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產業技術評析

海洋設施用鋼之發展現況與趨勢
發表日期:2017-09-27
作者:陳建任(金屬中心)
摘要:
隨著陸上化石燃料的逐漸枯竭、農耕土地的日趨匱乏,人類開始將目光對準海洋。海洋資源的開發與利用,被視為未來的開採與生產基地。

全文:

一、前言
 

隨著陸上化石燃料的逐漸枯竭、農耕土地的日趨匱乏,人類開始將目光對準海洋。海洋資源的開發與利用,被視為未來的開採與生產基地。台灣四面環海,對海洋並不陌生,但對於海洋的開發,仍僅止於漁業與極小部分的開發運用。
 

由於台灣土地狹窄,目前迫切需要發展的風力發電等再生能源發展,抑或近期在媒體吸引眾人目光的可燃冰開發以及海洋深層水、洋流發電、油田開發、海洋牧場等,勢必須借助廣闊的海洋。而耐海水腐蝕材料的研究和應用,是海洋開發的基礎和前提。【圖1】為主要海洋設施示意圖。
 

圖1 主要海洋設施示意圖

資料來源:網路資料/金屬中心 MII-ITIS研究團隊整理
圖1 主要海洋設施示意圖
 

海洋設施用鋼應用於:海洋工作平台、海底油氣管線、大型跨海橋樑、離岸風力發電機、洋流發電設施、海洋牧場等領域的低合金高強度鋼。海洋用鋼應用面廣、量大,未來將隨著人類開發海洋的步伐,持續擴大使用量。海洋設施用鋼主要是針對海洋設施所需的鋼材,其除了要面對高低溫、高壓、高濕、氯鹽腐蝕、微生物腐蝕以及承受海風、海浪、洋流作用,還要面對颱風、浮冰、地震等自然災害。海洋設施用鋼的可靠度和安全要求較高,是屬於高值化鋼材。克服海水氯離子和微生物對鋼材的腐蝕,是產業界公認的技術難題,許多面向海洋開發的先進國家均相當重視此一領域的研發。
 

二、海洋設施用鋼的種類與發展
 

海洋設施用鋼主要可以分為:海洋平台用鋼、海底油氣管線用鋼、油氣儲運艦船用鋼、海洋離岸設施等用鋼,主要以低合金高性能結構鋼為主。目前海洋設施的製造技術與相關的技術標準被歐美廠商壟斷,如海洋鑽井平台、海底油氣輸送管線、油氣儲運裝備等。
 

1.海洋平台用鋼
 

海洋平台主要用於油氣勘探與開採,通常海洋平台使用期限超過30年,約較船舶壽命延長1倍,須具備高強度、高韌性、抗疲勞、抗層狀撕裂和良好的銲接及耐腐蝕性能,屈服強度主要為355M Pa、420M Pa、460M Pa,低合金鋼的抗層狀撕裂性能是主要的技術難題。
 

一座海洋平台用鋼量依搭建之深淺度而不同,約為3千~2萬公噸左右,AH-EH級船板6mm、8mm、10mm等厚度的高強鋼板用量占80%以上,E級鋼板要占全部用鋼量的70%~80%。寬度2.4m規格的鋼板用量較多。目前國外深水鑽探最大水深已達3,095m,已開發油氣田最大水深為2,743m。
 

2.海底油氣管線用鋼
 

海底油氣管線用鋼主要用於油氣探勘與開採,又分為深海裝備耐壓艙用鋼及海底油氣生產和輸油管系統用鋼。
 

通常海底管線採取嚴格的抗腐蝕包覆措施,因此,對海底管線用鋼的要求主要以力學性能和產品品質管控為主。海底管線用鋼應具有很高的橫向和縱向強度、高低溫止裂韌性、良好的銲接性、抗大應變性能,目前國際上廣泛採用API X52~X70級的管線鋼。
 

世界各國鋪設的海底管道總長度已超過十幾萬公里,鋪設深度不斷加大,輸送壓力不斷提高,海底油氣輸送管道逐漸由小口徑、薄壁鋼管向大口徑、大壁厚發展,最大管徑達到1,422mm,最大壁厚達到41mm。2005年完成鋪設的Langeled北海管線,連結英國與挪威,水深達1,000m,採用了X70管線鋼。歐洲鋼管公司為該管線提供了835公里長的鋼管,總重量達63萬公噸。
 

另一條2012年全面啟用的天然氣管道(Nord Stream project),連結俄羅斯與德國,包含兩條平行管道,該兩條穿越波羅的海的輸氣管道使用X70管線,管徑1,219mm,最大壁厚41.0mm。目前國外海底管道水深已達2,000m以上,採用X70鋼級、大口徑、大壁厚鋼管。用於深水的X65、X70鋼管對塑性、強韌性、耐腐蝕、抗疲勞和尺寸精度等方面的要求越來越高。
 

3.海洋能源設施用鋼
 

海洋能源設備通常採用高強度、高塑性、耐疲勞、耐低溫、大厚度、面外方向強度高的鋼材。以離岸風力發電設備用鋼為例,一座風電機需要厚板、電磁鋼片、棒鋼、鑄鋼等鋼鐵材料共計約1,000~2,000公噸。隨著風力發電機組朝大型化發展,用鋼量還會進一步增加。
 

風力發電機的塔架和基樁是厚鋼板銲接鋼管,採用355MPa級別銲接,在零下10℃環境下,經過裂紋尖端張開位移(CTOD)試驗的鋼板銲接鋼管,用環向銲接的方法連接起來製成。塔架鋼板的厚度在40mm以下,要求零下20℃~0℃的Charpy衝擊試驗吸收能,基樁用鋼板厚度為50~120mm,母材及銲接區都要求零下40℃的Charpy衝擊試驗吸收能。到2025年我國將建置3GW的離岸風力發電設備,將帶動相關鋼材的需求。
 

三、海洋設施市場規模
 

為了因應能源需求的增加與資源的不足,海洋設施的市場規模持續成長。圖2為2010~2030年世界海洋設施市場規模預測,2010年全球海洋設施市場規模為1,452億美元,預計到了2030年將增加為5,038億美元,2015年將有60%的油井屬於深海油井。
 

近年油價下跌多少影響了海洋能源產業的投資。若每桶石油價格超過100美元,則深海油田具有的開發經濟性,但如果低於80美元/桶,石油公司將不願意投資深海能源開發項目。相關深海設備廠商正持續開發新技術及降低成本,以提高深海資源開發的經濟性。
 

圖2 世界海洋設施市場預測(2010~2030年)

資料來源:Douglas Westwood&World Wind Energy Report、韓國動力機械工學會誌/金屬中心 MII-ITIS研究團隊整理
圖2 世界海洋設施市場預測(2010~2030年)
 

四、海洋設施用鋼概況
 

海洋設施常年浸泡在海水中,需承受各種惡劣海況,其鋼材的技術指標要求極高,不僅要有耐大氣腐蝕和耐海水腐蝕的性能,且要求良好的力學和加工性能等。其主要性能要求包括:
 

(一)較高的強度:抵抗海洋上的強風、海流、海浪衝擊。具有良好的抗層狀撕裂能力,避免鋼材在反覆接受厚度方向外力時,發生撕裂。
 

(二)大厚度規格:海洋設施朝大型化發展,其鋼材厚度逐漸增大,厚度125~150 mm以上已較普遍。大厚度造成銲接困難,對強度、低溫韌性和耐腐蝕開裂也有影響。
 

(三)良好的銲接性能:大厚度鋼材銲接困難,銲縫及其熱影響區極易發生應力腐蝕開裂。銲接接頭性能與母材具相同或相近性能,確保整體結構的安全性。
 

(四)良好的低溫衝擊性能:部分海洋設施用鋼需在零下40℃以下環境仍具有良好的衝擊性能,以在極寒冷環境下建置。
 

(五)鋼質純淨度要求:低磷、硫等雜質,並對摻雜物的種類要求高,以避免海洋設施在面對颱風和水流運動影響後發生金屬疲勞,確保作業人員與財物設施之安全。
 

(六)耐腐蝕性能的要求:海洋結構體長期處於鹽霧和海水環境中, 受海水及海洋生物等侵蝕,產生劇烈電化學腐蝕 等現象,壽命縮短,且維修保養不易,對耐腐蝕要求高。
 

(七)止裂性性能要求:海洋設施若發生破裂、斷裂災海,可能引發大火、甚至原油汙染外洩等事件,對於海洋設施的止裂性能受到重視,相關國際標準正制訂中。
 

目前國際上海洋設施用鋼的發展,主要遵循四大國際標準,即En10225和BS7191(歐洲標準)、API(美國標準)、Norsok(北海標準),這些標準對力學性能、設計製造有明確規定,但耐腐蝕性能規範較欠缺。
 

主要廠商海洋用鋼的供應商有德國Dillinger、日本新日鐵住金、JFE以、韓國POSCO等廠商生產。鋼種級別主要為屈服強度355MPa~690MPa,低溫性能要求至少-40℃,甚至-60℃,其抗層狀撕裂性能達Z向35%,要求耐腐蝕性能良好,且需要進行TMCP、正常化、調質等處理。現今在海洋平臺建設中,也應用了更高強度級別的鋼板,這些高強鋼板主要通過調質製程來生產,鋼板屈服強度可達1,100MPa。但由於銲接困難和耐腐蝕開裂問題,超高強鋼在海洋設施中應用較少。
 

在國內的發展方面,由於海洋設施長途海運不符經濟效益,且運輸期間可能受天候影響無法如期交運風險高,另因屬長、重件且體積龐大,國內不易挪出暫存場地,有必要進行國產化。中鋼公司為國內唯一寬幅鋼板生產廠商,目前中鋼公司海洋用鋼板現階段可供料規格範圍主要包括:(1).風機基礎及塔架用鋼:超厚鋼板需求規格中,中鋼可產製者有S355 ML(+Z25,-40℃厚度向衝擊試驗≧40J),鋼板厚度最大可達95mm。(2).高強度船用鋼板:已通過船協認證之高強度船用鋼板有AH32、DH32、EH32、AH36、DH36、EH36、EH40、EH47等種類,中鋼均可供應至板厚75mm。海洋風電(上緯公司)使用EN10025 S355ML及S460ML超厚鋼板,福海(永傳公司)需求的VL D36、E36TM及E36Z35TM等鋼板,中鋼亦可生產供應。
 

五、結語
 

海洋資源的開發與利用,是次世代經濟成長的動力來源。未來的海洋勘探、離岸設施以及海上建築等發展,將有很大發展空間,“材料先行”刻不容緩。未來我國海洋設施所需的鋼材,將持續朝以下方向發展:
 

(一)高強度海洋用鋼:受地震與颱風等複雜因素影響,高強度、大厚度鋼材是重要研發課題。為提升我國海洋鋼結構產業競爭力,有必要對高強度鋼材的國產化進行發展。
 

(二)耐腐蝕鋼:海洋設施用鋼的耐腐蝕性能非常重要。儘管可在海洋鋼結構體上採取油漆、外加電流或電化學方式進行保護,但鋼材本身亦應有良好的抗腐蝕性能。
 

(三)銲接技術與銲材的配套:高強度超厚鋼板大量被採用,必須配套發展相應屈服強度等級的銲接技術與銲材。
 

(四)相關結構件開發:海洋結構體某些特殊區域和部位需要使用鑄件或專利件材料,雖占比小,屬高附加值的產品。
 

(本文作者為金屬中心執行產業技術前瞻研究與知識服務計畫產業分析師)


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更新日期:2020-04-08

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