许立萌,关凯书
(华东理工大学,承压系统与安全教育部重点实验室,上海 ２００２３７)
摘 要:对运行１０a的３Cr１Mo１/４V 钢制加氢反应器内试块取样进行了脱脆热处理,与未热处理(脆化态)试样在不同温度下进行了小冲杆试验和夏比冲击试验,提出了以断裂能与最大载荷的比值(ESP/Fm)作为确定小冲杆试验韧脆转变温度的方法,得到韧脆转变温度及其增量,并与夏比冲击试验结果进行了对比.结果表明:小冲杆试验得到的ESP/FmＧ温度曲线与夏比冲击试验得到的冲击功Ｇ温度曲线具有相同的变化趋势;与断裂能相比,ESP/Fm 可以更好地表征材料的韧脆状态;以ESP/Fm 稳定值的６０％对应的温度作为韧脆转变温度,得到的韧脆转变温度增量与由夏比冲击试验得到的近似相等,小冲杆试验可以用来评价３Cr１Mo１/４V 钢的回火脆性.
关键词:小冲杆试验;韧脆转变温度;回火脆化
中图分类号:TG１１５．５ 文献标志码:A 文章编号:１０００Ｇ３７３８(２０１７)０５Ｇ００８４Ｇ０５
０ 引 言
加氢反应器作为加氢技术的核心设备,被大量用于石油化工行业.由于长期在高温高压临氢环境下服役,该反应器器壁材料会发生劣化,其中以回火脆化和氢脆最为严重[１].材料回火脆化的主要特征是韧脆转变温度向高温移动,传统评定脆化的方法是通过在反应器内预置与反应器材料相同的试块,定期分析试块的性能,得到材料的韧脆转变温度,进而评价其脆化情况[２].但是现在加氢反应器在制造过程中已经不放置试块或者在役反应器中试块均消耗殆尽,而进行标准试验需要较多的试验材料,所以工程上无法或很难通过标准试验来获得在役加氢反应器材料脆化后的性能.
小冲杆试验(SmallPunchTest)是一种微损取样测试技术,该技术从取样到试验均不会破坏在役设备的结构完整性,也无需对设备进行修补,因此引起了研究人员的广泛关注[３].小冲杆试验最早被用来研究核工业设备材料受辐照脆化后性能的变化,后来逐步被用于研究材料蠕变、断裂韧性、韧脆转变温度等性能[４Ｇ６].近些年国内关于用小冲杆试验测试材料韧脆转变温度和脆化的研究并不多,且由于小冲杆试验得到的断裂能数据分散[７],因此以此来评价材料的脆
化还存在着许多理论和技术问题.为了研究利用小冲杆试验评价材料在长期服役后脆化的可行性,作者对运行１０a的３Cr１Mo１/４V钢制加氢反应器中的试块进行了小冲杆试验,以断裂能Esp和试样承受的最大载荷 Fm 的比值(ESP/Fm)作为新的评价指标,得到韧脆转变温度和服役前后韧脆转变温度增量,并与 V 型缺口试样的标准夏比冲击试验结果进行了比较.
１ 试样制备与试验方法
１．１ 试样制备
试验材料为某石化公司随机运行１０a的加氢反应器 预 置 试 块.该 加 氢 反 应 器 的 工 作 温 度 为４２０ ℃,工作压力为１６．４ MPa;预置试块与加氢反应器筒体材料同为３Cr１Mo１/４V 钢.试块形状和尺寸如图 １ 所 示,在 轴 向 中 间 位 置 有 环 焊 缝.五个表面堆有 不 锈 钢 堆 焊 层,作 者 只 对 试 块 的 母 材和焊缝性能进行研究,不对堆焊层做研究,所以在加工试样之 前 就 已 将 堆 焊 层 去 除,母 材 和 焊 缝 的化学成分如表１所示.
马冬梅等[７]研究了加氢反应器用钢的回火脆性,指出将脆化后的钢重新加热到６５０℃,然后快冷至室温,可以消除脆化,恢复韧性.为了评价材料的回火脆性,需要得到服役前后材料的韧脆转变温度,以韧脆转变温度的增量作为回火脆化量.但因缺少服役前试块的性能参数,所以在试块的母材和焊缝处取样并进行了加热至６５０ ℃快冷至室温的热处理,将热处理后试样记为脱脆态试样,并认为脱脆态试样的性能与服役前的性能相同.将未进行脱脆热处理的试样记为脆化态试样.
现有研究表明,CrＧMo钢的回火脆化与其化学成分有着密切的关系.工程上也定义了回火脆化敏感系数J 系数和 X－ 系数,以此来评价化学成分对回火脆性的综合影响.APIＧ９３４ 规 范 中 要 求 加氢反应器用钢的J 和 X－ 系数应分别不高于１００％和１５×１０－６.根 据 式 (１)和 (２)计 算 得 到 试 验 用３Cr１Mo１/４V 钢的J 和 X－ 系数,分别为８１．４２％和１１．７２×１０－６.式中:w 为元素的质量分数.
由J 和X－ 系数可知,３Cr１Mo１/４V 钢能满足加氢反应器制造要求,且在设计工况下长期运行不会发生很大的回火脆化.
１．２ 试验方法
根据 GB/T２９４５９．１－２０１２,采用线切割法在 脱脆态和脆化态焊缝和母材试样上各截取出直径 为１０mm、厚度为０．６~０．７ mm 的圆片,机械磨至 厚度 为 ０．５２ mm,以消除表面加工纹路和热影响 层,再用１２００＃ 砂纸手工精磨至厚度为０．５００mm± ０．００５mm,得到小冲杆试样.如图２所示,将试样 用夹具夹持,在Instron３３００型电子万能试验机上 进行冲压,压杆直径 ２．５ mm,下压速 度 １．５ mm??min－１,下 压 点 位 于 试 样 几 何 中 心 位 置. 研 究 表明[８],小冲杆试验得到的材料韧脆转变温度要远远低于由夏比冲击试验得到的.因此在进行小冲杆试验时,将试验温度设定为－１９６~２５ ℃.以液氮制冷,通过低温环境箱将试样温度降至设定温度,保温１０min待温度稳定后开始进行小冲杆试验,设定温度的波动范围为±１ ℃.同夏比冲击试验一样,在韧脆转变区时,试验结果比较分散,所以每个转变温度点包含２个或者３个平行试样.
由于冲杆作用在试样的中心位置,因此对试验 结果进行刚度修正后,得到载荷Ｇ位移曲线中的“位 移”在数值上等于试样中心的变形量. 图３是小冲杆试验典型的载荷Ｇ位移曲线,同标 准拉伸试验一样,试样并未在最大载荷下断裂,而是 继续发生变形,而载荷也在减小.根据欧盟小冲杆 试验草案和国标草案规定,以试验载荷下降到最大 载荷的８０％时,判定试样断裂,试验结束.
根据 GB/T２２９－２００７和 GB/T２６５０－２００８,分别在母材及焊缝上分别截取出尺寸为１０ mm×１０mm×５５ mm 的 冲 击 试 样,开 V 型 缺 口,根 据GB/T２２９－２００７,采用 ZBC２３０２型高低温摆锤冲击试验机进行冲击试验,最大冲击能量３００J,冲击速度５．２４mm??s－１.
２ 试验结果与讨论
２．１ 不同温度下的载荷Ｇ位移曲线
由图４可以看出:脱脆态焊缝试样的变形过程可以分为弹性变形、塑性变形、薄膜拉伸和断裂等四个阶段;随着温度由２５ ℃降低到－１５０ ℃,脱脆态焊缝试样所能承受的最大载荷呈明显上升趋势,最大载荷及断裂时对应的试样变形量均无太大的变化,曲线与x 轴包络的面积也大体呈增大趋势;随着温度的继续降低,试样所能承受的最大载荷和变形量均呈下降趋势,在－１８０~－１７０ ℃之间的变化尤为明显;在－１９３ ℃冲压时不同试样的变形量和最大载荷相差较大,有的试样能承受的最大载荷和变形量甚至高于在－１８０ ℃下冲压的.
２．２ 小冲杆试验的Esp与Esp/Fm
小冲杆试样的断裂能Esp可近似等于其载荷Ｇ位移曲线与x 轴围成的面积,通�？衫没址ㄇ笕�,根据积分终点的不同,主要有两种计算公式[９Ｇ１０]式中:dm ,df 分别为最大载荷和试样断裂时对应的位移;δ 为任一时刻的位移;F 为载荷.
FINARELLI等[１１]通过透射电镜研究了小冲杆试验过程中试样的变形,裂纹的产生及扩展过程,发现试样在承受最大载荷前即开始出现裂纹,由于裂纹的存在及试样变形后截面积的减小,试样变形所需载荷降低,直至断裂.但是材料的韧性是强度和塑性的综合体现[１２],它不仅包括材料抵抗裂纹萌生的能力,还包括抵抗裂纹失稳扩展的能力.在试验得到的载荷Ｇ位移曲线的断裂阶段仍然包含着试样的一部分塑性功,所以作者认为其断裂能应由式(４)求出.在得到不同温度下试样的断裂能后,通常做法是拟合出断裂能Ｇ温度曲线,并将曲线的峰值或者将最大与最小断裂能的平均值对应的温度视为韧脆转变温度[１３].但是试验结果表明,断裂能并不能很好地表征韧脆转变情况.在２５ ℃和在－９０ ℃试验时脆化 态 焊 缝 试 样 的 断 裂 能 比 较 接 近,分 别 为２０５５．６５×１０－３ J和２１７１．３×１０－３J,且２５ ℃时断裂的焊缝试样中心点的变形量为２．１１３mm,明显大于－１９０ ℃ 下的 (１．４６１ mm).由 图 ５ 可 以 看 出:２５ ℃和－１９０ ℃试验时,脆化态焊缝试样的断后形貌不同,２５ ℃试验时,该焊缝试样的裂纹在冲杆圆形压头的挤压下沿着压头与试样的接触面环形边缘环向扩展;而在－１９０ ℃试验时,试样的裂纹近似沿着径向辐射扩展,并且可能会出现多个扩展方向.这些都表明在同等断裂能下钢的韧脆特性也有可能完全不一样.
在处理低 温 小 冲 杆 试 验 数 据 时 作 者 发 现,可以用Esp/Fm 来衡量试样的韧脆转变情况.由图６可以看出:在相同的状态下,常温下母材和焊缝试样的Esp/Fm 均比低温下的大,且温度高于－９０℃时其值的波动性比较小;随着温度低,Esp/Fm的值较为分散,但总体呈下降的趋势;无论是母材还是焊缝,其脱脆态试样的 Esp/FmＧ温度曲线均近似向左上平 移,说 明 脱 脆 态 试 样 在 各 个 温 度 点 的ESP/Fm 值均比脆化态试样的高,其对应的韧脆转变温度也向 低 温 侧 移 动,即 服 役 后 试 样 的 韧 脆 转变温度向高 温 侧 移 动,说 明 试 块 发 生 了 轻 微 的 回火脆化.
对于加氢反应器用CrＧMo钢,工程上以 V 型缺口试样夏比冲击功为５４．２J时对应的温度作为韧脆转变温度,记为θtr５４.由图７可见,由夏比冲击试验得到的脆化态和脱脆态母材试样的韧脆转变温度不同,与由ESP/Fm 得到的结果相似.将图６(a)与图７对比后可以看出,ESP/Fm 与夏比冲击功均存在一个随温度的升高而增大的转变区,以及当温度升高到一定程度时保持稳定的平台区,两者的变化趋势相同.因此作者认为ESP/Fm 可以作为小冲杆试验评价材料断裂性能的一个表征量.
２．３ 韧脆转变温度
在定义材 料 的 韧 脆 转 变 温 度 时,有 以 下 四 种方法:冲击功下降到５０％~６０％时对应的温度;上下平台对应 冲 击 功 的 均 值 时 的 温 度;特 定 冲 击 功(如５４．２J)对应的温度;５０％的断面纤维率对应的温度.
由于常规 小 冲 杆 试 验 得 到 的 ESP/FmＧ温 度 曲线没有下平 台,现 有 的 数 据 太 少 而 无 法 对 某 一 类材料定义特定的 ESP/Fm ,并且小冲杆试样断口较小,没有标准断口形貌进行比对,无法判断或计算断面纤维率,再加上部分试验得到的ESP/Fm 的最小值可能不到韧性状态下的５０％,因此作者将拟合得到的ESP/FmＧ温度曲线上平台对应的 ESP/Fm值的６０％所对应的温度定义为小冲杆试验的韧脆转变温度θSP.
由表３ 可 以 看 出,θSP 虽 然 远 低 于θtr５４,但 是ΔθSP与 Δθtr５４(脆化态与脱脆态的韧脆转变温度增量)是近似相等的.也就是说对于３Cr１Mo１/４V 钢制加氢反应器,可以采用低温小冲杆试验得到的韧脆转变温度增量来表征其回火脆化量.
３ 结 论
(１)随温度降低,由小冲杆试验得到的试样断裂能ESP先 增 加 后 减 小,ESP/Fm 则 先 保 持 一 定 值后再减小;ESP/Fm 与夏比冲击功随温度的变化趋势基本相同.
(２)在同等断裂能下,相同材料的试样可能会具有不同的断裂机制,因此断裂能并不能很好地表征材料的韧脆转变情况.
(３)以ESP/Fm 作为材料韧脆转变性能的表征量,并以 ESP/Fm 稳 定 值 的 ６０％ 对 应 的 温 度 作 为小冲杆韧脆 转 变 温 度,得 到 的 焊 缝 和 母 材 韧 脆 转变温 度 增 量 与 由 夏 比 冲 击 试 验 得 到 的 仅 相 差３．３ ℃和－０．８ ℃,表明小冲杆试 验 可 以 用 来 评 价３Cr１Mo１/４V 钢的回火脆性.
（文章来源：材料与测试网-机械工程材料>2017年>5期> pp.84）