球形压力容器用1mnr钢低温性能研究

球形压力容器用1mnr钢低温性能研究

低温压力容器钢板西北石油化工厂有平台外的球形压力容器，体积为300120m，介质为氧、氮或液态烃。这些球形压力容器均按常温压力容器设计,分别采用18～44mm不同厚度的16MnR钢板制成,已经使用多年。该厂所在地区的冬季最低气温可达-40℃。根据压力容器标准,这些球形压力容器为低温压力容器。根据GB150—1998《钢制压力容器》标准的规定,低温压力容器用钢需在低于或等于壳体或其受压元件的最低设计温度下进行冲击试验。按照16MnR钢的抗拉强度,其在最低设计温度夏比冲击试验的冲击功Akv应大于等于20J。现钢厂供应的16MnR钢板不能保证温度低于-20℃时Akv≥20J,只有采用低温性能更好的16MnDR等钢板才能保证这一要求。据此,笔者对这些球形压力容器所使用的16MnR钢的低温断裂韧性进行了试验研究,以便进一步掌握其低温下使用的安全性,对不安全的球形压力容器及时采取相应的措施。压力容器在碳锰钢中的应用对低温压力容器材料的低温韧性有一定的要求是为了防止压力容器发生脆性断裂,这一要求的值通常是冲击功。由于冲击功试验是动态试验,夏比V形缺口冲击试样在试验时的应变速率极高,目前仅能建立钢的断裂韧性与Akv之间的半经验关系,有时还会相差极大,因此,用Akv评定压力容器或其元件的最低使用温度会遇到问题。美国Bartlett等曾经报道,壳牌石油公司用于-70℃管道系统的《1066.8mm(42英寸)管道大口径A350LF2低温碳锰钢锻造法兰,按照美国材料试验学会(ASTM)的标准,此时要求A350LF2锻钢在-45.6℃时Akv≥20J,但实际上有40%的法兰不能达到该值,有些法兰在-40℃的Akv仅为3J。为此,该公司对大量不合格的A350LF2锻钢进行了裂纹张开位移(COD)断裂韧性测试,发现在-70℃的COD值达到0.02mm即能防止脆断。因此,各国标准目前都趋向于以断裂力学试验研究成果与使用经验相结合的方法,综合考虑压力容器的最低设计温度、材料强度级别与厚度、所受应力大小以及是否进行热处理等有关因素,最终确定材料在低温下所需的抗断裂性能,如法国CODAP压力容器标准、现在正在制定的欧洲压力容器标准、美国机械工程学会压力容器规范(ASMEⅧ-1)及美国石油学会防止压力容器脆断的指导性文件APIRP920等。图1是英国BS5500压力容器标准中根据焊态宽板试验所得的设计曲线,将总应变达到0.5%而缺口仍不开裂的温度作为最低使用温度,给出了焊态不同板厚碳锰钢的最低使用温度。从图1中可以看出,在某一低温下达到一定Akv要求的钢板,在不同的厚度,可以有不同的使用温度。根据以上情况,笔者测试了球形压力容器用16MnR钢不同温度下的低温冲击韧性和断裂韧性,并直接用相应温度下的断裂韧性数据评定16MnR钢球形压力容器在低温环境下的使用安全性。可靠性试验和抗衰减试验1.钢板的用量在所有球形压力容器用16MnR钢板中,选择-20℃时冲击韧性较钢板标准要求余量小的钢板作为试验用钢,即钢板在-20℃时Akv等于20J或稍高于20J。试验选用了18、36和40mm厚的3种16MnR钢板,其中18mm与36mm钢板为交货状态,40mm钢板经过焊后消除应力热处理。2.冲击试验结果对上述3种钢板分别在板材横向取样加工成冲击试样,在不同的低温下测其夏比缺口冲击功。冲击试验方法按照GB/T229—94《金属夏比缺口冲击试验方法》规定,冲击试样为10mm×10mm×55mm标准试样。试验结果见表1与图2、图3和图4。从以上试验结果可以看出,-20℃时,18mm和36mm两种板厚的16MnR钢冲击功略高于20J,40mm板冲击功等于20J。-30℃时,36mm和40mm板的16MnR钢冲击功均已低于20J。3.断裂韧性试验对3种钢板分别按标准加工成断裂韧性试样,在不同的低温下同时测取断裂韧性参量Ji(或JIC)、δ0.05(或δc)积分和COD值,试验按照GB2038《利用JR阻力曲线确定金属延性断裂韧度试验方法》和GB2358《裂纹张开位移试验方法》进行。测试结果见表2与表3。由表2与表3可知,Ji与δ0.05随温度降低的变化趋势相似。在两种断裂韧性测试中,18mm16MnR钢板直到-70℃也未发生脆断,36mm16MnR钢板在-50℃开始发生脆断,40mm16MnR钢板在-60℃开始发生脆断。由于δ0.05的测试值很小,其量级仅为10-1mm,受测量影响的误差相对较Ji大,其随温度降低的变化规律性不及Ji好,因此,采用Ji对温度作图观察其随温度降低的变化趋势。图2、图3与图4中分别表示出3种厚度16MnR钢板Ji随温度的变化曲线,并与Akv随温度的变化曲线作比较。从图中可以看出,由于断裂韧性试验为准静态加载速率,远低于冲击功试验加载的高应变速率。虽然断裂韧性试样的疲劳预制裂纹的应力集中程度高于冲击试样,综合作用的结果,断裂韧性的转变温度曲线比冲击功转变温度曲线仍向低温侧位移了一定数值。钢板压力容器系统根据断裂韧性测试,3种16MnR钢板的断裂韧性在-40℃时均较室温断裂韧性无明显下降,表明采用这3种16MnR钢板制成的球形压力容器用于-30℃最低设计温度时,不会发生脆断。为进一步了解采用这3种16MnR钢板制成的球形压力容器在-30℃时对缺陷的容限大小,采用我国已使用的CVDA—1984《压力容器缺陷评定规范》进一步分析其安全性。1.缺陷评定的确定评定时,选用3种钢板中断裂韧性相对较差的36mm的钢板。预设此容器中有平行于焊缝方向的高12mm、长240mm的裂纹状埋藏缺陷,如此大的缺陷在无损检验时应不会漏检。评定的温度选择为-30℃。参照GB150—1998《钢制压力容器》将球形压力容器选用36mm16MnR钢的最大许用应力σm为163MPa,容器的错边与角变形取标准允许的最大值,分别为3mm和5mm。球形压力容器焊缝的拉伸性能与断裂韧性按照与母材相当考虑。2.应力集中系数埋藏缺陷自身高度a=6mm,长度L=2c=240mm,缺陷离表面最近距离p=6mm,首先用下式计算应力集中系数ktkt=1+3(w+h)2tkt=1+3(w+h)2t式中h——错边量,h=3mm;w——角变形,w=5mm;t——壁厚,t=36mm。计算得到由错边量和角变形引起的应力集中系数kt=1.33。屈服强度为σs=379MPa(36mm板-30℃实测值),考虑到埋藏缺陷平行于焊缝,得总应力为σ1=ktσm=217MPaσ1=ktσm=217ΜΡa断裂韧性δc=0.085mm(-30℃36mm板实测值)总应变e=σ1/E=0.0011e=σ1/E=0.0011屈服应变ey=σs/E=0.0019ey=σs/E=0.0019因e<ey,允许裂纹尺寸a¯a¯m采用下式计算a¯m=δc2πey(e/ey)2=21.25mma¯m=δc2πey(e/ey)2=21.25mma/c=0.05,c为裂纹半长,查表得系数ψ=1.005;λ=a/(p+a)=0.5,查表得系数Ω=1.13。埋藏缺陷的等效裂纹尺寸a¯a¯为a¯=a(Ω/ψ)2=7.58mma¯=a(Ω/ψ)2=7.58mma¯a¯<a¯a¯m,以上埋藏缺陷是允许的。断裂韧性相对较差的钢板、钢板的断裂韧性(1)断裂韧性的测试结果表明,3种厚度的16MnR钢板在-30℃仍保持与室温相当的断裂韧性,36mm钢板在-50℃时显现出脆性,40mm钢板在-60℃时才显现出脆性,而18mm钢板在-70℃尚未显现出脆性。由断裂韧性测得的韧脆转变温度显著低于由夏比冲击韧性测得的韧脆转变温度。(2)对3