达700 MPa、抗拉强度达800 MPa。采用真空复合板坯轧制工艺，JFE生产了具有优良耐蚀性的特厚复合板^[10-12]。JFE公司使用Super-OLAC和JFE-EWEL技术，使HAZ达到了较高的强韧化水平。Super-OLAC+EWEL工艺通过采用低C_eq的成分设计，控制热影响区的游离O、S、Ca、B、N以及利用析出第二相粒子来细化HAZ组织及晶粒尺寸，从而大大改善了母材及热影响区的韧性和耐腐蚀开裂性。该公司海洋平台钢产品覆盖抗拉强度在980 MPa以下的所有等级，JFE-HITEN系列板为其代表性产品^{[5, 11]}。

1.2 国内高强度海洋平台用钢研究开发现状

我国开发海洋石油起步较晚，相应的海洋平台钢的开发也较晚。从上世纪80年代起中国才开始拥有自己的海洋石油平台，在石油平台建造中逐步采纳国产钢板也为时不长。目前，国内生产海工钢厂家主要有舞钢、宝钢、湘钢、鞍钢、武钢、马钢等。为适应海洋石油工业发展，抢占海工钢市场份额，近几年各大钢厂都在积极研发认证海工钢，品种有板材、H型钢、钢管等。国内海洋平台钢遵照CCS船级社规范和《船舶及海洋工程用结构钢》标准生产。最初的生产标准是船舶检验局对“海上固定平台入级与建造规范”的要求。随着国内海洋用高强钢的发展，种类和产能都有很大提升。较为完善的《船舶及海洋工程用结构钢》(GB 712-2011) 规范于2011年颁布实施^[12]，该标准牌号涵盖一般强度系列A、B、D、E(Z25，Z35)8种、高强度系列AH32-FH40(Z25，Z35)24种、超高强度系列AH420-FH690(Z25，Z35)48种。当然，目前国内各钢铁企业取得认证的产品级别不尽相同，如宝钢、沙钢、鞍钢等已取得F690级认证，可代表国内此类钢的最高生产水平。

“海洋石油981”是我国初次自主建设的深水半潜式钻井平台，其用钢强度已达到690 MPa；屈服强度在500 MPa以上、最高达750 MPa的高强度钢也被用于北海油田区域海洋平台的制造。目前，国产海洋平台用钢使用程度近90%^[4]。尽管如此，在高强海洋平台用钢方面还存在一系列问题和障碍，比如460~550 MPa级高强钢板的推广、690 MPa级以上平台钢板以及齿条钢的研发和再制造配套焊材的研制等问题，尤其是稳定生产550 MPa级以上具有焊接性好、强度高、韧性高、耐海水腐蚀的优良综合性能的用于制造自升式海洋平台关键部位的钢材，摆脱进口依赖，有待于后续进行深入研究和努力。

2 高强度海洋平台用钢再制造过程面临的问题

海洋平台是超大型焊接结构，接头众多，接头质量优劣直接影响到整体结构的使用安全。如前所述，为了提高海洋平台的使用寿命，需要钢材具有很高的综合性能，尤其是关键部位的用料要求很高。而随着钢材强度级别提高, 钢材的焊接要求也会更高。如果焊接质量出现问题, 后果将不堪设想。如何保证焊接质量、使接头各性能指标不低于母材，是高强度海洋结构焊接必须要面对的问题，也是关键技术所在。

在焊接再制造过程中，母材和焊接材料冶金反应强烈, 反应不充分，温度高，冷速快，受热、冷却都不均匀，容易在接头处产生缺陷或形成粗大组织, 致使强度韧性等力学性能下降，特别是晶粒过分长大的焊接粗晶区性能最差；同时，由于焊接热循环而引起组织与性能的变化以及产生焊接应力等因素，还会导致海洋平台接头的耐腐蚀性能与母材不同。

焊接热循环随焊接热输入量以及母材厚度的不同而发生很大变化。当厚板焊缝采用多层多道焊时，焊接接头处材料会反复受热，形成特征组织区域GCHAZ、GRHAZ、ICHAZ、SCHAZ、ICGCHAZ等，这些区域的性能与钢的原始成分、轧制工艺路线、焊接材料与工艺以及微观组织等多重因素相关，十分复杂。因此，研究开发大厚度、大线能量、易焊接海洋平台钢及其焊接热影响区的强化韧化技术就显得尤为重要^[13-14]。而海洋平台制造就多为厚板焊接，钢材强度高，焊接过程中极易产生气孔、未熔合、夹渣及微裂纹等焊接缺陷，残余应力往往较大，韧性降低，沟槽腐蚀、应力腐蚀开裂等安全问题也比较突出。因此，海洋平台用钢的研发在考虑焊接性能的同时，还需要有配套处理工艺^[15-16]，使接头强化韧化并保证相应的耐蚀性。

3 超低碳贝氏体型高强度海洋平台用钢的开发应用现状 3.1 铌微合金化在高强度ULCB型海洋平台钢方面的应用及面临问题

目前，低碳(超低碳)贝氏体(ULCB)钢因其具备一定的耐海洋环境腐蚀性等特点而引起广泛关注^[17-19]。初步研究表明：ULCB钢的组织形式有利于提高其耐蚀性能^[18]。ULCB钢中合金元素含量远小于其他海洋用钢，因而成本降低；低碳低合金的特点又使焊接性能得到提高。因此，ULCB钢作为海洋平台高强钢应用将具有很大的优势。为保证此类钢种的强度等级和贝氏体转变良好，需要添加适量的合金元素。这类钢的成分设计主要涉及C、Mn、Cu、Ni、Mo及Nb、V、Ti、B等合金元素的选取^[19]。微量元素Nb、V、Ti、B等的加入，能够实现细化晶粒、钉扎位错、析出强化等多重增强增韧机制，改善钢的组织和性能。

其中，最普遍的是利用Nb进行微合金化。Nb对生产过程实现TMCP工艺非常有益，通过发挥Nb的多重效用实现钢材的强韧化。值得注意的是，虽然Nb在现代TMCP结构钢中广泛使用，但其添加量却很有限，现行的EN 10025-4标准规定Nb添加量≤0.05%。而近年来管线钢生产标准修订后则放宽了对Nb含量的要求。例如，API 5L/ISO 3138标准规定：当C含量≤0.10%~0.12%时，可以添加更高含量的Nb元素；同时，微量元素总量要求控制在Nb+V+Ti < 0.15%以内，因此在没有其他微合金元素时，最大Nb含量可以达到0.15%^[20]。

Nb含量对钢材焊接性的影响是两面的。一方面，在大热输入焊接的情况下，预计会有一些不利影响；但另一方面，添加Nb后，靠Nb的作用提高材料强韧性，可以减少其他元素的使用，从而降低碳当量，通常会抵销前述不利影响^[21]。因此，合适的Nb加入量非常关键。

Nb对γ-α相变有延迟影响，在高强度超低碳钢焊接过程中，固溶Nb会增加冷却过程中热影响区贝氏体转变的趋势。焊接热输入小时，容易产生M-A组织，使韧性恶化。由于M-A小岛将使得微裂纹的产生更加容易，因而导致HAZ区性能恶化^[22]。当采用大热输入量时，Nb(C、N)细小颗粒在高温热循环条件下(大于1300 ℃)易发生溶解，其钉扎奥氏体晶界迁移的能力就会被削弱甚至丧失，奥氏体晶粒长大，从而使性能下降^[23]。

3.2 超低碳贝氏体型海洋平台用钢开发面临的生产工艺与使用性能问题

ULCB钢在开发过程中需要通过成分微合金化和先进的TMCP工艺来实现其强度高、焊接性好、耐腐蚀性能良好等综合性能。但海洋平台用钢厚度大，ULCB钢作为海洋平台钢应用，如何在线控轧控冷生产出组织性能均匀的厚板是当前面临的一个问题，需要从成分设计和生产工艺两方面着手解决。

在考察ULCB钢的耐腐蚀性能时，不仅要研究母材的耐蚀性，还要关注焊接接头的腐蚀行为。接头耐蚀性能受到成分、显微组织、残余应力和应力集中等多因素的联合作用，往往比母材要低，致使焊接结构件在使用过程中腐蚀严重，影响到结构的寿命和整体安全性。因此需要对焊接接头的耐蚀性能加以关注和研究。

另外，当处在不同的海洋环境中时，钢材的腐蚀规律是不同的，腐蚀速率差异也较大，因而对钢材的耐蚀要求也不尽相同。因此，开展针对特定海洋环境的钢材腐蚀研究是十分必要的。

4 结语

本文简要阐述了高强度海洋平台钢的研究发展情况以及再制造过程中面临的问题，探讨了微量铌在超低碳贝氏体型高强度海洋平台用钢的应用问题以及超低碳贝氏体型海洋平台用钢开发面临的生产工艺与使用性能问题，为低碳高强海洋平台用钢的开发应用研究提供了思路。