海洋平台用钢分类及选用要求

海洋平台用钢的选用需考虑构件类型、使用部位、环境温度、构件参数、使用性能、生产工艺等多个因素，并根据标准和规范的要求加以确定，选择规格、等级合适的材料。海洋平台可以采用同一钢种、不同级别，也可以使用不同强度、不同钢种的钢材。因此，海洋平台用钢的品种及规格众多。

世界上的主要船级社将平台结构划分为一般构件、重要构件和关键构件。一般构件指不重要的构件，它的破坏不影响平台的整体强度。例如，自升式平台船体内部的壁和骨架构件，圆形桩腿内部的骨架；半潜式平台立柱内的桁材等。重要构件指对平台整体强度有重要影响的构件，如圆形桩腿的外板、桁架式桩腿所有构件、立柱的外壳板、船体和沉垫的外板等。关键构件指结构的转折处出现应力集中的构件，它的破坏将危及整个平台的安全。例如，沉垫自升式平台中与沉垫相交处的腿柱；半潜式平台中的立柱与上层平台甲板相交处的结构、立柱与下部沉垫相交处的结构、撑杆的节点及重要结构的节点等。船级社对不同设计温度条件下，按结构分类对钢材级别的选用给出了明确的要求，平台用钢选用要求见表6。

表6 平台用钢选用要求

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注：1.表中所列数字为允许选用钢材的最大板厚，单位：mm。

2.表中设计工作温度是根据平台预期工作海域的有效气象数据所计算得出的最低日平均环境温度。

3.钻井船水下结构的材料可按表中设计工作温度0℃选用。

4.本表适用于不需要冰区加强的工作海域。

5.表中空白部分表明不适用。

6.构件厚度大于50mm时，选用钢材级别应特别考虑。

表7所示为各典型海洋石油平台用钢的主要品种和规格。可见，海洋平台用钢的强度范围包括从235MPa的一般强度钢直至690MPa调质处理的超高强度钢；涉及的材料包括A、B、D、AH36、DH36、EH36、A420、A460、A500、A550、A620、A690、D420、D460、D500、D550、D620、D690、E460、E500、E550、E620、E690等多个级别；所用钢板最薄5mm，最大厚度可达210mm，薄板一般用于生活楼设计中，以降低重量；厚板用于高应力水平部位，如关键构件的连接区域等。

表7 海洋平台用钢的主要品种和规格[6]

除上述常用的一般强度钢、高强度钢以及超高强度钢外，高技术含量和高附加值的特殊钢材，如耐海水腐蚀低合金钢、齿条钢、Z向钢、适合高热输入焊接钢、高强度系泊链钢、高强度铸钢等也被用于平台特殊部件的建造。

（1）耐海水腐蚀低合金钢 海洋腐蚀环境特别是近海岸腐蚀环境极为恶劣，钢在海岸的腐蚀速率比沙漠环境高400倍以上。特别是我国南海环境因其高湿热、强辐射、高Cl-含量，腐蚀性更强。因此平台设计选材时，要考虑钢材的腐蚀性能。(www.xing528.com)

目前，国外生产的耐海水腐蚀低合金钢按成分系列可分为Ni-Cu-P系、Cr-Nb系、Cr-Cu系、Cr-Al系、Cr-Cu-Si系、Cr-Cu-Al系、Cr-Cu-Mo系、Cr-Cu-P系及Cr-Al-Mo系等。国外典型耐海水腐蚀低合金钢钢见表8。我国耐海水腐蚀低合金钢主要有Cu系、P-V系、P-Nb-Re系和Cr-Al系等类型，如08PV、08PVRe、10CrPV等。耐海水腐蚀低合金钢钢因其焊接工艺复杂和制造成本较高，目前在海洋平台中的应用较少。

表8 国外典型耐海水腐蚀钢^[7]

（2）齿条钢 在自升式平台中，桩腿作为主要的承载机构，起到支撑和升降平台的作用。桩腿由桁架、齿条构成全焊接结构，并与主船体上的齿轮箱配合，实现主船体的升降和锁紧。齿条是桩腿中最具代表性的大构件，需通过厚度达120mm以上的专用齿条钢制造。由于长期在强风暴、高腐蚀的严酷海洋环境中工作，要求齿条钢同时具备厚规格、高强度、高韧性等特点。用于北极地区油气钻探的俄罗斯Arkti-cheskaya自升式钻井平台，最大钻探深度为6500m，该平台由3个桩腿支撑，每个桩腿的升降系统均使用了130～145mm厚度、690MPa强度级别的齿条钢，共用钢材1094t^[8]。由美国F&G公司设计建造，中海油采购的JU2000型CP-400自升式钻井平台，所用齿条钢厚度为180mm，用量约2400t。随着海洋石油工业的深入开展和钻采难度的加大，齿条钢的厚度不断增加，目前世界上齿条钢的最大厚度达到259mm。图1为渤海装备辽河重工采用德国迪林根齿条钢加工的齿条钢。

图1 德国迪林根齿条钢加工的齿条钢

（3）Z向钢 区别于船板钢，海洋平台用钢不仅要求沿宽度方向和长度方向有一定的力学性能，而且要求厚度方向有良好的抗层状撕裂性能。这种抗层状撕裂钢又称为Z向钢。海洋平台中存在较多的T型、K型和十字型接头，这些接头位置拘束度大，当钢材厚度方向受力时，极易造成厚度方向上的层状撕裂。而层状撕裂在外观上没有任何迹象，现有的无损检测手段又难以发现，即使能判断结构中有层状撕裂，也很难修复，造成巨大的经济损失。因此，对于承受高约束，抗冲击、应变疲劳和层状撕裂的关键管节点，采用抗层状撕裂性能好的Z向钢是必要的。Z向钢是在某一等级结构钢的基础上，经过特殊处理（如钙处理、真空脱气、氩气搅拌等）和适当热处理的钢材。Z向钢根据厚度方向拉伸试样的断面收缩率的大小分为Z25和Z35两个级别。在F&GEXD半潜式平台中，355MPa和550MPa级别的Z向钢用量分别为491t和39t。

（4）适应高热输入焊接钢 焊接是海洋平台建造中的一个重要工序，如导管架平台焊接占到建造总工时的40%、总成本的50%。提高焊接线能量，免除焊后热处理，对于缩短海洋平台的制造周期和降低成本具有重要意义。但是焊接线能量增大，焊接热影响区（HAZ）的强韧性降低。国外注重大线能量焊接技术的进步，尤其是日本较早地开发了适应高热输入焊接钢。日本最初应用于寒冷地区能源开发的YP360MPa钢板，最大厚度为70mm，能够承受130kJ/cm的焊接热输入^[1]。目前JFE研制的YP460^[9]和新日铁研制的YP390^[10]适应高热输入焊接钢，可分别承受360kJ/cm和390kJ/cm的热输入，技术优势明显但价格昂贵。

图2 R5级系泊链

（5）高强度系泊链钢 体积庞大的移动式钻井平台，要长期停泊在狂风大浪之中，连续进行海底石油资源的勘探和开采，平台的定位至关重要，锚泊定位是其中主要的定位方式之一。锚泊定位所用系泊链（图2）使用条件苟刻，单根长2000多米，常规直径80～130mm，深海系泊链直径可增至180～200mm，单根重600～1000t。系泊链钢具有高强度、高韧性以及低屈强比等特性。目前世界最高等级的R5级系泊链钢（抗拉强度≥1000MPa，屈服强度≥850MPa），已在“海洋石油981”平台成功应用，用量达到3000余吨。

（6）高强度铸钢 节点（桁与支撑相交叉的部位）是自升式、半潜式钻井平台和导管架平台的关键部位，大多采用焊接结构，在风浪等外力作用下，易产生疲劳裂纹。从20世纪70年代起，英国、日本陆续将铸钢节点用于海洋平台，可提高疲劳寿命，降低应力集中系数同时可以减轻节点重量。表9将一座实用平台上的102个铸钢节点与焊接节点的成本、应力集中系数和疲劳寿命等进行了综合比较，可以看出，采用铸钢节点能降低成本20%，提高疲劳寿命4～18倍^[11]。我国从日本订购的“渤海四号”平台使用了屈服强度超过680MPa的铸钢节点材料。英国Sheffield Forge Masters International的大型铸钢件也已广泛用于Spar、TLP、FPSO以及导管架等海洋平台中^[12]，大型铸钢节点如图3所示。

图3 大型铸钢节点

表9 一座实用平台上铸钢节点与焊接节点的比较

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①SCF为应力集中系数。