TWI439552B - 供船舶應用的耐蝕鋼 - Google Patents
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Description
本發明一般而言係關於耐蝕鋼及該等鋼之產品。本發明尤其(而非排他地)係關於供適用於船舶應用之產品用之耐蝕鋼。該等產品尤其包括在使用時浸於海水中之板樁、支承樁、組合壁等。
鋼板樁已自20世紀開始起用於建造堤岸及海港、水閘(lock)及堤道(mole)，保護河堤以及在陸地上及水中開挖，及(一般而言)橋座、擋土牆、地基結構等之開挖工作。
除普通板樁壁外，板樁也可容易地用作主樁之間的填充板以建立組合壁(combined wall)(或「組合壁(combi-wall)」)，用於建造具有高耐彎曲性之深岸壁。主樁典型地為寬緣樑或冷成型焊接管。藉由聯鎖桿(連接器)將填充板連接至主樁。
板樁壁及更一般而言鋼組合壁之設計是由作用於其之負荷所控制，該等負荷包括來自土壤、水及表面超載荷之所施加力。如板樁及管之結構元件之機械效能因此為主要參數。
組合壁設計中要考慮之另一基本態樣為耐久性。板樁結構之壽命明顯地受環境因素強烈影響。在船舶環境中工作者明白腐蝕為在結構之長期壽命中要考慮之最重要因素之一。
實際上，見於船舶環境中之氯化物激發腐蝕過程且為對鋼之較迅速侵蝕之首要原因。風及波浪相組合而提供用於電化學反應之氧及水分，且磨損可移除任何保護鏽蝕薄膜。然而可注意到，並非所有鹽-水環境對鋼為危險侵蝕性的，且沿樁結構之高度之所有區並不受相同速率之侵蝕。
實際上，板樁壁之海邊部分暴露於6個「區」-大氣區、飛濺區(稍高於高潮位之大氣區)、潮汐區、低水位區、浸沒區及土壤區。該等區之每一者之腐蝕速率顯著不同。通常，經驗已展示海岸船舶環境中之鋼板樁在飛濺區(稍高於平均高水位)及低水位區(稍低於平均低水位)中具有最高腐蝕速率，在該等樁結構上大氣區域及土壤區域中之腐蝕速率可忽略。
船舶環境中之腐蝕效應可藉由犧牲鋼保存及/或保護方法(油漆、陰極保護)來解決。然而，保護塗漆或混凝土層僅可應用於鋼結構之非浸沒區上。
向碳鋼添加某些合金元素亦在一些環境中提供改良之效能。早在1913年，鋼鐵工業之實驗工作顯示，少量銅將增強碳鋼之耐大氣腐蝕性。
在20世紀60年代，開發了所謂「船舶」級鋼，且在當今為碳鋼之熟知替代物以用於船舶環境之板樁。ASTM標準A690給出了該高強度、低合金(HSLA)鋼之化學成分，其比典型碳結構鋼含有更高含量之銅(0.08-0.11wt.%)、鎳(0.4-0.5wt.%)及磷(0.08-0.11wt.%)。測試顯示在暴露船舶結構之飛濺區中，與典型碳結構鋼相比，對海水腐蝕之大體上改良之耐腐蝕性。
亦出於對船舶環境中之鋼腐蝕的關注，Corus UK Ltd.於12.09.2002申請了作為GB 2 392 919公開之專利申請案，其係關於用於生產供船舶應用之板樁之CrAlMo耐蝕鋼。揭示了以下鋼成分(重量百分比)：0.05-0.25之碳；至多0.60之矽；0.80-1.70之錳；0.75-1.50之鉻；0.20-0.50之鉬；0.40-0.80之鋁；至多0.05之鈦；至多0.045之磷；至多0.045之硫；餘量為鐵及偶然及/或殘餘雜質。Corus之目標為提供可焊接耐蝕鋼，其尤其是耐海水且具有以下機械性質：
-約355MPa之最小屈服應力；
-約480MPa之最小拉伸強度；
-在0℃之測試溫度下之27J之最小Charpy吸收衝擊能。
不幸地，經設計用於板樁產品之該CrAlMo鋼由於在連續澆鑄過程中面臨之初始困難以及一些不足之機械性質而從未以工業規模製造。另外，據本案申請者所知，上述鋼之測試結果並不允許達到所宣稱之機械效能。詳言之，上述CrAlMo鋼展示低韌性及延性。
可注意到，已在過去進行各種研究及測試以測定合金元素對低合金鋼之抗腐蝕性質之效應。雖然一般而言該等研究之作者會在特定合金元素之效應上於給定腐蝕區及於給定時期方面中觀察到一些趨勢，但結論總是平庸無奇的。此外，存在許多矛盾的結果。
通常，必須記住鋼在船舶環境中之抗腐蝕性質與合金元素之間的關係隨船舶環境之變化而顯著不同。如此項技術中所知，相同合金元素對於在飛濺區及浸沒區中之鋼的抗腐蝕性之效應可明顯不同。實際上，給定合金元素可在一個區中改良鋼之耐腐蝕性，而在另一區中可能不會，或甚至加速在彼另一區中之腐蝕速率。另外，已觀察到雖然(例如)鉻之增加可最初改良耐腐蝕性，但是在特定時期後，形式可被逆轉。又，在合金元素之間可存在一些協同效應，該協同效應當然視濃度而定，但通常不隨濃度而線性變化。
金屬結構可能經歷之另一類型腐蝕為所謂「電化學腐蝕」。電化學腐蝕係定義為因與電解液中之更鈍態金屬之電接觸所導致之金屬的加速腐蝕。海水之高電導率係促進了存在於金屬結構中之兩種不同類型金屬之間的該類型腐蝕。因此，當設計組合壁時，應注意不要將碳鋼結構元件與由微合金鋼製成之其他元件連接。
更近期，已對通常命名為微生物影響腐蝕(MIC)之另一腐蝕來源引起注意。實際上，近期已證明，該類型之局部腐蝕發生在船舶環境中之鋼結構上之低水位區中。該現象稱為加速低水位腐蝕(ALWC)，且是造成極高速率腐蝕的原因。
自上文看，似乎在建造船舶環境之組合壁中必須考慮許多因素。用於不同結構元件之所選鋼必須符合所需要之機械效能，但同時希望鋼具有改良的對海水之耐腐蝕性。
儘管某些合金元素之添加可有助於改良耐腐蝕性，但是其不應危害到機械效能。因此必須謹慎進行碳鋼之合金以達到所要強度及韌性，增強一或多個區中之耐腐蝕性，而不加速其他區中之腐蝕，且考慮到可焊性及成本問題。
實際上，儘管在船舶環境中鋼之急性腐蝕已自20世紀50年代起成為所關注之問題，但是必須注意當今所製造之絕大多數用於船舶環境之板樁及管係由普通碳鋼製得。
本發明之目標
本發明之一目標為提供耐蝕鋼，其尤其提供對海水之改良耐腐蝕性，且提供用於建造組合壁及船舶環境中之其他結構之相關鋼產品的適當機械效能。
本發明實際上得自以下觀念：為增加壽命且簡化船舶環境中之板樁結構且更一般而言鋼組合壁之維護，理想的將為使用適於製造不同結構元件的單一鋼(化學)成分。就此而論，應記住組合壁係習知地自符合不同標準之管及板樁製造，此暗示著對結構元件之化學成分之不同要求。
使用相同鋼來製造如組合壁之管或寬緣樑、板樁及連接器之結構元件減輕了經連接結構構件之間的電化學腐蝕問題。另外，對相同區而言，腐蝕將穿過結構均勻地發生。
仍就維護而言，本案發明者旨在開發至少在浸沒區中具有改良耐腐蝕性之鋼組合物。此決定是為了促進對組合壁或板樁壁之維護。實際上，維護鋼結構之浸沒區比大氣區或飛濺區明顯較不方便，浸沒區總處於水下。
開發該等鋼之困難因此為必須考慮之參數加上板樁及管來自不同製造路線(各路線具有尤其就其可處置之鋼組合物而言的其自身之製造方法、設施及專門技能(know-how))的事實之總和。雖然開發了本發明，但是發明者已考慮了許多參數：機械效能(強度及韌性，微結構)；耐腐蝕性，尤其在浸沒區中對海水之耐腐蝕性；可焊性；工業可行性，考慮到鋼組合物必須適用於長及扁平軋材之生產路線；及(最後但非最不重要)成本。
根據本發明，建議一種鋼，其包含鐵及以重量百分比計：
碳：0.05至0.20；
矽：0.15至0.55；
錳：0.60至1.60；
鉻：0.75至1.50；
鋁：0.40至0.80；
鈮及/或釩：；
硫：至多0.045；及
磷：至多0.045。
較佳地，餘量為鐵及偶然及/或殘餘雜質。然而，鋼可另外包含其他元素。
應瞭解，本發明之微合金鋼具有超過習知碳鋼之改良耐腐蝕性，尤其對海水之改良耐腐蝕性，亦即，降低了浸沒區中之腐蝕速率。浸沒區中之增強耐腐蝕性為尤其有利的，因為浸沒區無法藉由油漆或混凝土蓋層保護。
儘管不願被理論約束，但是可注意到，改良耐腐蝕性係自浸沒區及低水位區中形成之黏著層及緊密層產生。該層富集微合金化元素且擔當發生均勻腐蝕所需之氧之障壁。
亦應瞭解，本案之鋼組合物具有對MIC(尤其ALWC)之改良耐腐蝕性。
因為將使用衝擊錘或振動打樁機把組合壁打入土壤中，所以各種組件應抵抗在安裝期間產生之應力。就此而論，可瞭解，本發明鋼之另一有利態樣為在高應力水準下之韌性及延性(藉由斷裂伸長率A解釋)。
該改良耐腐蝕性不犧牲機械效能，因為可獲得以下效能：
-板樁之約355Mpa之最小屈服應力，及管之400Mpa之最小屈服應力；及
-板樁之約480Mpa之最小拉伸強度，及管之500MPa之最小拉伸強度。
此外，藉由本發明之組合物，可確保在0℃下之27J之最小斷裂韌性。
因此，本發明之鋼允許製造至少具有根據EN10248-1之S355GP級之機械效能的板樁(即U、Z或H主樁)及連接器。其亦允許製造至少具有EN 10219-1之S420MH級或API 5L標準之X60的機械效能之管。
上文合金元素之每一者之較佳濃度(wt.%)為：碳：0.06至0.10；矽：0.16至0.45；錳：0.70至1.20；鉻：0.80至1.20；鋁：0.40至0.70；鈮及/或釩： ；硫：至多0.008；磷：至多0.020。
儘管不願被理論約束，但是可關於一些元素及其各自量之選擇給出一些解釋。
本發明的鋼組合物係基於改良浸沒區中之耐腐蝕性之Cr及Al的協同效應。亦據信該等合金元素證明了對於抵抗ALWC尤其是有效。
如所知，鉻對強度起作用但在此主要是用於抵抗海水腐蝕。認為較高含量之Cr會導致其效應之逆轉，且已考慮其他元素(尤其Al)來選擇Cr之量。因此選擇0.75至1.5wt.%之範圍。
雖然在大多數製鋼工業中，鋁係出於脫氧目的以少量(至多0.05wt.%)來使用，但是鋁在此為與鉻的主要合金元素。0.40至0.80wt.%之較高所選範圍提供了與鉻之所要協同效應，其允許對碳鋼上之海水腐蝕及生物腐蝕增強抵抗力。
選擇0.05wt.%之最小碳含量以確保適當強度。為了獲得鋼之改良可焊性，碳之上限固定為0.20wt.%。
已知錳為有效固溶強化元素。選擇0.60至1.60wt.%之範圍作為強度、可硬化性及韌性之間的折衷。
添加鈮及/或釩引起沈澱硬化及晶粒細化，且允許在熱軋條件下達到較高屈服強度。可單獨添加Nb或V。V及Nb在具有低碳含量(尤其0.10wt.%以下)之鋼中的組合使用則降低了波來體(pearlite)之量並且改良韌性、延性及可焊性。
可視需要將鉬添加至本發明之鋼中。Mo之添加可提供增強之強度。然而，過高量之Mo可在組合壁之工業生產中成為問題。另外，就浸沒區中之耐腐蝕性改良而言，Mo之效應不被視為尤其有效的。因此，Mo濃度應在0.001與0.27wt.%之間且較佳地不大於0.10wt.%。
另一可選合金元素為鈦，其允許沈澱N及S。為避免不利效應，Ti之較佳上限設定為0.05wt.%，下限為0.001wt.%。
就此而論，為了獲得自本發明之鋼製造之長(軋製)產品之改良精整態樣，較佳控制氮含量不超過0.005wt.%、更佳不超過0.004wt.%。其最小化了可在連續鑄造期間形成且可在一些情況下導致表面缺陷之氮化鋁之沈澱。如熟習此項技術者所知，可採取各種措施，藉由將N與已知添加元素組合(Ti、Nb及V對氮具有特定親和力)及/或藉由在連續鑄造期間採取適當措施(例如，保護流等)以避免/限制氮之該效應。
根據本發明之鋼及鋼產品可使用習知製鋼(高爐/鼓風爐、鹼性氧或電弧爐)及處理(例如熱軋、冷成型)技術來製造。
應瞭解，鋼中之雜質之性質及含量將視製鋼路線而定。雖然自鼓風爐得到之鋼相當純，但是板樁常常係自得自電弧爐之鋼(亦即，自金屬廢料)製造。在後一狀況下，如熟習此項技術者所知，諸如銅、鎳或錫之元素可作為殘餘元素，以相對高的含量存在。
為了獲得改良之可焊性，碳當量值(CEV)應較佳在0.43以下，CEV係根據下式計算：
本發明之鋼組合物允許製造具有主要包含肥粒鐵(ferrite)及波來體之微結構的鋼。較佳地，尤其對熱軋板樁而言，微結構由(例如)呈4:1比率之肥粒鐵(主相)及波來體組成。
與GB 2 392 919中所述之CrAlMo鋼相比，本發明鋼可實際上在工業上製造且具有優越機械效能。詳言之，如藉由現代設計方法(基於極限狀態)所需，在高應力下其具有相當大的延性(藉由拉伸測試中之伸長率表示)。本發明者使用Al及Cr作為主要合金元素開發了一種具有增強之機械效能與良好的耐腐蝕性之鋼，而GB 2 392 919堅持使用3種合金元素Cr、Al及Mo，而Mo的添加則是為了強度及耐腐蝕性。
詳言之，本發明者已觀察到，達到所要效能無需鉬，過高鉬含量甚至導致微結構之異質性(產生貝氏體)及輥軋機之問題。鉬之使用亦顯著增加生產成本。
本發明亦係關於由上述鋼製成之鋼產品、中間鋼產品及鋼結構。關於諸如組合壁或板樁壁之鋼結構，所有個別鋼元件是由落在上文規定範圍內之鋼製得，且較佳具有相同成分(亦即，具有各合金元素的大體上相同濃度)。
已在實驗室中測試本發明之鋼之各種成分以模擬工業板樁之可行性。用鋼樣本，使用常用於工廠之軋製參數(溫度、變形(reduction))來進行實驗室熱軋。
在實驗室中製造具有如下文表1中所列之鋼成分(剩餘物為鐵及偶然及/或殘餘雜質)之樣本。隨後測試該等樣本之機械效能以與該等標準之要求相比。使樣本B119、B121及B123經歷實驗室板樁熱軋。使樣本B125經歷模擬鋼板生產之軋製。
表2又給出所測試樣本之所得機械效能以及藉由相關標準規定之值(當前標準並未規定抗衝擊性之值)。如可見，樣本B119、B121及B123具有超過歐洲板樁標準之S355GP級所規定之彼等值的各別屈服強度(Rp0.2)、拉伸強度(TS)及伸長率值。
測試中代表鋼管之B125樣本亦顯示超過鋼焊接管之X60及S420MH(壁厚在16與40mm之間)級之性質的機械性質。可注意到，所有樣本延性(藉由伸長率A顯示)是顯著高於規定值。
亦在工業級別下對板樁及管進行測試。在下文報導對依據參考AZ18及AZ26之板樁之2個試驗。藉由連續鑄造生產層板。隨後在工業熱軋機上自所獲得層板熱軋Z輪廓(AZ18及AZ26)板樁。對產品之鋼分析報導於下文表3中(剩餘物為鐵及偶然及/或殘餘雜質)。
該等板樁之機械效能概述於下文表4中(屈服強度-ReH、拉伸強度-Rm及伸長率-A5d)，其中e指示腹板厚度。對各板樁，已測試來自腹板及凸緣的2個樣本。對彈性測試，已取用若干樣本且在0及-20℃下進行測試，平均值顯示在最後一欄中。
如可見，就機械效能而言，該等板樁大體上優於S355GP(EN 10248-1)之要求。
如此項技術中所知，焊接管係自鋼旋管製造。已在習知扁平軋材工業條件下(連續鑄造及熱軋)製造具有表5之鋼成分(剩餘物為鐵及偶然及/或殘餘雜質)之旋管，且使其經受拉伸及斷裂韌性測試；結果報導於表6中(e為箔厚度)。儘管樣本是在旋管上取出且並非來自焊接管，但是在此項技術中通常承認該等測試仍可提供對焊接管之機械效能之良好顯示，焊接管之屈服應力及拉伸強度略低(幾個MPa)。
又，該等值明顯優於S420MH(EN 10219-1)或X60之要求。給出所獲得之斷裂韌性值供參考。
最終，已自具有如表7中所指示之鋼成分(剩餘物Fe及偶然及/或殘餘雜質)之金屬塊料工業生產C9型連接器，且使其經受下文表8中報導之機械試驗。
對所有樣本而言，在實驗室中使用加速腐蝕模擬之初始腐蝕測試顯示與習知碳鋼相比之對海水之改良耐腐蝕性。
進行其他實驗室試驗以在樁結構上模擬船舶環境中之腐蝕。在15週期間，使鋼樣本暴露於無菌環境以及細菌環境(已知與鋼之加速腐蝕有關)。選擇測試參數以加速腐蝕，以便觀察與傳統樁碳鋼以及GB 2 392 919之已知船舶級鋼相比的本發明鋼等級之相對特性。該等測試揭示，在兩種環境中，本發明之鋼展示與GB 2 392 919之船舶鋼等級相當的腐蝕樣式，兩者均顯示超過碳鋼之改良耐腐蝕性。
為完整性，將由本發明之鋼製成之鋼樣本在低水位及浸沒位準下暴露於海港環境中。在8個月的暴露後，質量損失量測確認了與習知碳鋼相比，本發明鋼之改良耐腐蝕性。
自上文之實驗，似乎本發明鋼允許製造組合壁所需之各種組件，即板樁、管及連接器，其顯示優於由相關標準規定之彼等效能之機械效能且在船舶環境中具有改良的耐腐蝕性。
在上文實施例中，已成功自相同鑄件生產板樁及管，且因此其具有實質上相同之化學成分。此將避免當其一起用於壁中時的電化學腐蝕效應。
Claims (24)
- 一種用於船舶應用之鋼，其以重量百分比計由下列元素所組成：碳：0.05至0.20；矽：0.15至0.55；錳：0.60至1.60；鉻：0.75至1.50；鋁：0.40至0.80；鈮及/或釩：0.01[Nb]+[V]0.60；硫：至多0.045；及磷：至多0.045；鉬：至多0.15wt.%；鈦：至多0.05wt.%；及其中餘量為鐵及偶然及/或殘餘雜質。
- 如申請專利範圍第1項之鋼，其中該鉬含量至多0.10wt.%。
- 如申請專利範圍第1項之鋼，其中該碳含量為0.06至0.10wt.%。
- 如申請專利範圍第1項之鋼，其中該矽含量為0.16至0.45wt.%。
- 如申請專利範圍第1項之鋼，其中該錳含量為0.70至1.20wt.%。
- 如申請專利範圍第1項之鋼，其中該鉻含量為0.80至1.20wt.%。
- 如申請專利範圍第1項之鋼，其中該鋁含量為0.40至0.70wt.%。
- 如申請專利範圍第1項之鋼，其中鈮及/或釩之該含量係由下式定義：0.01[Nb]+[V]0.20wt.%。
- 如申請專利範圍第1項之鋼，其中該硫含量不大於0.008wt.%；且該磷含量不大於0.020wt.%。
- 如申請專利範圍第1項之鋼，其包含不大於0.005wt.%之氮。
- 如申請專利範圍第10項之鋼，其包含不大於之氮。
- 如申請專利範圍第1至11項中任一項之鋼，其具有如根據下式所計算之小於0.43之碳當量值(CEV)：
- 如申請專利範圍第1至11項中任一項之鋼，其在熱軋條件下具有主要包含肥粒鐵及波來體之微結構。
- 如申請專利範圍第12項之鋼，其在熱軋條件下具有主要包含肥粒鐵及波來體之微結構。
- 一種由如申請專利範圍第1至14項中任一項之鋼製成之鋼產品。
- 如申請專利範圍第15項之鋼產品，其中該鋼產品為一板樁、一寬緣樑、一焊接管或一連接器。
- 一種由如申請專利範圍第1至14項中任一項之鋼製成之中間鋼產品。
- 如申請專利範圍第17項之中間鋼產品，其中該中間鋼產品為一層板、旋管、軋製工字樑用的異形坯(beam blank)或塊料。
- 一種包含由如申請專利範圍第1至14項中任一項之鋼製成之結構元件的鋼結構。
- 如申請專利範圍第19項之鋼結構，其中該鋼結構為一板樁壁或一組合壁。
- 一種由如申請專利範圍第1至14項中任一項之鋼製成之熱軋板樁，其包含由肥粒鐵及波來體組成之微結構。
- 一種藉由連接器彼此相連之管及板樁之組合壁，其中該等管、板樁及連接器係由相同如申請專利範圍第1至14項中任一項之鋼組合物製得。
- 一種如申請專利範圍第1至14項中任一項之鋼用於船舶應用之用途。
- 如申請專利範圍第23項之用途，其為用於該鋼被曝露至低水位腐蝕之船舶應用。
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| MM4A | Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees |