基于IMO标准的船用耐蚀钢应用技术研究综述讲解

基于IMO 标准的船用耐蚀钢应用技术研究综述摘要：2010年5月国际海事组织（IMO）通过的《原油船货油舱保护涂层性能标准》和《原油船货油舱替代防腐措施性能标准》于2014年1月1日强制执行，鉴于日本在这方面有一定的技术优势，其正在中国设置专利障碍，船用耐蚀钢的国产化成为极为紧迫的一项任务。

船用耐蚀钢的研发不仅关系我国船舶行业的发展问题，而且对我国船舶行业提升产业水平和国际竞争力有很大的影响。

国产船用耐蚀钢的研制将有效打破国外耐蚀钢技术对我国钢铁、船舶行业造成的技术壁垒。

本文基于IMO 相关标准，以油船货油舱为研究对象，就国内外船用耐蚀钢耐蚀性、焊接性能等研究方面进行归类总结。

探索船用耐蚀钢的应用技术的推广发展与前景。

1．引言货油舱由于原油成分的多样性和含有多种酸性腐蚀介质造成的腐蚀，是原油船舶运行中常见的腐蚀问题，严重的腐蚀不仅会大大缩短船体寿命，甚至威胁到船舶运输的安全。

目前船体腐蚀问题受到越来越多的关注，已成为制约船舶发展的关键问题，同时也是各国提高自身船舶竞争力的有效着眼点。

解决船板腐蚀问题的传统方法是使用涂层材料，每2——3 年对船体受腐蚀钢板进行维护。

随着近年来海事界对船舶安全、环保和节能要求的不断提高，国际海事组织（IMO）制定的新造船涂层性能标准对船舶涂层寿命、船舶分段表面处理、结构表面缺陷处理等10 个关键方面的技术要求有明显的提高。

在各国积极研究新型涂层材料的同时，日本却另辟蹊径，绕开了涂层问题，提出了使用耐蚀钢船板的替代方案。

目前日本已在耐蚀钢领域进行了多年的研究，取得一定成果。

DE（IMO 船舶设计与设备分委会）第52 次会议批准了耐蚀钢作为涂层替代保护措施。

2010 年5 月，国际海事组织(IMO)海上安全委员会第87 届会议通过了“原油船货油舱腐蚀防护”SOLAS 修正案（II-1/3-11 条）、《原油船货油舱保护涂层性能标准》和《原油船货油舱替代防腐措施性能标准》（即耐蚀钢性能标准），成为《国际海上人命安全(SOLAS)公约》框架内的强制性要求，并于2014 年1 月1 日正式实施。

耐蚀钢已成为IMO 油船货油舱涂层标准唯一的替代方案。

耐蚀钢技术的推出不仅对造船界的影响举足轻重，也将对钢铁等相关行业产生深远影响[1-2]。

3．日本船用耐蚀钢研究现状目前耐蚀钢的研制主要是通过加入合金元素，得到有利的组织和形成良好的保护膜，以此来提高材料的耐蚀性能。

低合金高强耐蚀钢是在普通低合金高强钢的基础上添加几种耐蚀性元素而得到的。

一般情况下，低合金高强耐蚀钢的强度和耐蚀性要强于普通低合金高强钢和碳素钢，但强度和耐蚀性提高的同时，韧性和焊接性会变差。

因此，如何提高耐蚀钢强度和耐蚀性的同时保证良好韧性和焊接性成为耐蚀钢研究主要面临的问题。

目前低合金高强耐蚀钢的发展缓慢，到现在也没有形成一个完整的开发体系[3-7]。

日本是最早研制货油舱用耐蚀钢的国家。

杰富意钢铁株式会社和住友金属工业株式会社在2007年到2010年间相继开发出原油罐钢材、原油罐用型钢等[8-9]。

其研究表明，在油轮的油舱、用于运输原油的油罐及用于储藏原油的油罐中使用时，能够降低底板处发生的局部腐蚀或甲板及侧板处发生的全面腐蚀。

在化学成分方面，其通过添加W和Cr，使得钢板表面形成的锈层致密化，耐局部腐蚀性和耐全面腐蚀性提高。

同时Sn、Sb或Mo的添加有助于生成含有W的致密的锈层，使耐局部腐蚀性和耐全面腐蚀性进一步提高。

住友金属工业株式会社于2011 年开发出货油舱用耐蚀钢和焊接变形小的耐蚀钢板[10-11]，研究表明，在货油舱腐蚀环境，特别在载有H2S 的原油时，钢对全面腐蚀、局部腐蚀的抵抗性优良。

同时还研究出一种焊接变形小且耐腐蚀性优异的钢板[12]，适用于在角焊缝焊接作业时产生的焊接变形小的厚钢板，其在一种高氯化物环境中的耐腐蚀性十分优异。

新日铁在世界上首次成功开发出了超级油船（VLCC）货油舱内底板用耐蚀钢“NSGP-1”，研究表明，其点蚀增长速度只有传统钢的1/5。

此钢的化学组成满足了船舶的分级标准，其机械性能、焊接性能和加工性能等都比以往的船体结构用钢更好，使用性能完全能够达到船舶要求的等级标准。

目前，NSGP-1 已经被应用于VLCC 中，第一艘已于2004 年下水服役。

日本发明的另一种AH32 耐蚀钢具有优异的力学性能与耐蚀性，使用传统焊接材料的FCB 焊缝同样得到了很好的冲击性能。

其内底板腐蚀速率为传统钢的1/4-1/5，满足了船舶的评级制度，同时可用传统的焊接方法进行焊接。

此外，日本开发的DH36 耐蚀钢同样具有优良的耐蚀钢、机械性能和焊接性，工业钢板在两艘阿芙拉型油轮的三个货油舱的上甲板进行了一年的试验，结果表明，腐蚀速率为传统钢的50-60%，该钢种取得了英国劳氏船级社、日本海事协会、美国船级社和挪威船级社的分级证明[13]。

4．国内船用耐蚀钢研究现状国内关于船用耐蚀钢的研究起步较晚，针对IMO 相关规则的涂层标准及船用钢板研究更是罕见，油船耐蚀钢及配套焊接材料国产化需求十分迫切。

近年来，鞍钢集团有限公司、宝钢股份有限公司、钢铁研究总院等单位展开了油船货油舱用耐蚀钢及配套焊接材料的相关研究，取得了一系列的有效成果。

鞍钢股份有限公司叶其斌等于2011年发明“一种酸性原油储运罐用耐腐蚀钢及其制造方法”专利，该专利中提到的新型耐蚀钢板表面无防腐层、酸性原油环境下具有优异的耐全面和局部腐蚀性能，同时特别适用于作为油船货油舱使用。

即使在不涂装防腐层的情况下使用在25年寿命范围内也能显示出优良的耐腐蚀性能[19]。

南京钢铁股份有限公司尹雨群等研发出可以直接应用在原油船的货油舱中的耐蚀钢，其在原油腐蚀环境和海水腐蚀环境中，均具有优良的耐腐蚀性能，可以延长修补喷漆的时间，甚至不用表面涂膜，就能满足耐腐蚀要求[14]。

耐蚀钢生产工艺通过采用低碳低合金化体系设计思路，大幅度提高了其耐腐蚀能力[15]。

针对IMO标准中对耐腐蚀钢材以及焊接接头的耐蚀性能提出的具体要求，2012年南钢相继推出气保焊和埋弧焊方法[16-17]，这两种焊接方法保证焊接接头抗拉强度大于490MPa，焊接接头-40℃冲击韧性值大于47J，并且焊缝具有优良的耐腐蚀性能，耐腐蚀性能符合IMO标准要求。

同时，其研究还表明，通过适当的热处理工艺可以保证钢种具有优异的板形、力学性能、耐腐蚀性能[18]。

配套焊接材料的研制是耐蚀钢应用的关键。

近年来，国内对于油轮货油舱用耐蚀船板的配套用焊丝也开展了相应研究，钢铁研究总院齐彦昌等与首钢总公司曹建平等的研究结果表明，对耐蚀钢板施焊后，焊缝无需防腐处理就具有良好的耐均匀腐蚀和耐点蚀性能，提高了油船整体的耐腐蚀性。

此外，焊缝具有良好的力学性能。

所述焊条可为钛型、钛钙型、钦铁矿型、氧化铁型、纤维素型或低氢型焊条。

焊接试验分别采用各自类型的药皮配以H08A的焊芯，熔敷金属的力学性能如表1所示，可见6种焊条熔敷金属具有较好的力学性能。

同时模拟油船货油舱下底板和上甲板腐蚀试验，腐蚀试验按照IMO标准执行，其中，内底板腐蚀介质为10%NaCl水溶液，溶液pH=0.85，温度为30℃，试样浸泡时间为168小时，上甲板模拟气体成分为4%02-13%CO2-0.01%SO2-0.05%H2S-bal.N2，试验共进行98天。

在两种腐蚀环境下，6种焊条焊缝相对于耐蚀钢的腐蚀速率均小于1%，焊缝与母材之间过渡平缓，未产生不连续的界面，可见焊条与耐蚀钢匹配合理[20]。

针对内底板用钢（化学成分C 0. 10%, Si 0. 25%, Mn 0. 95%，含有一定量的Cu, Ni, Cr等合金元素），焊接接头的力学性能见表2所示，从表2中可以看出，该耐蚀焊丝的力学性能不低于传统焊丝，完全能满足油轮货油舱下底板的要求。

内底板腐蚀试验结果表明，焊接试板的母材和熔敷金属之间无明显台阶，满足国际海事组织IMO的要求，耐蚀性能良好[21]。

齐彦昌等采用新型E36耐蚀船板钢和耐蚀实心焊丝进行配套焊接，研究了接头不同区域的腐蚀行为。

焊缝和E36耐蚀船板钢的力学性能如表3所示，对比可知焊接接头完全能够满足国际船级社对其力学性能方面的要求。

图2和图3分别为焊接接头腐蚀试验后接头各区在30倍、1000倍下的腐蚀形貌扫描照片。

从熔合线处的扫描照片可以看出，母材和焊缝之间没有出现不连续的台阶。

图4为室腐蚀挂片试验后接头各区的宏观照片。

从图中可以看出，焊缝区表面十分光亮、均匀和致密，母材区表面略差，热影响区的腐蚀最为严重。

但是总体上看，各区的腐蚀速率接近，属于均匀腐蚀。

①冶金因素对接头耐蚀性的影响腐蚀试验后，对焊缝区进行扫描和能谱分析过程中发现焊缝表面有球状的富铜颗粒析出，并且析出比较均匀(图5)。

焊缝表面析出的富铜颗粒在腐蚀液中的稳定性比较强，不易被腐蚀。

当析出的富铜颗粒在焊缝表面均匀分布时，会降低腐蚀速率，对基体起到一定的保护作用。

因此，焊丝中Ni、Cu等耐蚀金属元素的含量高于母材，是导致焊缝的耐蚀性强于母材的一个非常重要的原因。

②夹杂物的影响从图6可以看到，焊缝中的夹杂物主要是Si-Al-Mn-Ti等元素的球状复合氧化物夹杂，单个体积较小，平均尺寸为0.55μｍ，数量较多，分布均匀。

腐蚀试验结果表明，焊缝区的腐蚀均匀，耐蚀性最好，腐蚀后的表面光亮致密。

用肉眼观察没有发现点蚀坑，但是用金相显微镜在高倍下进行观察时会发现，焊缝表面有少量细小的点蚀坑的存在。

对试验后的焊缝表面进行扫描观察和能谱分析后可知，夹杂物是点蚀发生的最主要诱发源（如图7所示）。

③微观组织的影响接头各区的显微组织（200×）如图8所示。

母材的组织为珠光体＋带状铁素体，热影响区的组织为贝氏体，焊缝处的组织为针状铁素体＋少量贝氏体＋少量侧板条铁素体。

总体结果表明，接头力学性能良好，能够满足国际船级社的要求。

接头各区中母材的组织为珠光体＋带状铁素体，热影响区为贝氏体，焊缝为针状铁素体＋少量贝氏体＋少量侧板条铁素体。

母材与焊缝之间没有出现不连续的腐蚀台阶。

焊缝的耐蚀性最好，母材次之，热影响区最差。

[22]。

首钢技术研究院的杨建炜[23]等对新开发的SGNS-A32级货油舱用耐蚀钢及其焊接接头进行浸泡腐蚀试验，并辅以金相分析、电化学试验等研究手段，探讨了成分、组织等对耐蚀钢腐蚀行为的影响。

船板的力学性能和焊接接头的力学性能见表4。

耐蚀钢焊接接头热影响区和焊缝处的微观组织如图9和图10所示，热影响区的组织主要为贝氏体，焊缝部位的组织主要为铁素体＋贝氏体。

浸泡试验结束去除腐蚀产物后，其显微组织如图11所示，能明显区分焊缝、熔合线、母材等区域，焊缝处呈光亮的白色，试样表面和侧面未见明显的蚀坑，整体看各区域腐蚀速率接近，焊缝处和母材间未见明显台阶，耐蚀性匹配良好。