EH690超高强度海洋工程钢板完全技术指南：性能参数、焊接工艺与工程应用解析

EH690在全球海工装备领域的旗舰地位

在深海钻井平台、超大型风电安装船、极地航行船舶等高端海洋装备制造领域，材料的选择直接决定着装备的作业水深、承载能力与服役安全性。EH690作为船舶及海洋工程用结构钢中的超高强度级别，凭借其690MPa级屈服强度、-40℃超低温冲击韧性以及优异的焊接性能，成为全球海工装备领域金字塔塔尖的核心材料。

EH690这一牌号的命名遵循GB/T 712标准规范：“E”代表冲击等级E级，对应-40℃冲击韧性要求；“H”代表高强度（High Strength）；“690”代表最小屈服强度为690MPa。在船用钢强度体系中，EH690属于超高强度级别，与AH690、DH690、FH690共同构成690MPa级高强度钢的质量等级体系。由于海洋平台服役时间长、水下修理维护成本极高，其采用的钢板逐渐向高强度、高韧性、易焊接性、良好的耐腐蚀性以及大厚度、大规格化方向发展。

近年来，国内钢铁企业在该领域取得了重大突破。山钢股份成功研发80mm厚EH690Z35钢板，应用于国内最大的自升式风电安装船，实现进口替代；湘钢开发的260mm厚EH690齿条钢获得七国船级社认证，成为世界范围内少数具备该生产能力的企业之一。本文将从材料科学与工程应用的双重角度，系统阐述EH690钢板的化学成分设计、力学性能特征、制造工艺规范、焊接技术要点及典型应用场景。

EH690的牌号含义与执行标准

1.1 牌号逐字符解析

EH690的牌号命名遵循GB/T 712-2022《船舶及海洋工程用结构钢》标准的规范体系：

E：质量等级符号，代表-40℃冲击韧性要求。在船用钢质量等级中，A级（不需冲击）、B级（0℃）、D级（-20℃）、E级（-40℃）、F级（-60℃）。E级是该体系中的重要等级，适用于恶劣海洋环境及极地航线船舶。

H：High Strength的缩写，代表高强度特性，是区别于一般强度船用钢（A、B、D、E）的标识。

690：代表最小屈服强度为690MPa，这是EH690材料分级的核心依据，也是目前海洋工程用钢的最高强度等级之一。

1.2 执行标准体系

EH690钢板主要遵循以下标准规范：

GB/T 712-2022：《船舶及海洋工程用结构钢》，是该材料的核心产品标准，替代了原GB/T 712-2011标准，并提升了多项技术要求。

船级社规范：我国几大钢铁企业可按用户需要生产不同国家船级社规范的钢材，常见认证包括CCS（中国）、ABS（美国）、DNV（挪威）、GL（德国）、BV（法国）、LR（英国）等。湘钢260mm厚EH690齿条钢已获得七国船级社认证。

1.3 材料定位

在船用结构钢强度级别体系中，690MPa级处于最高端：

• 32kg级（315MPa）：A32、D32、E32、F32

• 36kg级（355MPa）：A36、D36、E36、F36

• 40kg级（390MPa）：A40、D40、E40、F40

• 超高强度（690MPa）：AH690、DH690、EH690、FH690

EH690Z35属于目前全球最高强度级别海洋工程用钢产品，是该领域金字塔的塔尖产品。80mm厚度规格钢板的技术难度巨大，全球仅有极少数几家钢铁企业具备生产能力。

二、化学成分与合金设计原理

2.1 标准化学成分范围

EH690采用低碳多元微合金化的成分设计思路，通过精确控制各元素含量，实现690MPa级超高强度、-40℃低温韧性和优异焊接性的综合平衡。根据GB/T 712标准及先进企业专利技术，化学成分控制要求如下：

碳（C） ：≤0.20%，高品质产品控制在0.10%～0.16%。超低碳设计是保证-40℃低温韧性和焊接性的基础，可减少碳化物析出对冲击性能的损害。

硅（Si） ：≤0.55%，一般控制在0.15%～0.40%。硅起脱氧和固溶强化作用。

锰（Mn） ：≤1.70%，典型控制1.00%～1.70%。锰是重要的固溶强化元素，能显著提高钢的强度和淬透性。

磷（P） ：≤0.025%，先进控制P≤0.012%。磷是有害杂质元素，容易引起冷脆，尤其在-40℃低温环境下影响更为显。

硫（S） ：≤0.025%，先进控制S≤0.002%。硫与锰形成MnS夹杂物会损害钢板的冲击韧性和抗层状撕裂能力，是保证-40℃冲击功的核心控制指标。

铬（Cr） ：≤1.00%，典型控制0.50%～0.90%。铬能提高淬透性和回火稳定性。

镍（Ni） ：0.25%～0.90%。镍是改善低温韧性的关键元素，对于E级-40℃冲击要求尤为重要。增加Ni含量还可以减少焊缝中侧板条铁素体来控制冷裂纹的产生-6。

钼（Mo） ：0.10%～0.50%。钼有助于细化晶粒并抑制回火脆性。

铌（Nb） ：0.015%～0.050%。铌是微合金化设计的核心元素，通过形成Nb(C,N)析出相抑制晶粒长大。

钒（V） ：≤0.10%。钒通过析出强化提供贡献，与铌、钛协同作用优化综合性能。

钛（Ti） ：0.007%～0.025%。钛优先与氮结合形成TiN，细化晶粒。

硼（B） ：0.0007%～0.0040%。硼是微量高效元素，添加极少量即可显著提高淬透性。

铝（Als） ：0.015%～0.080%。铝是强脱氧剂，与氮形成AlN细化晶粒。

2.2 碳当量与焊接性评估

EH690的碳当量（CEV）是评价焊接性的关键参数。采用国际焊接学会（IIW）公式计算：

CEV公式：CEV = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Cu+Ni)/15

标准要求：TM状态下CEV≤0.56%，QT状态下CEV≤0.64%。

Pcm公式：Pcm = C + Si/30 + Mn/20 + Cu/20 + Ni/60 + Cr/20 + Mo/15 + V/10 + 5B

Pcm要求：≤0.33%。

由于钢中加入了多种提高淬透性的合金元素，且合金元素含量较高，碳当量较高，EH690高强钢的焊接性较差，淬硬倾向大，焊接时冷裂纹倾向尤其严重。

2.3 合金设计理念

EH690的合金化体系体现了“低碳+多元微合金化+调质处理”的现代超高强度海工钢设计思路：

超低碳设计：碳含量控制在0.16%以下，远低于普通高强度钢。这是实现-40℃低温韧性和优良焊接性的物质基础。

Ni-Cr-Mo复合强化：镍、铬、钼的复合添加是获得690MPa屈服强度的关键。镍改善低温韧性，铬提高淬透性，钼增强回火稳定性，三者协同作用实现了强度与韧性的最佳匹配。

Nb-V-Ti微合金化：铌、钒、钛的复合添加形成多种碳氮化物析出相，钉扎晶界、细化晶粒，是实现细晶强化的核心技术路径。

超低P、S纯净度控制：P≤0.012%、S≤0.002%的严格要求，保证了钢材的极高纯净度，是获得-40℃低温冲击韧性的必要前提。

本质细晶粒设计：晶粒度要求达到6级或更细，提升钢材的韧性和抗疲劳性能。

三、力学性能与工艺特性

3.1 拉伸性能

EH690钢板依据GB/T 712标准，力学性能要求如下：

屈服强度ReH：厚度3-50mm时≥690MPa，厚度50-100mm时≥650MPa。这是EH690牌号命名的核心依据。

抗拉强度Rm：770-940MPa。这一强度范围保证了材料具有足够的安全裕度，是普通结构钢的3-4倍。

断后伸长率A：≥14%（横向），≥16%（纵向）。这一伸长率对于690MPa级别超高强钢而言表现优异。

硬度：母材维氏硬度值240HV10～275HV10。

3.2 冲击韧性

冲击韧性是EH690区别于普通高强度钢的核心优势指标：

冲击试验温度：-40℃。这一极低的冲击温度要求使EH690能够满足北极航线、高纬度海洋平台等极寒环境下的服役需求。

冲击功要求（纵向） ：三个试样平均值≥69J。

冲击功要求（横向） ：三个试样平均值≥46J。

微观组织保证：调质状态下的回火马氏体/回火贝氏体组织，为-40℃低温韧性提供了微观基础。

3.3 特殊性能要求

EH690钢板需满足海洋工程装备的多项特殊性能要求：

抗层状撕裂性能：可提供Z15、Z25、Z35厚度方向性能。Z向性能要求是避免钢板在受到厚度方向外力时发生撕裂的关键指标，山钢80mm厚EH690Z35钢板即具备35%的Z向断面收缩率要求。

探伤等级：可按标准提供一探、二探、三探等级产品。

焊接性能：焊接接头性能需具有和母材相同或相近的力学性能，保证海洋平台整体结构的安全性。

耐腐蚀性能：由于海洋工程结构钢板长期处于盐雾、潮气和海水的环境中，对耐腐蚀性能的要求较高。

四、制造工艺与技术特点

4.1 冶炼工艺

EH690钢板采用先进的双联冶炼工艺路线：

转炉/电炉初炼：以废铁或铁水为原料进行初炼。

LF炉外精炼：进行深度脱硫、脱氧和成分微调。

VD/RH真空脱气：有效去除氢、氧、氮等气体元素，控制H≤0.002%、O≤0.001%，是保证抗氢致开裂性能的必要工序。

钙处理：对夹杂物进行变性处理，改善钢材纯净度。

4.2 交货状态

EH690钢板的交货状态根据厚度和性能要求可选择：

TMCP（热机械控制轧制）：适用于较薄规格。

淬火+回火（QT） ：最常用的交货状态，调质处理后获得回火马氏体/回火贝氏体组织，是保证690MPa级超高强度和-40℃低温韧性的关键。

正火+回火（N+T） ：适用于对韧性要求更高的场景。

4.3 特厚板制造技术

EH690特厚板的制造是行业技术难点。湘钢开发的“高均质特厚板制备关键技术及大厚度高性能钢开发与应用”项目成果获国际先进水平评价，其中260mm厚EH690齿条钢获得七国船级社认证。

关键技术路径包括：通过合金成分-形变-热处理工艺耦合设计，获得细化的原始奥氏体和回火态组织，确保产品具有良好的综合力学性能、优异的低温断裂韧性和板形。

4.4 止裂性能

除EH690外，湘钢100毫米厚EH47BCA止裂钢的止裂韧性能全球领先，说明国内钢企在超大型集装箱船用止裂钢领域已达到国际领先水平。

五、焊接工艺要点

5.1 焊接性分析

EH690高强钢具有明显的淬硬倾向和冷裂纹敏感性，是工程应用中的核心难点：

碳当量较高：CEV≤0.64%，属于难焊材料范围。

冷裂纹风险：由于淬硬倾向大，焊接时冷裂纹倾向尤其严重。产生冷裂纹的三个要素是扩散氢、淬硬组织和拘束应力。

热影响区问题：焊接热影响区受加热温度和冷却速度的影响，易形成淬硬组织，存在脆化和软化问题。

5.2 预热与层间温度控制

焊前预热是防止冷裂纹的关键措施：

预热温度计算：根据冷裂敏感指数Pcm和钢板厚度，采用公式Pw=Pcm+[H]/60+h/600计算防止冷裂纹所需的最低预热温度，当Pw>0时即有产生裂纹的可能性。

预热温度范围：>150℃，上限为200℃。预热范围为焊缝坡口两侧不少于150mm，采用履带式电加热片进行加热。

层间温度控制：不低于预热温度，最高不超过200℃。过高的层间温度易产生热裂纹和较大的应力，同时会降低焊缝和热影响区的冷却速率，导致强度、韧性下降。

5.3 焊接热输入控制

焊接热输入是影响焊接接头性能的关键参数：

最佳冷却速度：需找到防止冷裂纹和防止热影响区脆化之间的平衡点，冷却时间t8/5是决定高强钢焊接接头性能的重要参数。

热输入控制：焊接热输入控制在26kJ/cm以下，可使热影响区获得较高的冲击韧性。

5.4 焊接材料选择

焊材选择采用“低强等韧性匹配”原则：

打底焊：GMAW，焊丝THQ80-1，型号ER80-G（ER110S-G）。

填充和盖面：埋弧焊，焊丝BHG-4M，焊剂XUN-123，型号F76A6-EG。

Ni含量控制：当焊丝中Ni含量增加至2.6%时，抗拉强度达到820MPa以上，满足标准要求。增加Ni含量还可以减少焊缝中侧板条铁素体来控制冷裂纹的产生。

新日铁焊丝验证：采用新日铁YM-80A实芯焊丝进行焊接的对接接头力学性能，能够满足EH690在大热输入条件下的力学性能要求。

5.5 焊后热处理

焊后紧急后热和保温缓冷是预防冷裂纹的有效手段：

消氢热处理：焊后“立即”加热到280℃±20℃并保持2小时。后热的主要作用是提高冷却时间，促进焊缝中的扩散氢尽快逸出，降低焊缝和热影响区的氢含量。

保温缓冷：后热时间结束后采用保温材料（硅酸铝纤维毯）覆盖焊缝，使其自然冷却至室温，有利于焊缝扩散氢逸出。

六、典型工程应用领域

6.1 海上风电安装平台

EH690Z35超高强海洋工程用钢板已应用于国内最大的自升式风电安装船：

风电安装船桩腿齿条：自升式风电安装船的桩腿需要承受巨大的提升载荷和波浪冲击，EH690齿条钢是目前全球最高强度级别的海洋工程用钢产品。

桁架式桩腿主弦管：EH690高强钢焊管用于海上起重设备（浮吊和起重机）、风电安装船、多功能铺管船等海洋工程结构和装备产品的起升臂架，以减轻自身质量，提高承载能力和抗冲击性能。

6.2 深海钻井平台

平台桩腿、桩靴、悬臂梁：海洋钻井平台的关键承力结构，需承受极端环境载荷。

齿条板、半圆板：平台升降系统和高应力区域的核心部件。

6.3 极地航行船舶

极地破冰船船体：E级冲击等级（-40℃）使EH690适用于北极航线船舶的船体结构。

6.4 大型海工装备

FPSO（浮式生产储卸油装置） ：海上油气生产平台的关键结构。

港口重型机械、深海探测设备载体：对材料强度和可靠性要求极高的领域。

6.5 海底管线与打捞设备

海上打捞设备臂架：海上打捞起重设备的核心承力部件。

海底管线保护结构：承受深海高压和腐蚀环境。

七、国内生产与供货现状

7.1 主要生产企业

山钢集团：2023年4月完成80mm厚EH690Z35钢板批量交付，性能全部合格，产销量突破万吨。该系列产品应用于国内最大的自升式风电安装船，实现进口替代。

湘钢：开发的260mm厚EH690齿条钢获得七国船级社认证，120mm厚S690QL1建筑钢实现国内首次应用。其“高均质特厚板制备关键技术”获国际先进水平评价。

舞阳钢铁：可按GDH690/T709标准生产EH690钢板，厚度8-120mm，宽度2000-2500mm，并已获得九国船级社认证。

其他生产企业：南钢、鞍钢等企业也可生产EH690级别钢板。

7.2 供货规格范围

厚度：3mm～250mm，常规供货8-80mm，特厚板可达120-260mm。

宽度：2000-4500mm。

长度：8000-18000mm。

交货状态：TMCP、正火、调质（QT）、控轧。

船级社认证：可提供CCS、ABS、DNV、GL、BV、LR、RINA、NK、KR九国船级社认证产品。

附加性能：可附加Z15、Z25、Z35厚度方向性能要求及一探、二探、三探探伤等级。

7.3 技术进展

山钢EH690Z35钢板属于目前全球最高强度级别海洋工程用钢产品，80mm厚度规格产品的技术难度巨大，全球仅有极少数几家钢铁企业具备生产能力。湘钢260mm厚EH690齿条钢获得七国船级社认证，标志着国内特厚板制造能力达到国际领先水平。

八、质量检验与控制要求

8.1 化学成分检验

每批EH690钢板应按炉号进行熔炼分析。分析方法可采用直读光谱法。C、Si、Mn、P、S及Ni、Cr、Mo、Nb、V、Ti、B等关键元素的含量应在质保书中明确体现。

8.2 力学性能检验

拉伸试验：取样方向为横向，测试屈服强度（≥690MPa）、抗拉强度（770-940MPa）和断后伸长率（≥14%）。

冲击试验：取样方向为纵向和横向，试验温度为-40℃，冲击功要求：纵向≥69J，横向≥46J。

Z向拉伸试验：对带Z向性能要求的钢板进行厚度方向断面收缩率测试，Z15、Z25、Z35对应15%、25%、35%的断面收缩率要求。

8.3 无损检测

EH690钢板可根据用户要求在技术协议中明确探伤要求：

超声波探伤：按相关标准执行，质量等级根据用途确定（一探、二探、三探）。

表面检测：钢材表面不应有气泡、结疤、裂纹、折叠、夹杂和压入氧化铁皮等缺。

8.4 晶粒度检验

应进行晶粒度检验，要求晶粒度达到6级或更细。

8.5 焊接工艺评定

对于船用钢板，必须进行焊接工艺评定（WPQ/WPS），确保焊接接头性能满足规范要求。评定内容包括拉伸、弯曲、冲击等力学性能试验，以及必要的无损检测。