锅炉压力容器钢板韧脆在温度变化中的转变

  摘 要:在实际的工业生产中,锅炉与压力容器的材料往往以钢板为材料,钢板的韧性会随着温度的变化而变化,温度下降,韧性也降低,当达到临界值后,钢板会发生韧脆转变现象,导致产品性能不佳的现象,锅炉压力容器就会达不到技术要求,为了科学判断锅炉压力容器钢板韧脆随着温度变化而发生的转变,本文通过系列温度冲击试验,对钢板韧脆变化进行了测定,希望能够对相关工作人员有所启发。

  关键词:压力容器;冲击试验;钢板韧脆;温度变化

  中图分类号:TG142 文献标识码:A

  锅炉压力容器对于工业生产具有重要意义,在实际生产过程中,压力容器通过铁素体钢在既定的温度范围内的韧脆转变而形成,但是,其中的安全隐患也始终难以消除,对于结构完整性的维系也造成了阻碍。在既定的温度区间内,材料的韧脆转变与之息息相关,但是有表现出明显的分散性,需要对其表述和数值进行严格确定,保证数据资料的真实性。但是,对于钢板韧脆变化的评价和预测,一直是工程界和学术界的难题,需要通过不断努力,攻克难题。攀登工程研究的新高峰。

  一、锅炉与钢制压力容器概述

  在钢制的压力容器中,其主要的受压元件包括壳体、封头大口径接管等部分,这个元件的材料多为钢板,由钢板加工而成,对钢板的技术要求依照国家钢制压力容器的相关规定进行加工制作。而GB150是其中的一种,其设计以压力容器延性断裂为基础,所以,必须要杜绝一切脆性断裂。但是,众所周知,压力容器由于加工材料的限制,中低碳钢、合金钢等韧性材料经过冶炼、轧制和制造之后,微孔洞和微裂纹必然存在,从而形成微观缺陷的基础,微观缺陷受到外力荷载作用,会不断发展,形成宏观裂纹,如果得不到及时处理,将直接导致压力容器的损坏。温度在这个过程中发挥着重要作用,在低温条件下,压力容器如果发生脆性断裂,也就表明了压力容器的工作温度在材料脆性转变温度之下。

  在锅炉与压力容器中,常温条件下,钢板的冲击韧性很好,但是,一旦温度低于某一临界值,其冲击韧性就会骤然下降,断口也不再呈现出纤维状,而是变为结晶状,断裂也由微孔聚集变成了穿晶解理型。随着温度的变化,材料的屈服强度也不断变化,温度降低,屈服强度升高,断裂强度却不会发生明显变化,从而使材料脆化。

  研究表明,材料的韧脆转变温度不是一成不变的,而是随着外界条件的变化而发生变化。脆性转变温度会受到钢板厚度的影响,厚度越大,脆性转变温度就会上升。在GB150标准中,压力容器的工作环境温度介于-20℃~0℃的范围内,是不符合低温压力容器的标准的,没有必要在制作过程中针对性地采用低温用钢。如果钢板厚度超过某个特殊的温度值,其脆性转变温度就会上升,为产品的安全运行埋下了安全隐患。

  二、试验过程

  1 材料与试样

  本次试验采用的主要材料为DIWA353 型号的钢板,厚度为100mm,钢板的化学成分和力学性能见表1和表2,其中,变轴直径用d表示,试样的厚度用a表示。

  表1 DIWA353钢板的化学成分(%)

  成分 百分比 成分 百分比

  C 0.149 Al 0.041

  Si 0.382 Mo 0.367

  Mn 1.47 Cu 0.035

  P 0.012 Nb 0.011

  S 0.0004 Ni 0.619

  Cr 0.355 V 0.001

  表2 DIWA353钢板的力学性能

  试验 指标 结果

  拉力

  试验 屈服强度

  (MPa) 501

  抗拉强度

  (MPa) 658

  延伸率(%) 26.6

  弯曲

  试验 弯曲角度

  (180°) d=3a合格

  冲击试验(试验温度0℃) 冲击功(J) 试样1,199

  试样2,190

  试样3,151

  350℃高温

  拉伸试验 屈服强度

  (MPa) 436

  抗拉强度

  (MPa) 614

  在试验过程中,在钢板厚度的1/4处取样,然后将样品加工成为10mm× 10mm×55mm的V型缺口标准冲击试样,确保试样的形状和尺寸公差均能够满足冲击试验要求。在试验中,试验的完成,主要依靠JB30B摆锤式冲击试验及机。

  2 试验方法

  关于韧脆转变温度的界定,主要是指不同温度冲击试验下,冲击吸收功急剧变化或断口韧性极剧转变的温度区域。为此,在工程实践中,韧脆转变温度的测定,主要依靠标准夏比V型缺口冲击试样来实现。在不同的温度条件下,冲击试验才能获得更加准确的结果,并建立坐标系,以试验温度为x轴坐标,以冲击吸收功和脆性断面率为y坐标,从而得到吸收功-温度曲线,脆性断面率-温度曲线,并通过曲线变化,得到钢板的韧脆转变温度。

  根据相关标准的规定,冲击吸收功-温度曲线上下平台区间50%对应的温度,和脆性断面率-温度曲线中脆性断面率50%对应的温度即韧脆转变温度。脆性断面率通过游标卡尺进行测量,获得。

  为了保证吸收功-温度曲线,脆性断面率-温度曲线的绘制效果,保证曲线的完整性和明确性,试验过程中,需要在每个温度范围内选取不同的3个试样,分别进行相同的试验,从而有效控制冲击试验随机因素对试验结果的影响,集中试验数据。为了有效保证试验中的冲击功值和该温度范围内的韧性具有一致性,应该合理选择试验次数,获得多次数据。此外,为了保证试验的可靠性,试验中应该合理选择温度间隔,充分遵照材料的低温特性,温度间隔确定为20℃为宜。

  三、试验结果分析

  在不同的试验温度下,V型缺口试样的冲击吸收功和脆性断面率也不断发生变化,具体试验结果详见表3,通过对试验结果的分析,可以得出:随着试验温度的降低,DIWA353钢板存在明显的韧脆转变现象,具体的变化详如图1所示。

  从图1可以看出,钢板的冲击吸收功Akv会随着试验温度的下降而减少。但是对于钢板而言,通过温度的测定,能够有效表塑性破坏与脆性破坏之间不是互通的,充分考虑到钢板的材料因素,在试样加工过程中,试验加工过程以及试验操作过程都是影响韧脆转变的重要因素。通过试验,韧脆转变发生的温度是具有固定区间的。

  通过上述试验,在锅炉压力容器中,DIWA353钢板具有低温韧脆转变的特性,其转变温度需要通过一系列的温度夏比缺口冲击试验来获得。在实际生产过程中,韧脆转变温度充分反映了金属材料韧脆特性受到温度的影响程度,为此,压力容器要想安全运行,维持低温环境至关重要。为此,在金属材料的选择过程中,将韧脆转变温度确定为一个重要的选择参数,具有其明确的科学依据,是判断材料韧性的重要依据。本次试验中,钢板的冲击吸收功测定过程中,其韧脆转变温度为-26℃,通过断口脆性断面率而得到的韧脆转变温度为-28℃,均位于钢板的工作温度之下,用于压力容器,能够保证安全性。

  结语

  在工业工程领域,锅炉压力容器有着广泛的应用,加强对锅炉压力容器的深入研究具有重要的实践意义。在实际生产过程中,压力容器通过铁素体钢在既定的温度范围内的韧脆转变而形成,但是,其中的安全隐患也始终难以消除,对于结构完整性的维系也造成了阻碍。通过本文的研究,保证钢板韧脆转变温度不高于工作温度,就可以大大提高锅炉压力容器的安全性能。

  参考文献

  [1]崔颖,史志龙.锅炉压力容器DIWA353 钢板韧脆转变温度的测定[J].黑龙江电力,2008,30(01):48-49,61.

  [2]姜洪生.临氢设备用12Cr2Mo1R厚钢板生产及使用技术研究[D].东北大学,2009.

  [3]张高.天然气场站低温环境下压力容器安全性评价研究[D].西安石油大学,2014.

  [4]任虎.低温压力容器用09MnNiDR钢热处理工艺及焊接性能研究[D].东北大学,2012.

  摘 要:在实际的工业生产中,锅炉与压力容器的材料往往以钢板为材料,钢板的韧性会随着温度的变化而变化,温度下降,韧性也降低,当达到临界值后,钢板会发生韧脆转变现象,导致产品性能不佳的现象,锅炉压力容器就会达不到技术要求,为了科学判断锅炉压力容器钢板韧脆随着温度变化而发生的转变,本文通过系列温度冲击试验,对钢板韧脆变化进行了测定,希望能够对相关工作人员有所启发。

  关键词:压力容器;冲击试验;钢板韧脆;温度变化

  中图分类号:TG142 文献标识码:A

  锅炉压力容器对于工业生产具有重要意义,在实际生产过程中,压力容器通过铁素体钢在既定的温度范围内的韧脆转变而形成,但是,其中的安全隐患也始终难以消除,对于结构完整性的维系也造成了阻碍。在既定的温度区间内,材料的韧脆转变与之息息相关,但是有表现出明显的分散性,需要对其表述和数值进行严格确定,保证数据资料的真实性。但是,对于钢板韧脆变化的评价和预测,一直是工程界和学术界的难题,需要通过不断努力,攻克难题。攀登工程研究的新高峰。

  一、锅炉与钢制压力容器概述

  在钢制的压力容器中,其主要的受压元件包括壳体、封头大口径接管等部分,这个元件的材料多为钢板,由钢板加工而成,对钢板的技术要求依照国家钢制压力容器的相关规定进行加工制作。而GB150是其中的一种,其设计以压力容器延性断裂为基础,所以,必须要杜绝一切脆性断裂。但是,众所周知,压力容器由于加工材料的限制,中低碳钢、合金钢等韧性材料经过冶炼、轧制和制造之后,微孔洞和微裂纹必然存在,从而形成微观缺陷的基础,微观缺陷受到外力荷载作用,会不断发展,形成宏观裂纹,如果得不到及时处理,将直接导致压力容器的损坏。温度在这个过程中发挥着重要作用,在低温条件下,压力容器如果发生脆性断裂,也就表明了压力容器的工作温度在材料脆性转变温度之下。

  在锅炉与压力容器中,常温条件下,钢板的冲击韧性很好,但是,一旦温度低于某一临界值,其冲击韧性就会骤然下降,断口也不再呈现出纤维状,而是变为结晶状,断裂也由微孔聚集变成了穿晶解理型。随着温度的变化,材料的屈服强度也不断变化,温度降低,屈服强度升高,断裂强度却不会发生明显变化,从而使材料脆化。

  研究表明,材料的韧脆转变温度不是一成不变的,而是随着外界条件的变化而发生变化。脆性转变温度会受到钢板厚度的影响,厚度越大,脆性转变温度就会上升。在GB150标准中,压力容器的工作环境温度介于-20℃~0℃的范围内,是不符合低温压力容器的标准的,没有必要在制作过程中针对性地采用低温用钢。如果钢板厚度超过某个特殊的温度值,其脆性转变温度就会上升,为产品的安全运行埋下了安全隐患。

  二、试验过程

  1 材料与试样

  本次试验采用的主要材料为DIWA353 型号的钢板,厚度为100mm,钢板的化学成分和力学性能见表1和表2,其中,变轴直径用d表示,试样的厚度用a表示。

  表1 DIWA353钢板的化学成分(%)

  成分 百分比 成分 百分比

  C 0.149 Al 0.041

  Si 0.382 Mo 0.367

  Mn 1.47 Cu 0.035

  P 0.012 Nb 0.011

  S 0.0004 Ni 0.619

  Cr 0.355 V 0.001

  表2 DIWA353钢板的力学性能

  试验 指标 结果

  拉力

  试验 屈服强度

  (MPa) 501

  抗拉强度

  (MPa) 658

  延伸率(%) 26.6

  弯曲

  试验 弯曲角度

  (180°) d=3a合格

  冲击试验(试验温度0℃) 冲击功(J) 试样1,199

  试样2,190

  试样3,151

  350℃高温

  拉伸试验 屈服强度

  (MPa) 436

  抗拉强度

  (MPa) 614

  在试验过程中,在钢板厚度的1/4处取样,然后将样品加工成为10mm× 10mm×55mm的V型缺口标准冲击试样,确保试样的形状和尺寸公差均能够满足冲击试验要求。在试验中,试验的完成,主要依靠JB30B摆锤式冲击试验及机。

  2 试验方法

  关于韧脆转变温度的界定,主要是指不同温度冲击试验下,冲击吸收功急剧变化或断口韧性极剧转变的温度区域。为此,在工程实践中,韧脆转变温度的测定,主要依靠标准夏比V型缺口冲击试样来实现。在不同的温度条件下,冲击试验才能获得更加准确的结果,并建立坐标系,以试验温度为x轴坐标,以冲击吸收功和脆性断面率为y坐标,从而得到吸收功-温度曲线,脆性断面率-温度曲线,并通过曲线变化,得到钢板的韧脆转变温度。

  根据相关标准的规定,冲击吸收功-温度曲线上下平台区间50%对应的温度,和脆性断面率-温度曲线中脆性断面率50%对应的温度即韧脆转变温度。脆性断面率通过游标卡尺进行测量,获得。

  为了保证吸收功-温度曲线,脆性断面率-温度曲线的绘制效果,保证曲线的完整性和明确性,试验过程中,需要在每个温度范围内选取不同的3个试样,分别进行相同的试验,从而有效控制冲击试验随机因素对试验结果的影响,集中试验数据。为了有效保证试验中的冲击功值和该温度范围内的韧性具有一致性,应该合理选择试验次数,获得多次数据。此外,为了保证试验的可靠性,试验中应该合理选择温度间隔,充分遵照材料的低温特性,温度间隔确定为20℃为宜。

  三、试验结果分析

  在不同的试验温度下,V型缺口试样的冲击吸收功和脆性断面率也不断发生变化,具体试验结果详见表3,通过对试验结果的分析,可以得出:随着试验温度的降低,DIWA353钢板存在明显的韧脆转变现象,具体的变化详如图1所示。

  从图1可以看出,钢板的冲击吸收功Akv会随着试验温度的下降而减少。但是对于钢板而言,通过温度的测定,能够有效表塑性破坏与脆性破坏之间不是互通的,充分考虑到钢板的材料因素,在试样加工过程中,试验加工过程以及试验操作过程都是影响韧脆转变的重要因素。通过试验,韧脆转变发生的温度是具有固定区间的。

  通过上述试验,在锅炉压力容器中,DIWA353钢板具有低温韧脆转变的特性,其转变温度需要通过一系列的温度夏比缺口冲击试验来获得。在实际生产过程中,韧脆转变温度充分反映了金属材料韧脆特性受到温度的影响程度,为此,压力容器要想安全运行,维持低温环境至关重要。为此,在金属材料的选择过程中,将韧脆转变温度确定为一个重要的选择参数,具有其明确的科学依据,是判断材料韧性的重要依据。本次试验中,钢板的冲击吸收功测定过程中,其韧脆转变温度为-26℃,通过断口脆性断面率而得到的韧脆转变温度为-28℃,均位于钢板的工作温度之下,用于压力容器,能够保证安全性。

  结语

  在工业工程领域,锅炉压力容器有着广泛的应用,加强对锅炉压力容器的深入研究具有重要的实践意义。在实际生产过程中,压力容器通过铁素体钢在既定的温度范围内的韧脆转变而形成,但是,其中的安全隐患也始终难以消除,对于结构完整性的维系也造成了阻碍。通过本文的研究,保证钢板韧脆转变温度不高于工作温度,就可以大大提高锅炉压力容器的安全性能。

  参考文献

  [1]崔颖,史志龙.锅炉压力容器DIWA353 钢板韧脆转变温度的测定[J].黑龙江电力,2008,30(01):48-49,61.

  [2]姜洪生.临氢设备用12Cr2Mo1R厚钢板生产及使用技术研究[D].东北大学,2009.

  [3]张高.天然气场站低温环境下压力容器安全性评价研究[D].西安石油大学,2014.

  [4]任虎.低温压力容器用09MnNiDR钢热处理工艺及焊接性能研究[D].东北大学,2012.


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