低溫環(huán)境下的錨鏈性能和選用標準

張衛(wèi)新，邵云亮，楊龍霞

（1.江蘇亞星錨鏈股份有限公司，江蘇靖江 214533；2.江蘇省系泊鏈設(shè)計與應用技術(shù)重點實驗室，江蘇靖江 214533；3.上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

隨著能源開采和海上運輸?shù)男枰瑯O地航道的開辟和極地油氣資源的開發(fā)也逐漸活躍起來。通過北極航道可以大大縮短亞洲與歐洲、北美等口岸之間的運輸時間，降低成本和風險。另一方面，北極的油氣資源主要集中在海底，如波弗特海（Beaufort Sea）、巴倫支海（BarentsSea）等，需要通過海上平臺來進行鉆探和生產(chǎn)，為我國船舶制造和海工配套行業(yè)帶來了新的機遇。

錨鏈（包括船用錨鏈和系泊鏈）是船舶錨泊、制動的重要設(shè)備，也是海上結(jié)構(gòu)物系泊定位系統(tǒng)的主要部件。不管是極地貨輪、科考船，還是浮式鉆井平臺、生產(chǎn)平臺，乃至極地海洋牧場，都需要用到錨鏈。一般來說，鋼鐵材料的韌性會隨著溫度的降低而下降，錨鏈鋼也不例外。通常錨鏈力學性能試驗（主要指V型缺口沖擊試驗）溫度為0℃，而系泊鏈試驗溫度也只有?20℃。事實上，在極地條件下，服役溫度往往達到?30℃甚至更低[1]，這就需要設(shè)計者參照實際情況選用不同等級的錨鏈，從而保證錨泊系統(tǒng)在寒冷條件下的安全使用。

1 現(xiàn)有標準

IACS和各大船級社都制定了相關(guān)規(guī)范，以保證船舶在寒冷地區(qū)航行和活動的安全。如英國船級社（LR）在寒冷地區(qū)船舶暫行條例[2]中規(guī)定，用于寒冷地區(qū)的錨鏈等級至少為U3級，并且應選用恰當?shù)臎_擊試驗溫度。DNV在冰區(qū)航行的船舶入級規(guī)范中提出[3]，對于設(shè)計溫度大于等于?20℃的船舶，錨鏈可以選擇K2或K3級；而對于設(shè)計溫度小于等于?20℃的船舶，應選用K3級。IACS[4]在極地航行的船舶規(guī)范中要求暴露于海水中的材料應在?10℃下進行 V型缺口沖擊試驗，而暴露于寒冷空氣中的材料應在比設(shè)計溫度低 10℃的條件下進行試驗，并且結(jié)果平均值不應低于20J。法國船級社（BV）[5]規(guī)定錨鏈等級要和相應船級規(guī)定的材料相匹配；另外也提到，暴露于海水中的材料應在?10℃下進行 V 型缺口沖擊試驗，結(jié)果平均值不應低于20J。

IACS W18規(guī)范[6]中船用錨鏈的等級和力學性能見表1，其他規(guī)范的要求有微小差別，但不影響錨鏈等級的選擇。根據(jù)以上IACS和各大船級社規(guī)范，1級和2級的錨鏈基本不能用于低溫條件，現(xiàn)有規(guī)范的要求普遍為 3級。另外，低溫下使用的錨鏈沖擊試驗溫度一般要求不低于?10℃，而現(xiàn)有規(guī)范中也給出了?20℃的指標作為備選（通常試驗溫度為0℃），可以滿足絕大部分冰級船舶的使用要求。

表1 不同等級錨鏈的力學性能

和船用錨鏈大部分時間儲存在艙內(nèi)不同，浮式鉆井平臺或生產(chǎn)平臺所使用的系泊鏈在安裝之后就一直處于使用狀態(tài)。不管是那種形式的平臺，水下部分的鏈條通常不需要特別考慮，但是水上部分因為和寒冷的空氣接觸，需要特別關(guān)注低溫沖擊韌性[7]。由于常規(guī)系泊鏈的沖擊試驗溫度為?20℃，因此需要考察在更低溫度下的沖擊性能。另外，浮冰對錨鏈的沖擊載荷也是設(shè)計時需要考慮的問題。

2 低溫試驗

試驗材料為3級船用錨鏈（以下用M3表示）和R3、R4、R5級系泊鏈，試樣分別取自鏈環(huán)上母材和閃光焊接部位，取樣位置示意圖如圖 2。拉伸采用φ10 mm的標準試樣，標距為50 mm。V型缺口沖擊試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，焊縫試樣的缺口位于焊縫正中。

圖1 錨鏈取樣示意圖

拉伸試驗溫度為20℃、?40℃和?70℃。整體來看，錨鏈的抗拉強度在低溫時比常溫略高（圖 2），而延伸率則隨溫度降低表現(xiàn)出下降的趨勢（圖 3），但是幅度均不超過20%。并且?70℃時的各項指標仍滿足規(guī)范中對于常溫試驗的要求。另外，焊縫一側(cè)的整體情況和母材類似，考慮到船級社規(guī)范并不要求考核焊口拉伸性能，因此這方面數(shù)據(jù)僅供參考。

圖3 不同等級錨鏈母材延伸率和溫度的關(guān)系

影響錨鏈低溫性能的主要因素是韌性，而沖擊吸收功是直觀反映材料韌性的重要指標。為了研究不同錨鏈在低溫下的韌性，開展了?20℃、?40℃和?60℃條件下的V型缺口沖擊試驗。錨鏈的材料主要是低合金鋼，在常溫下表現(xiàn)出較好的強韌性配合，沖擊值往往達到100J以上；而焊縫部分因為閃光焊接時發(fā)生熔化和再結(jié)晶，其沖擊韌性一般低于母材。從圖4和圖5可以看出，不同等級錨鏈母材和焊縫的沖擊韌性都隨溫度降低而下降。其中R4和R5母材的下降幅度較小，表明該材料具有較低的韌脆轉(zhuǎn)變溫度和較好的低溫韌性；而焊縫區(qū)域下降較快，但到?60℃時仍有50J以上，高于船級社規(guī)范中?20℃的指標。R3材料和M3接近，二者合金含量相差不超過20%，力學性能要求也基本一致。從圖4可以看出，二者的沖擊韌性都表現(xiàn)出一定的低溫敏感性，脆性轉(zhuǎn)變溫度介于?20℃～?40℃。其中R3在?20℃表現(xiàn)較好，但溫度降低時沖擊下降幅度較大；M3整體綜合性能低于R3。

圖4 不同等級錨鏈母材沖擊韌性和溫度的關(guān)系

圖5 不同等級錨鏈焊縫沖擊韌性和溫度的關(guān)系

3 結(jié)論

錨鏈的低溫性能受到材料、熱處理和焊接工藝的影響，不同等級的錨鏈或系泊鏈可以滿足不同低溫條件下的使用要求。其中R4和R5級綜合性能優(yōu)異，在?60℃時依然表現(xiàn)出較好的強韌性配合。而R3和M3對低溫相對敏感，但在?30℃時仍可達到規(guī)范參數(shù)。

綜上所述，對于一般冰級船舶來說，3級船用錨鏈即可滿足使用要求。而對于寒冷地區(qū)活動的鉆井平臺、生產(chǎn)平臺、極地海洋牧場等需要臨時或長期系泊的浮體，則需要考慮使用具備更高低溫抗性的錨鏈，以保證平臺的安全。