20钢冻结管低温性能试验分析

20钢冻结管低温性能试验分析

sdo主要用于特殊的人工钻探技术。sdo技术可以在开挖的井筒周围形成一定厚度和强度的保护结构，以确保井筒壁的稳定性和安全性，防止周围地下水进入井筒。冻结管的质量是保证工程顺利进行的关键,冻结管一旦失效将造成盐水大量流失,同时由于盐水大量渗入冻结壁使冻土融化,降低了冻结壁强度,增加了施工难度。一般煤矿的井深约400m,近期某煤矿预开采矿井的冲积层深度达到700~900m;因此,工况更复杂,所使用的冷却液温度更低。长期以来,20钢冻结管按照GB/T8163—2008《输送流体用无缝钢管》标准执行,但随着冻结管工作环境越来越复杂,煤矿企业对按照GB/T8163—2008标准执行的20钢钢管是否还能满足其使用要求提出疑问。据有关资料介绍,冻结管长期在低温下工作,其断裂具有以下特点:(1)受冲积层地压作用,断裂大多发生在井筒深度大于150m的深厚层黏土层中;(2)冲积层断管多数发生在冻结壁出现较大位移之后,基岩中断管主要是由爆破所致。从使用特点来看,冻结管是工程结构用钢,主要承受各种载荷,需要有较高的屈服强度、良好的塑性和韧性。鉴于20钢冻结管的使用要求,本文以20钢为研究对象,通过实验室正火热处理,研究不同热处理条件对20钢低温冲击韧性和韧脆转变温度的影响,以确定最佳正火温度。选择对冻结管的韧性进行评价,是因为韧性是衡量材料对缺口敏感性的力学性能指标,尤其能反映材料在低温或有冲击载荷作用时对缺口的敏感性,是材料强度和塑性的综合反映,强度高且塑性好的材料其韧性也好。1其他常用低温用不锈钢钢管见图2目前国内低温用碳钢和合金钢无缝钢管(按石化设备低温用钢分类)所采用的标准有:GB5310—2008《高压锅炉用无缝钢管》、GB6479—2000《高压化肥设备用无缝钢管》、GB/T8163—2008、GB150—1998《钢制压力容器》附录A中A3条款、GB/T13269—1991《大气试验粉尘标准样品煤飞尘》、GB/T14976—2002《流体输送用不锈钢无缝钢管》、ASMESA333/SA333M—2010《低温作业用无缝和焊接钢管》和ASMESA334/SA334M—2001《低温作业用无缝焊接碳素合金钢管用规范》(与ASTM完全等同);另外管道行业也采用GB/T18984—2003《低温管道用无缝钢管》标准。在这些标准中,仅GB/T18984—2003、ASMESA333/SA333M—2010和ASMESA334/SA334M—2001是低温用无缝钢管专用标准。冻结管的传统牌号为20钢,如GB5310—2008中的20G、GB6479—2000中的20钢,都明确规定20钢允许用于低温环境。由于20钢的化学成分符合ASMESA333/SA333M—2010标准中1级钢的规定,且标准要求1级钢的交货状态为正火状态;因此,本文以ASMESA333/SA333M—2010标准中1级钢的要求为参考,检验热轧态及不同正火状态下Φ159mm×8mm规格20钢样管的拉伸性能和低温冲击韧性,为现场生产提供依据。2试验工艺及设备取Φ159mm×8mm规格20钢钢管作为试验材料,其化学成分见表1。从表1可以看出:20钢的化学成分符合GB/T699—1999《优质碳素结构钢》标准要求。分别对Φ159mm×8mm规格20钢钢管的试样进行不同的正火工艺热处理,采用箱式电阻炉,型号为YFX96/12G-YC,试验炉温度控制精度为±10℃。其中1号试样为热轧态,2号试样910℃正火保温30min,3号试样880℃正火保温30min,4号试样860℃正火保温30min。拉伸试验设备为Z600电子拉伸材料试验机,冲击试验设备为ZBC2602全自动冲击试验机,金相组织腐蚀剂为4%硝酸酒精溶液。3试验结果与分析3.1不同性能20钢钢管冲击试验不同状态20钢的力学性能见表2。从表2可以看出:910℃正火后试样拉伸性能偏低,未达到GB/T8163—2008标准要求;880℃正火和860℃正火后试样拉伸性能满足标准要求。对不同状态下的Φ159mm×8mm规格20钢钢管进行冲击试验,试样尺寸为10mm×5mm×55mm。根据现在国际工程界公认的方法,以夏比V型缺口冲击功AkV为21J(试样尺寸为10mm×10mm×55mm)所对应的温度作为低碳钢和碳锰钢的韧脆转变温度。由ASMESA333/SA333M—2010标准可知,与10mm×5mm×55mm试样尺寸对应的冲击功应大于9J。不同状态下20钢的冲击试验结果见表3。从表3可以看出:热轧态20钢的韧脆转变温度为-10℃,经过910℃、880℃、860℃正火后,韧脆转变温度分别为-30℃、-40℃、-40℃,而880℃和860℃正火保温30min后试样的韧脆转变温度达到-40℃。3.2各因素的反应曲线根据1~4号试样的低温冲击试验数值,采用Origin软件拟合不同状态下20钢的脆性转变温度曲线,Origin拟合曲线如图1所示。Origin软件分析读出热轧态20钢的韧脆转变温度为-5.9℃;经过910℃、880℃、860℃正火后,20钢的韧脆转变温度分别为-24℃、-34℃、-24℃。由上述分析可以看出:经过正火处理,20钢的韧脆转变温度下降到-30~-20℃。3.3组织晶粒度对1~4号试样的晶粒度进行评级。图2为不同状态下20钢的金相组织。热轧态20钢的组织晶粒度为8.5级;经过910℃、880℃、860℃正火后,20钢的晶粒度分别为6.5级、8.0级、8.5级。由此可以看出:虽然20钢正火处理后的组织晶粒度比热轧态的粗大,但正火处理后20钢的低温冲击性能大幅度提高。4钢的正热处理正火热处理可以改善20钢的低温冲击韧性,降低其韧脆转变温度;选取860~880℃为20钢