低温环境下的锚链性能和选用标准

张卫新，邵云亮，杨龙霞

（1.江苏亚星锚链股份有限公司，江苏靖江 214533；2.江苏省系泊链设计与应用技术重点实验室，江苏靖江 214533；3.上海船舶设备研究所，上海 200031）

0 引言

随着能源开采和海上运输的需要，极地航道的开辟和极地油气资源的开发也逐渐活跃起来。通过北极航道可以大大缩短亚洲与欧洲、北美等口岸之间的运输时间，降低成本和风险。另一方面，北极的油气资源主要集中在海底，如波弗特海（Beaufort Sea）、巴伦支海（BarentsSea）等，需要通过海上平台来进行钻探和生产，为我国船舶制造和海工配套行业带来了新的机遇。

锚链（包括船用锚链和系泊链）是船舶锚泊、制动的重要设备，也是海上结构物系泊定位系统的主要部件。不管是极地货轮、科考船，还是浮式钻井平台、生产平台，乃至极地海洋牧场，都需要用到锚链。一般来说，钢铁材料的韧性会随着温度的降低而下降，锚链钢也不例外。通常锚链力学性能试验（主要指V型缺口冲击试验）温度为0℃，而系泊链试验温度也只有−20℃。事实上，在极地条件下，服役温度往往达到−30℃甚至更低[1]，这就需要设计者参照实际情况选用不同等级的锚链，从而保证锚泊系统在寒冷条件下的安全使用。

1 现有标准

IACS和各大船级社都制定了相关规范，以保证船舶在寒冷地区航行和活动的安全。如英国船级社（LR）在寒冷地区船舶暂行条例[2]中规定，用于寒冷地区的锚链等级至少为U3级，并且应选用恰当的冲击试验温度。DNV在冰区航行的船舶入级规范中提出[3]，对于设计温度大于等于−20℃的船舶，锚链可以选择K2或K3级；而对于设计温度小于等于−20℃的船舶，应选用K3级。IACS[4]在极地航行的船舶规范中要求暴露于海水中的材料应在−10℃下进行 V型缺口冲击试验，而暴露于寒冷空气中的材料应在比设计温度低 10℃的条件下进行试验，并且结果平均值不应低于20J。法国船级社（BV）[5]规定锚链等级要和相应船级规定的材料相匹配；另外也提到，暴露于海水中的材料应在−10℃下进行 V 型缺口冲击试验，结果平均值不应低于20J。

IACS W18规范[6]中船用锚链的等级和力学性能见表1，其他规范的要求有微小差别，但不影响锚链等级的选择。根据以上IACS和各大船级社规范，1级和2级的锚链基本不能用于低温条件，现有规范的要求普遍为 3级。另外，低温下使用的锚链冲击试验温度一般要求不低于−10℃，而现有规范中也给出了−20℃的指标作为备选（通常试验温度为0℃），可以满足绝大部分冰级船舶的使用要求。

表1 不同等级锚链的力学性能

和船用锚链大部分时间储存在舱内不同，浮式钻井平台或生产平台所使用的系泊链在安装之后就一直处于使用状态。不管是那种形式的平台，水下部分的链条通常不需要特别考虑，但是水上部分因为和寒冷的空气接触，需要特别关注低温冲击韧性[7]。由于常规系泊链的冲击试验温度为−20℃，因此需要考察在更低温度下的冲击性能。另外，浮冰对锚链的冲击载荷也是设计时需要考虑的问题。

2 低温试验

试验材料为3级船用锚链（以下用M3表示）和R3、R4、R5级系泊链，试样分别取自链环上母材和闪光焊接部位，取样位置示意图如图 2。拉伸采用φ10 mm的标准试样，标距为50 mm。V型缺口冲击试样尺寸为10 mm×10 mm×55 mm，焊缝试样的缺口位于焊缝正中。

图1 锚链取样示意图

拉伸试验温度为20℃、−40℃和−70℃。整体来看，锚链的抗拉强度在低温时比常温略高（图 2），而延伸率则随温度降低表现出下降的趋势（图 3），但是幅度均不超过20%。并且−70℃时的各项指标仍满足规范中对于常温试验的要求。另外，焊缝一侧的整体情况和母材类似，考虑到船级社规范并不要求考核焊口拉伸性能，因此这方面数据仅供参考。

图3 不同等级锚链母材延伸率和温度的关系

影响锚链低温性能的主要因素是韧性，而冲击吸收功是直观反映材料韧性的重要指标。为了研究不同锚链在低温下的韧性，开展了−20℃、−40℃和−60℃条件下的V型缺口冲击试验。锚链的材料主要是低合金钢，在常温下表现出较好的强韧性配合，冲击值往往达到100J以上；而焊缝部分因为闪光焊接时发生熔化和再结晶，其冲击韧性一般低于母材。从图4和图5可以看出，不同等级锚链母材和焊缝的冲击韧性都随温度降低而下降。其中R4和R5母材的下降幅度较小，表明该材料具有较低的韧脆转变温度和较好的低温韧性；而焊缝区域下降较快，但到−60℃时仍有50J以上，高于船级社规范中−20℃的指标。R3材料和M3接近，二者合金含量相差不超过20%，力学性能要求也基本一致。从图4可以看出，二者的冲击韧性都表现出一定的低温敏感性，脆性转变温度介于−20℃～−40℃。其中R3在−20℃表现较好，但温度降低时冲击下降幅度较大；M3整体综合性能低于R3。

图4 不同等级锚链母材冲击韧性和温度的关系

图5 不同等级锚链焊缝冲击韧性和温度的关系

3 结论

锚链的低温性能受到材料、热处理和焊接工艺的影响，不同等级的锚链或系泊链可以满足不同低温条件下的使用要求。其中R4和R5级综合性能优异，在−60℃时依然表现出较好的强韧性配合。而R3和M3对低温相对敏感，但在−30℃时仍可达到规范参数。

综上所述，对于一般冰级船舶来说，3级船用锚链即可满足使用要求。而对于寒冷地区活动的钻井平台、生产平台、极地海洋牧场等需要临时或长期系泊的浮体，则需要考虑使用具备更高低温抗性的锚链，以保证平台的安全。