羅 曄,王 超

(1.武漢鋼鐵(集團)公司研究院,湖北武漢 430080;

2.武漢杉舍環(huán)?？萍加邢薰?湖北武漢 430050)

浦項制鐵海洋工程用鋼的研制方向

羅 曄1,王 超2

(1.武漢鋼鐵(集團)公司研究院,湖北武漢 430080;

2.武漢杉舍環(huán)?？萍加邢薰?湖北武漢 430050)

浦項制鐵重點關注造船及能源行業(yè),近年開發(fā)出LNG儲罐用9%鎳鋼、LNG儲罐用高錳鋼、LNG儲罐用不銹鋼、海洋平臺用鋼、集裝箱船用BCA保證鋼等一系列高附加值WP產品,通過與造船、能源企業(yè)通力合作,充分了解客戶需求,靈活調整研發(fā)方向,持續(xù)實施“解決方案式營銷”活動,推動了長期供貨協(xié)議的簽訂,開創(chuàng)了穩(wěn)固的收益來源。

浦項制鐵;產品;造船;海洋工程;研發(fā)

1 引言

造船行業(yè)是中厚板產品的重點需求行業(yè),不過進入2000年以后,受全球金融危機的影響,市場需求已經發(fā)生了一定變化,鋼鐵企業(yè)之間的競爭也日益加劇。全球90%的造船量都集中在中日韓三國,盡管造船行業(yè)在2012年以后的發(fā)展出現(xiàn)了停滯,不過由于近期高能效Eco-ship、大型集裝箱船等訂單量出現(xiàn)了增加,因此市場有望逐步回暖。

自1972年浦項廠中厚板一分廠投產以來,浦項制鐵(以下簡稱“浦項或POSCO”)就一直致力于開發(fā)造船和建設行業(yè)專用的中厚板產品和技術,由此滿足市場的各種需求,步入了與客戶共同發(fā)展的良性循環(huán)軌道。浦項自主開發(fā)出的POSHARP技術(POSCO Heavy Strand Reduction Process),可將300 t的板坯生產成厚度150 mm以上的極厚板材,批量生產熱處理極厚板材產品,向國內外壓力容器制造企業(yè)供貨,而移動式鉆井平臺的錨架用厚度183 mm極厚板EQ70在正式批量供貨前,還進行了質量認證。致力于開發(fā)厚度超過100 mm的極厚板材,相繼開發(fā)出了壓力容器專用的熱處理鋼材,移動式鉆井平臺的錨架和弦桿等海洋平臺用材料。

海洋工程能源用鋼主要用于石油、天然氣等能源物質的開發(fā)、生產、運輸、儲藏的設施。隨著能源消耗的與日俱增,全球能源用鋼市場需求在2012年為3100萬噸,預計到2020年將達到5100萬噸,年均增長率約在6%以上。目前這塊市場依舊被日本和歐洲等少數(shù)企業(yè)壟斷,早在2000年,浦項就開始著手能源用鋼的開發(fā),2013年開始,韓國造船行業(yè)的海洋平臺業(yè)務出現(xiàn)虧損,但浦項還是新開發(fā)出10余種能源用鋼材,共計23個新品種,截至目前,已經成功開發(fā)出30余種產品,今后還計劃開發(fā)出60個新鋼種,目標是到2020年之前占據(jù)全球10%的市場份額。

2008年以來,浦項每年都會參加國際海洋技術展覽會—近海技術會議 OTC (Offshore Technology Conference),開展有關能源鋼材加工及應用技術的整體解決方案銷售活動。在會展專屬展位上,通過與能源企業(yè)大力合作,充分掌握了客戶的多種需求,并逐步調整自身的研發(fā)方向。通過行之有效的產品推介和認證活動,不僅向外界充分展示了自身能源用鋼加工和應用技術的實力,更極大地促進了能源用鋼長期供貨協(xié)議的簽訂及技術合作的開展。目前,浦項已經與殼牌公司和馬來西亞石油公司簽訂了長期合同,還為現(xiàn)代重工業(yè)、三星重工業(yè)、大宇造船海洋等韓國三大造船企業(yè)提供海洋工程鋼材,同時還推動與埃克森美孚、挪威科技工業(yè)研究院、AMEC和荷蘭輝固等公司的技術合作。在全球鋼鐵企業(yè)中,僅有浦項在世界上首次向大宇造船海洋公司批量供應能源用中厚板產品,并向荷蘭皇家殼牌集團批量供應FLNG設備專用中厚板產品,這一壯舉標志著其能源用鋼已經獲得了權威認證。

2 重點產品

2.1 LNG儲罐用9%鎳鋼

隨著頁巖氣開發(fā)的熱潮席卷全球,對于LNG運輸船及LNG接收站的需求也在不斷增長。液化天然氣(LNG)儲罐的底部和內壁采用的材料主要是9%鎳鋼,這一產品在-162℃可以保持高強度,在-196℃的極低溫環(huán)境中可以保持較好的韌性,尤其經過了淬火和回火熱處理等嚴格復雜的生產工藝之后,性能突出。浦項在1994年開發(fā)出LNG儲罐內壁鋼材9%鎳合金鋼,此后向韓國國內的統(tǒng)營、三陟、平澤、光陽LNG接收站供貨,與進口產品相比,價格優(yōu)勢突出;與其他企業(yè)的產品相比,生產周期和交貨期大幅縮短,產品服務質量高。

早前LNG儲罐底部材料厚度為5 mm,其中9%鎳鋼的比重約為25%,但韓國國內尚不能生產,只能依靠進口,針對這一現(xiàn)狀,浦項根據(jù)市場需求,積極開展了9%鎳鋼薄鋼帶產品的研制。

為了降低產品不合格率,浦項首先開發(fā)出最適于9%鎳鋼帶的軋制技術,為了確保熱處理后的產品外形質量,重新調整了相應的生產工序,提高了連鑄板坯的修磨能力,以及板坯的脫磁處理能力。2013年上半年可以提供各種規(guī)格的9%鎳鋼帶產品,同時對客戶的需求作出迅速回應。對質量檢查加強管理,客戶的滿意度也在不斷提高。與此同時,浦項還將根據(jù)客戶的新需求,預先對5%和7%鎳鋼進行工藝優(yōu)化,并積極推動產品的質量認證。2014年上半年實現(xiàn)了3800 mm寬幅的9%鎳鋼板的生產,可以減少焊接次數(shù),節(jié)省焊接材料,縮短客戶的操作時間,其超高級中厚板產品9%鎳鋼的鋼帶生產技術有望完全替代進口產品。

2.2 LNG儲罐用高錳鋼

2014年3月,浦項與韓國科學技術院(KAIST)聯(lián)合研制出了大容量LNG儲罐,該產品的材質是由浦項研發(fā)的高錳鋼,貯藏量為2萬m3,與現(xiàn)有儲罐1000 m3的貯藏量相比,提高了19倍左右。2015年1月由韓國產業(yè)通商資源部制定了低溫壓力容器用高錳鋼板(KSD 30131)、高錳鋼用電弧焊條(KSD 7142)、高錳鋼用電焊藥芯焊絲(KSD 7143)、高錳鋼用埋弧焊絲和焊劑(KSD 7144)等一系列新標準。這些產品可以減少焊接次數(shù),不僅為客戶提高了生產效率,還節(jié)省了制造成本。

浦項之所以能夠在研發(fā)大容量LNG儲罐上取得成功,得益于其高錳鋼產品和韓國科學技術院的“格子結構”技術的完美結合。浦項所開發(fā)的高錳鋼產品是能經受超低溫度的能源用鋼,尤其適用于在-162℃儲存LNG,與目前采用的不銹鋼相比,不僅焊接性能更為優(yōu)秀,還易于制造儲罐罐體。與此同時,為了提升高錳鋼產品的競爭力,特別采用了韓國科學技術院專有的格子結構技術。在儲罐內設置的格子結構可以分散傳遞給罐外壁的壓力,貯藏量提高的同時卻無需增加外壁的厚度。分離出的格子型壓力容器儲罐為長方形,可以作為大型儲罐使用。這項技術已經先后通過了韓國船級社和美國船級社的認證,同時還獲得了美國機械工程師協(xié)會的“壓力容器認證”(ASME U2 Stamp)。高錳鋼格子型壓力容器可以讓海運公司在遠距離航行時降低燃料消耗,可以使造船公司降低LNG船舶的制造費用,該產品具有明顯的價格優(yōu)勢。

與鋁合金相比,高錳鋼材料的單價僅相當于其53%,故而用于制造LNG儲罐的費用也可降至56%的水平。將超低溫用高錳鋼的材料價格和施工費用統(tǒng)統(tǒng)計算在內,也比現(xiàn)有的極低溫用材料便宜50%～75%。隨著高錳鋼使用比重的擴大,韓國國內造船和海洋平臺等相關行業(yè)的競爭力也將進一步提高。2016年三季度,該高錳鋼材料正式用于現(xiàn)代尾浦造船公司承建的5萬DWT級動力散貨船的LNG儲罐。船體計劃于2017年底完工,2018年由韓國日伸海運公司從江原道向光陽廠運送浦項生產所需的石灰石原料。在韓國制造業(yè)持續(xù)低迷的大環(huán)境之下,此次鋼鐵、造船、海運行業(yè)之間的合作可謂是突破危機的一次嘗試。

2.3 LNG儲罐用不銹鋼

2016年2月浦項WP不銹鋼產品304L正式用于韓國天然氣公司的LNG船儲罐薄膜系統(tǒng)KC-1,由此韓國天然氣公司制造的薄膜型LNG船用儲罐全部采用了該不銹鋼產品。

常規(guī)的球罐型LNG船裝有4～5個圓筒形儲罐,而薄膜型LNG船僅有單一儲罐建造在船體內,采用冷軋不銹鋼材質,充分利用了空間,裝載運輸效率更高,降低LNG蒸發(fā)損耗,也更為安全、經濟。薄膜系統(tǒng)是指LNG船用儲罐的內壁與LNG直接接觸,被喻為“一次屏障”,對船舶的LNG運輸效率和經濟性有一定影響。早前薄膜設計技術的專有權歸海外施工企業(yè)所有,韓國造船企業(yè)生產薄膜型LNG船時必須支付特許權使用費,直至2014年韓國天然氣公司成功開發(fā)了薄膜設計技術。

在這項技術的開發(fā)過程中,浦項與韓國天然氣公司聯(lián)手開發(fā)出適于LNG儲罐薄膜系統(tǒng)KC-1的304L不銹鋼薄板,并由仁荷大學沖擊和疲勞破壞研究室對不同鎳含量下超低溫的機械強度和疲勞強度進行評價。通過“解決方案式營銷”活動,浦項構建了材料生產/供貨的全套體系,為客戶提供定制化的服務,成為了韓國和國際市場上薄膜不銹鋼材料的唯一供應商。以技術實力和產品質量為基礎,今后還計劃在陸地儲罐、小型罐車上擴大不銹鋼材料的應用,由此提高在能源市場的占有率。

2.4 海洋平臺用鋼

雖然受到進口低價鋼材的巨大沖擊,加之韓國國內造船行業(yè)長期低迷,浦項依舊加快了對海洋平臺能源用鋼的開發(fā)。與建造普通商船所需的厚板類似,海洋平臺能源用鋼是指制造海洋平臺設備所需的鋼材。不過由于行業(yè)低迷,加之油價下跌的影響,現(xiàn)代重工業(yè)、三星重工業(yè)、大宇造船海洋等韓國三大巨頭船企的海洋平臺訂單量銳減,因而相關能源用鋼的需求也出現(xiàn)了減少。

盡管如此,為了應對長期市場低迷,浦項的海洋平臺能源用鋼的研發(fā)主要圍繞高強度、最大厚度以及低溫安全性等三個方面進行。目前浦項的海洋平臺能源用鋼強度可達500 MPa,最大厚度可達210 mm。

早前浦項主要向韓國三大造船巨頭供應這些海洋平臺能源用鋼產品,包括浦項在內,現(xiàn)代制鐵、東國制鋼等主要鋼企向這些客戶的供貨比重分別是:普通厚板60%,海洋平臺能源用鋼40%。不過到2014年以后,受行情不濟以及低油價的影響,三大船企的海洋平臺訂單額驟減了一半以上。因此大部分鋼企不僅減少了能源用鋼的供貨,還削減了研發(fā)投入,而浦項卻反其道而行之,加大了包括能源用鋼在內的高附加值鋼材研發(fā)投入。2009年開發(fā)出北海油田海洋結構用鋼材,并首次向德國Veba油氣公司供貨1.2萬噸。

2014年6月,浦項與韓國鋼管和船體分段供應商SAM KANG M&T公司共同研制的中厚板S460鋼成功實現(xiàn)了商業(yè)化供貨。兩家公司于2012年初開始合作,歷經2年左右的研究,用中厚板S460鋼制造厚壁鋼管,還計劃階段性提高產品的產量和銷量。

另外,中厚板S460鋼是作為焊接結構用細晶粒鋼材使用的,按照德國工業(yè)標準DIN (Deutsches Institut fǖr Normung)拉伸強度為550 MPa。該鋼種主要用于海洋及能源產業(yè),在歐洲應用很廣,但在韓國工業(yè)標準KS上卻并沒有明確標示出來。盡管此前韓國業(yè)界已經認識到了這類鋼種的重要性,但由于開發(fā)力度不夠,因此錯失了不少大型工程項目。此次兩家公司通過開發(fā)的S460鋼種和相應材料制成的厚壁鋼管,將為韓國鋼管產業(yè)的長遠發(fā)展提供良好的發(fā)展契機。

目前,浦項正致力于開發(fā)北海等極地專用的海洋平臺能源用鋼。這些地區(qū)不僅溫度低,而且波濤洶涌,為了開采油氣田,海洋平臺的穩(wěn)定性至關重要。浦項近期成功開發(fā)出的能源鋼材可以在-40℃的環(huán)境下依舊保持高強度,不易發(fā)生破裂,遠期的目標是開發(fā)可經受-60℃的能源鋼材。

2.5 集裝箱船用BCA保證鋼

近年來,隨著北極航道的開通,貨運時間比現(xiàn)有蘇伊士運河縮短了10天以上,船舶數(shù)量將明顯增多,因而促成了對耐超低溫鋼材的大幅需求。據(jù)國際權威機構Ocean Shipping Consultant分析,1.8萬TEU級的集裝箱船一天的運營費用為19.719 8萬美元,如果利用北極航道,運輸時間在縮短的同時,人工費、保險費和其他費用都將大幅減少[1]。與此同時,由于燃料價格不斷上升,環(huán)境法規(guī)的日趨嚴格,高能效、環(huán)保型船舶的訂單明顯增加,船體也趨于大型化。國內外造船企業(yè)對于鋼材品種的需求已經發(fā)生了巨大的變化。為了順應這種市場趨勢,浦項預先了解了客戶的需求,已經把高強度、耐超低溫造船用鋼材確定為研發(fā)重點,并進行有針對性地開發(fā),為客戶提供配套的解決方案,最終實現(xiàn)與客戶的共同發(fā)展。

隨著集裝箱尺寸的增大,集裝箱船趨于大型化,裂紋產生的破壞也會大幅增加,為了確保船體結構完整性和減輕重量,需要采用高強鋼板。根據(jù)國際船級社協(xié)會(IACS)的規(guī)定,2014年1月1日開始承建的船舶必須采用經船級社認證的BCA保證鋼厚板。BCA鋼指具備脆性裂紋止裂(Brittle Crack Arrest)韌性的鋼,在船體出現(xiàn)裂紋時,可以防止裂紋擴散。浦項開發(fā)的厚度85 mm以上的EH40厚板,以及厚度50 mm以上的EH47厚板就屬于這類產品,可以有效防止焊接部位的破裂。

2010年6月浦項采用TMCP工藝開發(fā)了BCA保證鋼EH40。按照不同船級社的認證標準,ABS和LR等船級社稱其為EH40,而DNV、LR、BV、RINA、GL等船級社稱之E40。EH40用于大焊接線能量的焊接,要求焊接線能量高于500 kJ/cm。2014年12月浦項開發(fā)了最大厚度達100 mm的EH40厚板,并在全球最早獲得德國勞埃德船級社(Germanischer Lloyd)認證,2015年2月向大宇造船海洋19200 TEU級的集裝箱船供貨。

值得一提的是,浦項擁有韓國國內唯一的大型檢測設備,對EH40進行了5次ESSO試驗。ESSO試驗是一種確認鋼材脆裂性的試驗方法,主要確定帶有裂紋的樣品在不同溫度下發(fā)生斷裂的程度。經過試驗確認,鋼板最大厚度為100 mm的EH40阻止脆性裂紋擴展最小韌性值(Kca)為7000 N/mm1.5以上,遠高于船級社的規(guī)定指標6000 N/ mm1.5。除德國船級社GL以外,EH40還獲得了美國ABS、英國LR等船級社的初期認證,由此搶占集裝箱船用鋼材市場,2015年對造船行業(yè)的供貨量約為3000 t,預計2017年將持續(xù)增至1萬噸[2]。

目前浦項正在與大宇造船海洋、德國船級社總部進行緊密合作,在開始批量供貨后,將采用較簡便的落錘試驗DWT(Drop Weight Test)代替ESSO試驗。如果采取ESSO試驗,通常需要60天,而采取DWT試驗,在12天內就可以完成,簡化了質量認證的流程,提高了工作效率,與韓國國內競爭對手相比,浦項的BCA保證鋼工期可以縮短5周以上,具有相當?shù)母偁幜Α?/p>

與此同時,浦項還計劃增加裂紋頂端張開位移試驗CTOD(Crack Tip Opening Displacement),以測定EH40鋼阻止脆性裂紋的性能指標。如果能同時獲得BCA和CTOD認證,浦項有望成為全球領先的企業(yè), BCA保證鋼向造船企業(yè)的供貨量將從2015年的3千多噸提高到2017年的1萬噸。除了德國船級社以外,浦項還計劃通過ABS、LR等船級社的認證,以搶占集裝箱船用鋼市場。

2010年6月開發(fā)的EH47具有高強度,要求在-10℃條件下進行CTOD(裂紋尖端張開位移)試驗,在-40℃條件下確保熱影響區(qū)(HAZ)韌性;屈服強度比EH40高出70 MPa。板厚為63 mm的EH47鋼板可替代傳統(tǒng)的75 mm厚板,用于18 000TEU級集裝箱船的上甲板;74 mm的EH47鋼板則可替代傳統(tǒng)的80 mm厚板用于艙口圍板。厚度的降低可減少船體的焊接量、節(jié)省燃油消耗,并提高船舶速度。該產品已獲得德國勞氏船級社GL、美國船級社ABS和韓國船級社KR的認證。2014年11月將PosPATH (POSCO PAradox Technology for Heavy plate)技術用于生產EH47厚板,這項極厚板材制造技術可將其厚度增至200 mm,并降低了探傷不合格率。

3 結語與展望

在處境極為艱難的鋼鐵市場,為了確保自身的競爭力,浦項重點關注造船海洋行業(yè)的產品需求,將船板用鋼和能源用鋼作為突破口。為了鞏固在產品技術和市場營銷的優(yōu)勢地位,浦項和光陽兩大分廠、解決方案中心及技術研究院通過緊密合作,加快了WP產品的研發(fā)步伐。當前的研究重點是耐超低溫鋼材、高強極厚板等高性能產品,同時大力開展“解決方案式營銷”活動,從“材料—設計施工—制造”等全方位提供解決方案,為客戶創(chuàng)造最大化的價值。

[1] 羅曄.韓國鋼鐵企業(yè)加快研發(fā)新型耐低溫能源用鋼[N].世界金屬導報,2015-03-17 (B01).

[2] 羅曄.浦項制鐵首次供應BCA保證鋼[N].中國船舶報,2015-04-10(007).

Tendency in Development of POSCO’s Ocean Engineering Steel

LUO Ye1,WANG Chao2
(1.Research and Development Center of WISCO,Wuhan 430080,Hubei,China;
2.Wuhan Sunse Environmental Protection Technology Co.,Ltd.,Wuhan 430050,Hubei,China)

The development of POSCO's steel products has been focused on the shipbuilding and energy industries.In recent years,a series of high value-added world premium products have been developed,such as 9%nickel alloy steel,high manganese steel,stainless steel forthe LNG storage tank,steel for offshore platform,steelfor ULCS and so on.The signment of long-term supply agreement has been promoted through co-operation with shipyards and energy companies,fully understanding of customer needs,adjusting the direction of research and development,sustainablely implementing the solution marketing activities,which has created a stable source of income.

POSCO,steel products,shipbuilding,ocean engineering

TG142

A

羅 曄,工程師,主要從事日韓鋼鐵冶金信息情報的研究。