一、复合材料

    复合材料作为新型结构功能材料，具有优越的可设计性，而且具有重量轻、比强度和比模量高、阻尼性能好、耐疲劳、耐化学腐蚀、耐磨性能好、热膨胀系数低以及射线透过性好等特点，并且在海洋湿热、多盐的环境条件下也能够表现出优异的性能。复合材料的应用情况能够反映一个国家海洋工程装备的先进程度和未来的发展趋势。

    海洋工程用复合材料的发展趋势

    未来 5-10 年的海洋油气资源勘探开发中，海洋平台、海底管道、系泊系统等的建设需求旺盛，并且随着我国海洋强国战略的进一步实施，包括军、民用船艇海洋工程装备面临前所未有的发展机遇，同时对材料的性能要求也越来越高。

    复合材料在替代传统金属材料方面还有很多空间。对于海洋工程用复合材料，尚有很多工作要做。未来将向三个方向发展：

    （1）向低成本、高性能、集成化生产的方向发展

    各种规格的船舶制造商们正寻找提高其竞争力的方法，以较低的成本将产品更快地推出市场是达到这一目标的关键所在。设计和制造质量的提高会促进上述目标的实现。船舶部件需要在极端气候条件下具备可靠性、安全性，因此性能在许多应用中都是关键因素。速度和稳定性是船舶设计的主要目标。例如赛艇、高速巡逻艇和特殊用途船舶以及某些快速渡轮。军用和商用船艇的上部结构也追求减重目标，重心的降低可以提高稳定性和安全性。最小化并精确控制复合材料层压板的质量可以获得更好的性能。

    （2）向虚拟设计、制造、验证一体化的方向发展

    复合材料设计软件正快速成为多个行业设计过程中的主要组成部分。设计和应力分析是设计过程中的两大重点，通常这两个学科之间的交流并不理想，因此会出现单调且缓慢的重复工作。最近几年，复合材料设计软件和结构分析软件之间的双向交流取得了良好的进展。制造商通过开发出的复合材料部件或组装件的完整详细的三维 CAD 模型，可以对复合材料模型进行精确性和完整性的定义，带来了更高的质量，并且可以预测潜在的制造问题，设计和分析同步进行，部件得以优化，不同部件拥有专门的设计方法。复合材料部件的设计越精确，结构的优化也就更好更快。采用复合材料设计软件可以使工程师在开发过程中大大减少变数，也让使用者可以立即记录下所有设计上的改变。在设计初期对复合材料部件进行完整详细的三维设计，制造过程中所有的层压板、层片和芯材信息都是始终不变的。

    Vistagy 公司的 FiberSIM 软件被用于此类大型玻璃纤维复合材料部件大的设计和开发。

    （3）向新型可靠生产工艺的方向发展

    受我国制造业水平落后的限制，加之采用先进复合材料进行大规模、一体化成型的核心技术被发达国家所掌握，我国在海洋工程用复合材料成型工艺方面与发达国家存在一定差距，材料性能的批次稳定性有待提升。自动化生产能力和大规模、一体化成型方面国内技术相对落后，在建造大型结构件或一体化成型舰船、石油工业等领域所用大型结构件中存在工艺瓶颈。新型可靠的生产工艺，保证产品不同批次的性能稳定，是目前和今后一段时间的主要工作之一。

    二、无机材料

    无机材料（主要是水泥混凝土）是目前海工建筑中使用最多的材料，对全球海洋经济和海洋产业的发展影响重大。

    水泥混凝土在海洋环境应用中展示出优异的抗海水腐蚀能力，并应用于越来越多的海工建筑中，如码头、桥梁、海底隧道、防浪堤、海上钻采平台等，21 世纪将是水泥混凝土在海洋工程中大规模应用的世纪。

    我国海工混凝土发展战略目标和重点发展方向推进水泥混凝土在海洋工程领域的应用，建立完善的标准和规范体系，完善配套原材料、工艺、技术、装备的开发和应用，提高我国的海上资源开发能力及海洋经济的竞争力是我国海工混凝土发展战略目标。

    重点发展方向

    （1）海工超高性能混凝土技术（如高强轻质混凝土）及相关原材料的研究开发及在海洋工程中的应用。高强度轻质骨料混凝土是现有海工混凝土材料发展的核心技术之一。虽然目前发达国家的离岸海工建筑如海上油气平台、海上风电基座等大规模使用高强度轻质骨料混凝土技术，但混凝土材料本身自重大的缺点无法避免，因而限制了如混凝土 LNG 船、FPSO 等的进一步发展。目前以挪威为代表的海洋发达国家重点研究将现有高强度轻质骨料混凝土生产技术进一步提高，容重比力图达到 1500kg/m 3 （设计强度 70MPa），现有技术大约在 1900kg/m 3 （设计强度 70MPa）。

    （2）海水海砂拌合及珊瑚礁在远洋人工岛礁建设中的利用技术。利用海水、海砂、珊瑚礁等代替淡水、河砂等材料配制及应用混凝土的技术，对于在远离大陆的远洋、海岛等快速修建人工岛礁、离岸钻采平台及国防安全有着重要的现实意义极高的应用价值。

    （3）混凝土钢复合材料的研究开发及在海洋工程中的应用。离岸混凝土平台的自重过大仍然是影响其大规模推广的重要原因之一，虽然混凝土材料的进一步轻量化是其可选途径之一。结合水泥混凝土耐腐蚀、成本低的优点和钢材高强、自重低的优点，制造混凝土钢结合的材料用于海洋工程。

    （4）海工混凝土专用的高强高耐蚀钢的开发及应用。针对水泥混凝土在海洋中的环境特殊性，开发专用的高强耐蚀钢，如通过冶金双结合技术生产复合耐蚀钢，提高水泥混凝土在海洋环境中的耐久性。

    （5）离岸混凝土构建物（如油气钻采平台、海上风电混凝土基础）的设计和生产制造技术的开发。离岸平台的设计及生产制造技术是一项技术难度大、涉及行业广、跨领域的应用技术，目前在国内尚属空白。

    （6）海上混凝土油气钻探平台及多功能平台的制造相关技术装备的开发。国内对于海上混凝土施工专用的相关装备如泵送、吊装等机械的开发研究较少，海上施工环境及变化性与陆地区别很大，国内应加强该领域专用机械装备的开发及生产。

    三、钢铁材料

    海洋工程用钢铁材料主要包括：海洋国土安全领域用钢、海洋油气资源开发领域用钢、海洋基础设施建设领域用钢、海洋交通领域用钢。

    我国海洋工程用钢的发展对策及重点发展方向

    （1）高强韧、易焊接舰船用纳米相强化钢制造技术及其科学基础

    船体结构钢材料在舰船建造中用量最大，结构重量约占全船排水量的 40%-50%。船体结构钢体系是否完整、合理，综合性能优劣直接影响舰船的作战性能和水平。大型水面水下舰船的抗爆抗冲击能力是决定舰船生命力的关键因素。为了提高舰船的抗爆抗冲击能力，一个有效的途径是增强舰船用结构钢的强度和韧性。同时，增强舰船用结构钢的强度和韧性也是舰船减重的最有效途径。

    随着钢材强度级别的提高，钢中合金元素增多，使得钢的碳当量和裂纹敏感性也随之大幅增加，这使得钢的焊接变得十分困难。而焊接对于舰船建造具有重要影响。其中焊接工作量约占船体建造总工作量的 30%-40%，焊接成本约占船体建造成本的 30％ -50％，因此高强度易焊接钢的开发对大型舰船性能稳定性和舰船经济性、建造周期以及造船量均具有重要影响。

    为了满足我国大潜深潜艇，尤其是航空母舰建设的要求，急需大量高强度、高韧性，同时具有高焊接性能和耐候性的低合金结构钢。

    沉淀强化代替碳强化是开发新型舰船用钢的新途径，现有研究表明，由高数量密度细小富铜纳米相代替碳强化，在较低合金含量的情况下可获得高强度，同时保持较好的韧性。

    通过大量降低碳含量，并避免使用高碳当量的合金元素 Cr 和Mo 等可进一步降低合金中合金元素的总含量，来提高焊接性能；钢中适量的铜和其他合金元素对提高钢在海洋环境条件下的耐腐蚀性能具有良好的作用。美国海军 HSLA 系列钢的成分和工艺是公开的，我国有关单位根据 HSIA 钢的成分和工艺做了部分探索性工作。但是，铜沉淀强化钢的核心技术是通过工艺控制铜沉淀相成分、尺寸、分布等特性来获得优帛的综合性能。我国目前对于如何控制沉淀相的性能还没有足够认识，这严重阻碍了我国航母用钢的研究开发工作。

    因此，急需开展高强、易焊接舰船用纳米相强化钢生产技术及其科学基础研究项目。

    研究目标：掌握高强韧、易焊接纳米相强化钢的合金设计和冶金技术；从纳米尺度掌握影响钢材性能稳定的机制；掌握热机械处理等组织控制技术；掌握钢材的焊接工艺技术；掌握纳米相的析出行为和机制及其对力学性能的影响规律；完成工程示范应用。

    （2）深海钻井平台用钢的关键生产技术及冶金学原理

    研究充分开发和利用我国丰富的海洋能源和资源是我国经济可持续发展的命脉之一。深海石油天然气钻井平台是完成海洋深度探测和开采的关键装备，其工作环境恶劣、建设周期长且成本高、维护保养困难，服役时间要求比船舶长 50%，因此深海海洋平台用钢既要有高强度和高韧性，又要具有良好的抗疲劳、抗层状撕裂性能、焊接性能及耐腐蚀性能。目前，我国海洋平台用钢级别较低，关键部位所用高强度、大厚度材料依赖进口，是受制于外国的“卡脖子”关键材料。为了满足我国深海资源开发的需要，迫切需要研究超高强度海洋平台用钢的冶金学原理并开发关键生产技术。

    未来针对高等级海洋平台用钢，将着重研究海洋平台用钢厚规格产品的组织与性能控制理论、“大热输入”氧化物冶金原理及高耐腐蚀合金与显微组织结构的设计机理等方面工作，为我国深海资源开发利用积累相关理论并提供关键工艺技术。

    研究目标：开发出极地条件下应用的 50mm 厚、低温冲击性能满足 -60℃条件下 CTOD 实验要求的海洋平台用钢；开发出超高强海洋平台用钢的高效焊接技术；给出合金元素、组织状态对耐腐蚀性能的影响规律，开发出高耐蚀海洋平台用超高强钢；通过创新轧制及热处理工艺技术和装备，开发出超薄（4-6mm）及超厚（259mm）规格海洋平台用钢。

    （3）厚规格高耐蚀易焊接深海管线钢关键技术及冶金学原理

    21 世纪将是海洋的世纪，海洋资源开发和利用已经成为世界各国发展的重要战略方向，而海底油气资源是世界各国争夺的重要资源。随着海洋油气开采走向深海，厚规格高耐蚀易焊接深海管线钢需求量巨大，迫切需要厚规格、易悍接、耐腐蚀和止裂性能良好的深海管线用钢。

    研究目标：掌握 X70 以上级别等厚规格深海管线钢组织细化及 DWTT 控制技术；厚向组织均匀化技术；适用于厚规格深海管线钢大线能量焊接的合金化和组织设计技术；大线能量焊接工艺技术；深海管线腐蚀行为表征；耐油气介质腐蚀的合金化技术；高塑性组织控制技术；完成工程示范应用。

    （4）耐海水腐蚀特厚板关键制造技术及其科学基础

    海洋工程用钢是我国海洋开发的重要钢种。国内外在海洋工程用钢领域对于 60-150mm 厚板有很大的市场需求，尤其是高钢级，具有重要的现实需要和良好的市场前景。

    海洋工程用钢厚板与特厚板生产的主要技术难点主要体现在：传统连铸坯存在的宏观和微观偏析所导致的厚板组织和力学性能的不均匀性，以及由此造成的产品性能不稳定性，尤其是低温冲击韧性、Z 向性能和板厚递减效应，低压缩比轧制特厚板造成的中心疏松、缩孔等，导致特厚板质量不能满足要求，对于武钢等钢企新品种的开发形成严重制约，给武船、719 等造船与军工用户的使用带来困难。

    研究目标：在钢铁企业现有工艺装备条件下，优化工艺技术，开发 20-100mm 海洋工程用钢厚板与特厚板；提高钢材质量及其稳定性；在此基础上，采用结晶器喂钢带技术，制造 100-150mm 海洋工程用钢特厚板。

    四、钛合金

    形成完整的海洋工程装备用钛合金材料设计、验证、制造、加工、研究等产业体系，打造若干具有较强创新能力的海洋工程装备用钛合金配套、服务机构，全面掌握海洋工程装备用钛金属材料的设计技术、应用技术和生产加工技术，具备创新应用钛金属材料的技术能力，达到海洋工程装备钛合金应用技术和范围的国际先进水平，使我国海洋工程装备用钛及钛合金量达到 15000-20000t，占全国钛加工材产量的 10％～ 15％，为全面提升我国海洋工程装备的技术水平做出应有贡献。

    专题资料来源：文献、百度文库、知网、材料 +、网络等综合整理