不锈钢海洋结构物的设计

不锈钢本身具有耐腐蚀性。在氧气存在的情况下，表面会自发形成一层紧密粘附的氧化   铬保护层，这意味着它们可以在没有保护涂层的情况下在广泛的环境中满意地运行。不锈钢   的这一固有特性对于位于暴露于海水氯化物的恶劣环境中的海洋结构物尤为重要。

不锈钢种类繁多，具有不同程度的耐腐蚀性和强度。由于双相不锈钢具有优越的强度、优异的耐腐蚀性和延展性，因此特别适用于海洋结构物中的结构部件，因为在海洋结构物中，   低重量和低维护材料是必不可少的。它们在石油和天然气行业有着长期的成功业绩记录，并在海上风和波浪结构物中得到越来越多的应用。

海上结构物的结构应用包括：

防爆墙、防火墙和覆层、住宿单元、安全墙， 电缆梯架，

管道支架系统、夹具和管架， 工作平台和其他支撑结构， 设备和机械的撬块，

桥梁、走道和地板， 楼梯塔和扶手，

登船系统。 

              图 1 海上平台上的防爆和防火逃生通道

机械和物理性能

不锈钢的应力应变行为的特点是逐渐屈服，没有明确的屈服平台和显著的应变硬化。因  此，屈服强度通常定义为 0.2%偏移永久应变。表 1 比较了双相不锈钢和奥氏体不锈钢与碳钢的最低规定机械性能。

表 1：不锈钢和碳钢板材的最低规定机械性能

奥氏体不锈钢具有特殊的韧性，不表现出韧脆转变；随着温度的降低，其韧性略有降低。   它们通常用于低温应用。尽管双相不锈钢与碳钢一样表现出从韧性到脆性的转变，但它们在大多数低温应用中具有足够的韧性，例如，对于厚度达 30 mm 的材料，在-40°C 的温度下， 贫双相不锈钢（即合金化程度较低）的母材和焊缝金属的平均韧性通常为 40 J。更高合金化的双工表现出更好的韧性。

不锈钢由于其良好的延展性和应变硬化特性（尤其是奥氏体等级），可以在高速下吸收相当大的冲击力而不会断裂。与碳钢相比，它们在高应变率下表现出更强的应变率依赖性，   即在快速应变率下，强度增加的比例比碳钢[1]更大。这两个特性在防爆应用中都很有用。

不锈钢的热性能不同于碳钢，在设计和制造时应适当考虑（见表 2）。

               表 2：不锈钢和碳钢的热性能

设计

合金选择

在奥氏体和双相不锈钢系列中，具有广泛的耐腐蚀性。结构不锈钢[1]和诺索克 M001[2]

的设计手册中给出了材料选择指南。

1.4401 或 1.4404 级钼合金奥氏体不锈钢广泛用于海洋结构物上的部件。但是，它们不适合在 60°C 以上的工作温度下使用，因为它们易受氯化物引起的应力腐蚀开裂（SCC）的影响。超奥氏体（'6%Mo'）等级，如 1.4547、1.4565 或 1.4529 是 1.4401/4 级的高合金替代品。它们的钼和氮含量较高，能够更好地抵抗缝隙腐蚀、点蚀和 SCC。

双相不锈钢比奥氏体不锈钢更耐应力腐蚀开裂，并且具有强度加倍的额外重要优势。贫  双相不锈钢（如 1.4162）用于结构元件，如电缆桥架、管道支架和其他二级结构。1.4362 级广泛用于海上平台上部的防爆和防火墙。标准双相等级 1.4462 或超级双相等级 1.4410、1.4501 或 1.4507 具有更高的耐腐蚀性。

对于水下应用，超级奥氏体或超级双相钢是合适的。请注意，由于水的蒸发会导致表面  氯化物浓度升高，因此定期盐雾或飞溅可能会造成与完全浸泡一样多的腐蚀。

构件设计

尽管结构性能与碳钢非常相似，但其非线性应力应变特性意味着不锈钢构件需要不同的设计规则。非线性主要影响局部和整体屈曲响应，而应变硬化影响屈服响应。与碳钢相比，   不锈钢构件可能表现出更大的变形。

连接设计

一般来说，奥氏体和双相不锈钢螺栓可采用相同的碳钢螺栓连接规则，但轴承要求不同，   以防止过度变形。螺栓的耐腐蚀性应等于或优于母材的耐腐蚀性，即至少应使用奥氏体 A4 螺栓连接贫双联板；用于连接标准双联板的双联 D4 螺栓（A4 螺栓的组成为 1.4404，D4 螺栓的组成为 1.4462[3]）。当用螺栓将不锈钢连接到镀锌或涂漆碳钢上时，应通过电气隔离来防止不锈钢与碳钢双金属腐蚀。例如，在接头两侧使用绝缘垫圈和衬套，或在碳钢部件上使用保护涂层，有效地将两种材料分开。不锈钢螺栓适用于连接碳钢或铝部件，并且具有更好的耐腐蚀性，如果正确指定，其使用寿命比热浸镀锌螺栓长得多。

焊接连接的碳钢设计规则通常适用于不锈钢。应选择兼容的耗材，以确保焊接金属的耐   腐蚀性至少与焊接材料的耐腐蚀性相同。不锈钢很容易焊接到碳钢上；对于异种接头，填充

金属应过度合金化，以避免开裂。为防止双金属腐蚀，碳钢上的涂漆涂层应延伸至焊缝和不   锈钢上至少 50 mm 的距离。

疲劳

焊接接头的疲劳行为主要取决于焊缝几何形状，而不是钢的类型，奥氏体和双相不锈钢  可以安全地采用碳钢的设计规则。

耐火性

不锈钢的不同化学成分在高温下会导致不同的强度和刚度退化[1]。奥氏体不锈钢的强度比碳钢高出约 550°C。在整个温度范围内，奥氏体不锈钢和双相不锈钢的刚度比例均高于碳钢。

案例研究 1：电缆梯架

图 2 电缆梯架

1.4404 级奥氏体不锈钢广泛用于北海海上平台上的电缆梯架。上面的电缆梯架厚度为

1.5 mm，根据 IEC 61537[4]的测试进行设计。A4-80 级紧固件用于将其固定到碳钢支撑结构上，带有绝缘尼龙衬套和垫圈，以防止双金属腐蚀。

装配

不锈钢结构部件可通过冷成型或将带材或板材焊接成角钢、槽钢或工字钢制成。也可提  供较小尺寸（<150 mm）的热轧或挤压型材和空心型材。

不锈钢不是一种难加工的材料，尽管它在某些方面与碳钢不同，应该进行相应的处理。  许多制造和连接工艺与碳钢类似，但不锈钢的不同特性在许多领域需要特别注意[5] [6]。重要的是，在项目早期，设计师和制造商之间建立有效的沟通，以确保采用适当的制造实践。最好使用在结构不锈钢方面有良好工作记录的制造商。

通常用于弯曲、矫直或切割碳钢板或薄板的相同机械制造技术也可用于不锈钢。然而，  由于不锈钢的加工硬化率较高，以及双相不锈钢的强度较高，因此功率要求比类似厚度的碳钢更高。此外，在弯曲或矫直不锈钢时，应适当考虑回弹变形。

奥氏体不锈钢通常采用普通工艺易于焊接。应尽量减少热量输入，以减少焊接变形，奥   氏体不锈钢的焊接变形通常大于碳钢。双相不锈钢可能不太容易变形，但需要控制焊接过程   中的最小和最大热输入。奥氏体和双相不锈钢通常不会预热，但必须特别注意恢复焊接区的   完全耐腐蚀性，例如通过焊后酸洗。

所有制造过程都应在清洁的环境中进行，使用专用于不锈钢的工具，以避免碳钢和铁的污染，从而增加表面腐蚀的可能性。如果在制造完成时存在残留污染的风险，可使用酸性配方喷涂结构，然后冲洗。在储存和搬运不锈钢时也需要更加小心，以避免损坏表面光洁度。

案例研究 2：Åsgard A 救生艇滑轨

图 3Åsgard A 救生艇滑道

        Åsgard A 是挪威北海的一个浮式生产储油卸油（FPSO）装置。作为 2019 年升级的一部 分，碳钢救生艇滑轨被一个由精简双联 S32304 增强版制成的结构所取代，从而显著减轻了 0.56 吨的重量。地板梁为 I 形截面，其余结构由 C 形和空心截面制成。光栅也是由这种合金 制成的。

        双相不锈钢格栅也用于海上风电场。例如，位于英格兰东北海岸外的 Dogger Bank 海上 风电场 A 的格栅选用了 1.4362 级的增强型格栅。除了比热浸镀锌钢格栅更轻之外，它们的 设计寿命更长，并且易于现场调整和重塑。

图 4 不锈钢格栅 

生命周期成本与可持续性

        由于不需要涂漆或阴极保护，因此在海洋结构物中使用不锈钢可延长使用寿命，减少维护。如果考虑整个生命周期成本，与碳钢相比，不锈钢的高材料成本可以抵消。此外，与传统碳钢相比，双相钢具有更高的强度，可用于减轻部件的整体重量，从而减少材料使用和安装成本，从而节约成本。对于材料成本仅占结构总成本的一小部分的海洋结构物而言，不锈钢所需的少量或无需维护的好处尤为重要。 

        不锈钢是100%可回收的，可以无限期地回收成新的高品质不锈钢。所有类型不锈钢的 典型回收含量至少为 60%。 

产品、设计和制造标准 

        在欧洲，欧洲规范 3：第 1.4 部分[7]涵盖了不锈钢结构的设计。本标准具有“补充”地位， 这意味着它只给出了碳钢规则不适用的表述。因此，它必须与欧洲规范 3 的其他部分一起使用。欧洲规范 3：第 1.2 部分[8]涵盖了不锈钢的耐火设计。关于不锈钢防爆墙的设计指南也 可用[9]。

        欧洲不锈钢的主要产品标准是 EN 10088，其中第 4 部分和第 5 部分[10]规定了用于结构 应用的不同不锈钢等级的化学成分和技术要求。第 4 部分涉及扁平产品，第 5 部分涉及长产 品。EN ISO 3506-1 涵盖不锈钢螺栓[3]。 

        涵盖冷成型和热加工结构不锈钢产品制造和安装的欧洲标准是 EN 1090-2[11]，该标准规定了钢结构施工的要求，以确保足够的机械阻力、稳定性、可用性和耐久性。 

        本出版物中提到的许多不锈钢都符合 NORSOK M-650[12]的要求。（NORSOK 标准旨在 为海上行业制定统一规范，并作为当局法规的参考。） 

案例研究 3：工艺装置撬块 

图 5 海上再气化装置中的撬块 

        挪威的一个海上平台上使用了许多这样的不锈钢垫木，用于存放液化天然气（LNG） 再气化过程中的设备。之所以选择 1.4301 级奥氏体不锈钢，是因为处理液的温度为-180 C 和奥氏体不锈钢具有优异的低温韧性。撬块由激光焊接不锈钢工字钢和方形空心型材组成。 每个滑道长 9 米，宽 2 米，高近 5 米。

参考文献

[1] 《结构不锈钢设计手册》第四版，钢结构研究所，第 413 页，2017 年 www.steelsulture。 org 设计手册

[2]诺索克标准 M-001 材料选择，第五版，2014

[3]EN ISO 3506-1 紧固件-耐腐蚀不锈钢紧固件的机械性能-第 1 部分：规定等级和性能等级 的螺栓、螺钉和螺柱。岑；2020

[4]EN 61537。有线电视管理。电缆槽系统和电缆梯架系统。岑；2007

[5]IMOA，制备双相不锈钢的实用指南，第三版，国际钼协会，伦敦，英国，2014

[ 6 ] IMOA，奥氏体不锈钢制造的实用指南，第二版，国际钼协会，伦敦，英国，2021。

[7] EN 1993-1-4。欧洲代码 3。钢结构设计：第 1-4 部分：一般规则-不锈钢补充规则。岑； 2006 

[8]EN 1993-1-2。欧洲代码 3。钢结构设计：第 1-2 部分：总则——结构防火设计。岑；2005 年

[9]法比格技术说明 5：不锈钢防爆墙设计指南，钢结构研究所，1999 年，www.FABIG。Com

[10]EN 10088 不锈钢：第 4 部分：建筑用耐腐蚀钢薄板和带材的交货技术条件。岑；2009 年第 5 部分：建筑用耐腐蚀钢棒材、棒材、线材、型材和光亮制品的交货技术条件。岑；2009

[11]EN 1090-2。钢结构和铝结构施工：第 2 部分：钢结构技术要求。岑；2018 年

[12]诺索克标准 M-650 特殊材料制造商资格认证，第四版，2011 年