[发明专利]一种高环境裂纹抗力的系泊链钢及系泊链

说明书

本发明涉及一种高环境裂纹抗力的系泊链钢及系泊链，系泊链钢的组份及质量百分比为C0.20～0.40％，Si0.10～0.50％，Mn0.20～1.20％，Cr0.50～2.00％，Ni1.00～3.50％，(Mo+V)0.60～1.60％，Nb0.005～0.065％，N0.004～0.020％，P≤0.015％，S≤0.008％，余量为Fe和杂质；C的实物横截面波动幅度ΔC≤0.03％。本发明提供的系泊链钢及其制造的系泊链，抗拉强度1000～1250MPa，涵盖R5和R6二个强度级别；增加极细和分散的Mo和V的碳氮化物，产生捕获钢中氢的相乘效应，成倍提高链环服役中裂纹不发生扩展的临界氢浓度，提高碳氮化物体积分数的同时获得更细化的奥氏体晶粒，稳定链环的强韧性，保证系泊链的服役可靠性；减少实物链的成分波动，横截面C的波动幅度由△C≥6％减少至△C≤3％，避免现有R5和R6级产品的强度大幅度波动现象。

技术领域

本发明涉及金属材料和金属制品技术领域，具体为一种高环境裂纹抗力的系泊链钢及系泊链。

背景技术

在完善现有R5级和R6级特高强度系泊链实物机械性能稳定性，包括解决屈强比受强度制约问题的同时，其服役可靠性更是亟待解决的首要难题。海洋链超高强度化带来的环境裂纹敏感(EAC)及其抗力的改善，其迫切性已经超过了强韧性的提高。因为强度越高，环境裂纹越敏感。业界研究和生产R5级和R6级钢及其链环已经多年。25年来。世界各国海洋浮体的重大事故中的一半以上由系泊链问题引起。2011年墨西哥湾平台倾覆的灾难性事故。即是由R5级链使用不当引起的氢致断裂造成。

基于对系泊链环受力状态的全面和深入认识，近年链环的疲劳或应力腐蚀损伤的最大应力空间分布和应力集中系数(SCF)已经发生重大变化。原来链环的应力分析仅限于张力状态，如今已经被张力+面外弯曲+面内弯曲的复合状态所代替。与纯张力状态比较，张力+面外弯曲+面内弯曲状态链环长期疲劳或应力腐蚀损伤的最大空间分布增加近8倍。因此，负责推荐系泊链设计规范的美国石油协会近年推出了代替2005年第3版标准的第4版新标准(D esign and analysis of station keeping systems for floating structures,API RP 2SK,4^th Editio n)。

对超高强系泊链的氢致延迟断裂研究需要考虑临界氢浓度和环境侵入氢两方面。李松杰、殷匠、王成铎等人用慢应变速率拉伸试验(SSRT)结合氢热分析技术(TDA)，研究了Ni-Cr-Mo0.5-微合金成分系的抗拉强度1200MPa系泊链发生氢致延迟断裂的临界氢浓度(Hc)，结果表明断裂应力在氢浓度2.0wppm时出现明显拐点(Int.J.Electrochem.Sci.,14,2019,2705-2713)。

近年国际上服役的R5+级，即抗拉强度同时达到R5级链抗拉强度(1000～1150MPa)上限(1100～1150MPa)和R6级链抗拉强度(1100～1250MPa)下限(1100～1150MPa)的系泊链的普遍断裂事故表明，特高强度系泊链的可靠性不仅取决于机械性能，即强-塑-韧性和屈强比，更可能与其环境断裂抗力有关。链环在海水中服役时的环境断裂随强度的增加而趋于敏感。Ni2～3.5-Cr1-Mo0.5-微合金成分的抗拉强度1200MPa的系泊链实物制备的试样的人工海水充氢结果：侵入试样的扩散氢，即环境侵入氢的浓度H_E与上述临界氢研究的拐点相差不多，因此面临着严峻的环境断裂风险。如何提升系泊链的EAC抗力，保证其服役可靠性，是其安全应用的首要关键。

同时，由于元素的宏观偏析，现有系泊链随着实物强度提高，抗拉强度对热处理工艺的敏感性也趋重。例如虽然严格控制窄成分出钢，特高强度实物链环的同一横截面上仍然有0.05～0.07wt％甚至更高的C波动，导致机械性能波动幅度过大，同一横截面抗拉强度值的波动＞90MPa。

综上，现有R5和R6级系泊链钢制链环产品存在服役风险。比照新发现的复杂应力状态，链环表面不发生裂纹扩展的临界氢浓度往往不足，而且同一横截面的抗拉强度波动幅度过大，更导致局部环境裂纹抗力难以控制。