一种高环境裂纹抗力的系泊链钢及系泊链的制作方法

本发明涉及金属材料和金属制品，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：

1、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。

2、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,4th editio n)。

3、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)。

4、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he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。

5、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。

6、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。

技术实现思路

1、针对目前r5级、r6级系泊链存在的临界氢浓度低，同一横截面的抗拉强度波动幅度大，屈强比超标等问题，本发明的第一个目的在于提供一种具有高环境裂纹抗力的系泊链钢。

2、一种具有高环境裂纹抗力的系泊链钢，其组份含量按照质量百分比为，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，n0.004～0.020，s≤0.008，p≤0.015，其余为fe和杂质。

3、c是有效的形成马氏体和提高强度的元素，考虑到本发明的碳氮化物形成元素cr、nb、mn、n，尤其是(mo+v)含量的提高，≥0.20％的c是必须的。c＞0.40％，各类碳化物的体积分数过分增加，链环的韧性将会低出格，规定c0.20～0.40％，此外链钢实物横截面c的波动幅度δc≤0.03％。当△c＞0.03％，链环性能对整体热处理的敏感性变得难以控制，链环横截面抗拉强度的波动幅度增加，对链环的服役性能，例如疲劳寿命、环境裂纹敏感等带来不可控性。

4、si是脱氧元素，也是强化铁素体的元素，si＜0.1％，脱氧作用不明显，si＞0.5％则降低链环的韧性。综合考虑规定si0.10～0.50％。

5、mn是脱氧元素，也是有效的马氏体形成元素。mn＜0.20％效果不明显，mn＞1.20％，影响合金元素的组合，对环境裂纹抗力的提升不利，综合考虑规定mn0.20～1.20％。

6、cr是碳化物形成元素，也有利于大气和海水环境抗蚀，并且参与淬火组织的形成，cr＜0.50％，上述作用不明显，cr＞2.00％，不利于环境裂纹抗力提高的m3c型碳化物增加，综合考虑规定cr0.50～2.00％。

7、ni对于系泊链的断裂抗力和耐腐蚀性都有利，ni＜1.00％，上述作用不足，ni＞3.50％，上述作用趋于饱和。对于形成复合贝氏体的目标组织的设计也不利，更增加了成本。规定ni1.00～3.50％。

8、mo和v都是提高淬透性元素和碳化物形成元素，使得本发明的大直径系泊链的生产成为可能，也允许淬火用常规水温(≤50℃)的提高，mo降低p等杂质在晶界的偏析，除了提高链环的强度，极细的mc型纳米碳化物更是强氢陷阱，(mo+v)＜0.60％，上述作用不足，(mo+v)＞1.60％，mo/v和淬火-回火等综合作用导致hc值趋于饱和，而且韧性降低，成本增加。规定(mo+v)0.60～1.60％。

9、nb不仅与al同样可以作为脱氧元素，而且对晶界有拖曳作用，形成的nbcn的溶度积仅是(mo，v)c的约百分之一或更低，是阻碍奥氏体晶粒长大的第二相质点。nb＜0.005％，上述作用明显减弱，nb＞0.065％，实物的nbcn粗化，质点数量减少，细化奥氏体晶粒的作用也相应减弱，成本却增加。规定nb0.005～0.065％。

10、p和s都是不可避免的杂质元素，p≥0.015％，明显降低韧性和环境裂纹抗力。s≥0.008％，韧性降低，并且导致坑蚀的mns明显增加。为了便于控制hc和稳定韧性，规定p＜0.015％，s＜0.008％。

11、n形成细化mc碳化物并且改变其溶度积的mcn型碳化物。n＜0.004％，作用减弱，工艺成本增加。n＞0.020％，焊缝区出现粗大nbcn等的概率增加，影响焊缝韧性，规定n0.004～0.020％

12、本发明的第二个目的在于提供一种上述具有高环境裂纹抗力的系泊链钢的生产工艺，包括如下步骤，

13、s1、按照设计的出钢目标成分配比，采用电炉或转炉初炼，初炼过程中使用的金属原料为铁水、生铁、废钢、铁合金、海绵铁、金属氧化物和矿石中的一种或任意两种以上的混合，而后经炉外精炼和真空脱气后浇注成钢锭或连铸坯或再电渣重熔；

14、s2、所述钢锭或连铸坯加热至1150～1300℃后，进行锻造或轧制成圆钢；

15、s3、将所述圆钢进行矫直和砂轮磨剥或车削后，进行探伤、取样和测试。

16、具体地，在步骤s1中，模铸锭以≤80％的收得率切头尾，连铸采用全程电磁搅拌和动态轻压下等等措施。

17、具体地，在步骤s2中，所述钢锭或连铸坯的截面积与成品圆钢的截面积之比≥7。

18、具体地，在步骤s3中，检测的附加内容还包括在用作链环及其附件制造的58～210mm圆棒的横截面上分析c的分布。

19、本发明的第三个目的在于提供一种系泊链，采用上述制备工艺制备的系泊链钢，依次经下料、弯环、闪光对焊、编链、探伤、检测而成r5或r6级系泊链。

20、下料后依次经过850～1000℃加热-950～800℃弯环-闪光对焊-高于(mo，v)cn碳化物的固溶温度，低于nbcn碳化物的固溶温度加热-水冷淬火-回火空冷或水冷；所述系泊链整体热处理后探伤及分别在基体和焊缝横截面三分之一半径处取样测试机械性能。按标准，焊缝仅测试冲击功。研究横截面机械性能波动的取样不受此限.

21、具体地，编成的链条在间歇式或立式连续式调质炉中进行热处理，其附件在间歇式调质炉中进行热处理。

22、具体地，热处理步骤是：首先进行至少一次淬火处理，每次淬火温度＞900℃，水冷，水温小于60℃；淬火处理后再进行回火处理，回火温度为590～650℃，水冷或空冷。

23、本发明与现有技术相比具有以下优点：

24、本发明增加mo+v含量，提高细、散碳氮化物的体积分数，由于极细、分散的mcn是强氢陷阱，增加mo，v产生相乘效应，大幅度增加捕获氢的陷阱能的同时，也产生脆性转变温度提高导致韧性下降的难题；为了防止增加的碳化物体积分数降低链环的韧性，本发明将淬火奥氏体晶粒度由船规的细于5级提高至细于8级；本发明用细化奥氏体晶粒，包括细化亚晶的方法获得稳定的强韧性，解决了上述强韧性与环境裂纹抗力之间的矛盾，从而大幅度提升了链环的海洋环境裂纹抗力，可以保证系泊链的服役可靠性。