cr-mo钢在压力容器中的抗脆断性研究

cr-mo钢在压力容器中的抗脆断性研究

1耐热钢低铬合金抗热钢是压力容器中使用最多的抗热钢。一般来说，抗热钢的元素总数不超过5%，通常由正火和火组成。合金元素总含量在2.5%以下,在供货状态下具有珠光体+铁素体组织,故亦称珠光体耐热钢;合金元素总含量超过3%的低合金耐热钢,在供货状态下具有贝氏体+铁素体组织,故亦称贝氏体耐热钢。铬钼低合金耐热钢压力容器如长期在350℃~550℃运行,易产生回火脆性,导致材料及其焊接接头韧性下降,脆性转变温度提高,甚至在常温下材料脆化,从而导致设备脆断,造成灾难性事故。2金属脆性断裂断裂的形成机理在于其不可忽视断裂是金属材料在外力作用下丧失连接性的过程,包括裂纹的产生和扩展两个基本过程。金属断裂通常分为塑性断裂和脆性断裂两种典型方式。金属材料的抗裂性能与其化学成分和显微组织等内部条件有关,也与应力状态、环境温度和介质等外部条件有关。金属塑性断裂前发生显著的宏观塑性变形,容易引起人们的注意,从而可及时采取措施防止断裂的发生,或者仅局部发生断裂,降低了事故的危害性。与塑性断裂不同,金属脆性断裂前,极少或者没有宏观塑性变形(但在局部区域可存在一定的微观塑性变形),断裂时承受的工程应力通常不超过材料的屈服强度,甚至低于按宏观强度理论确定的许用应力(故亦称低应力断裂)。由于脆性断裂前既没有可见的宏观塑性变形,又无其他预兆,并且一旦开裂后,裂纹扩展迅速,造成整体开裂或大的裂口,并可能伴随产生金属碎片,容易导致严重的事故。金属发生塑性断裂或者脆性断裂的本质原因在于材料的能量吸收机制的不同。如果金属在外力作用下,自身的能量吸收机制能吸收大量的能量,就会发生塑性断裂,否则,则发生脆性断裂。金属材料能量吸收机制的优劣可用其韧性评价,通过对金属材料的冲击试验获得韧性的定量数据。虽然耐热钢压力容器通常是在高温下工作,但压力容器制造完工后需在常温下进行耐压试验;在安装检修完后,要经历耐压试验和冷启动过程。因此,耐热钢压力容器在常温下亦应具有一定的抗脆断性。3cr-mo钢晶界偏聚机理研究表明,Cr-Mo钢的回火脆性与其含有的杂质P、Sb、Sn、As有密切关系,尤其是P。关于回火脆性发生的机理,目前有许多解释,比较重要的是晶界偏聚机制:Cr-Mo钢长期在350℃~550℃运行,使这些杂质原子有足够时间向晶界偏聚,从而降低了晶界的断裂强度,增大了脆性倾向。Cr-Mo钢中Cr、Ni等合金元素促进这些杂质的偏聚,而自身也发生偏聚。W(Cr)=2%~3%的钢具有最大脆性倾向;Mo、W等合金元素与杂质元素发生交互作用,抑制杂质元素向晶界偏聚,从而能减轻回火脆性倾向。4回转脆性敏感性的评估由于Cr-Mo钢回火脆性的敏感性主要与其化学成分和显微组织等内部条件有关,所以,有关其回火脆性敏感性的评估也应基于此。目前,对Cr-Mo钢回火脆性敏感性的评估主要有两种方式:一是通过钢的化学成分,计算得到脆化系数(X)和脆化指数(J),利用X系数和J指数来评估;二是通过分步冷却(S.C)试验法测定。4.1+si元素模型脆化系数X=(10P+5Sb+4Sn+As)×10-2(式中的元素符号表示该元素的质量分数,以ppm表示);脆化指数J=(Mn+Si)(P+Sn)×104(式中的元素符号表示该元素的质量分数,以百分含量表示)。国际上一般要求X≤15,J≤150,有的甚至要求X≤12,J≤80有时,还会对影响Cr-Mo钢回火脆性的其他元素同时提出成分限制,如Cu,Ni等。当钢中成分能满足以上条件时,认为可减少Cr-Mo钢回火脆性倾向。因而,防止Cr-Mo钢回火脆性发生的首要和主要措施是控制钢的杂质和Mn、Si等元素的含量。4.2步冷及高温作用下的利益分析脆化系数(X)和脆化指数(J)评估法仅从金属化学成分的种类和含量出发,没有考虑金属的组织状态对回火脆性敏感性的影响,因而是不全面和不充分的。分步冷却(S.C)试验法测定Cr-Mo钢回火脆性倾向是将压力容器的受压元件用材料及焊接接头制作成试件,加热到规定的最高温度后分步冷却,温度每下降一级,保温更长时间,目的是在一个较短的时间内使Cr-Mo钢试件产生最大的回火脆性,以模拟Cr-Mo钢压力容器长期在350℃~550℃运行产生的回火脆性。通过对试件韧性的实验测定,从而评估试件所代表的压力容器受压元件及焊接接头运行中产生的回火脆性。典型的分步冷却过程如下:将试件加热到595℃,加热速率55℃/小时,保温1小时,冷却至540℃,最大冷却速率6℃/小时;540℃保温15小时,冷却至525℃,最大冷却速率6℃/小时;525℃保温24小时,冷却至495℃,最大冷却速率6℃/小时;495℃保温60小时,冷却至470℃,最大冷却速率3℃/小时;470℃保温100小时,冷却至315℃,最大冷却速率28℃/小时;试件315℃空气(静止)冷却至常温。母材和焊接接头经步冷处理后的试样,其回火脆性敏感性评定试验结果以满足下式为合格:式中:VTr55:试样经最小模拟焊后热处理(Min.PWHT)处理后的夏比(V形缺口)冲击功为55J时相应的转变温度;△VTr55:试样经最小模拟焊后热处理(Min.PWHT)+步冷(S.C)处理后的夏比(V形缺口)冲击功为55J时相应的转变温度增量。该式的意义是:以55J冲击功为金属的合格韧性,金属在脆化温度范围内模拟回火脆性过程并获得最大程度脆化后,其55J冲击功对应的温度较脆化前产生一增量(△VTr55),该温度增量表征了金属的脆化程度,将该温度增量考虑充分的余量(150%),金属55J冲击功对应的温度(VTr55+2.5△VTr55)在10℃以下,也即脆化后金属在10℃以下仍可保持55J冲击功的合格韧性。关于Cr-Mo钢回火脆性敏感性的评估举例如下:我厂为中东某国油气工程制造的一台压力容器,工作温度为480℃,设计温度为550℃,最小金属设计温度(MDMT)为2℃,容器受压元件采用ASME标准材料如下:钢板:SA-387Gr.11Cl.2;锻件:SA-182F11Cl..2;无缝钢管:SA-335P11.以上材料公称化学成分均为1.25Cr-0.5Mo按业主的制造要求,所有受压元件用材料应通过试件的步冷试验评估其回火脆性敏感性,焊接接头(包括焊缝金属和热影响区母材)则应通过焊接工艺评定试件的步冷试验评估其回火脆性敏感性。以锻件SA-182F11Cl..2为例:锻件SA-182F11Cl..2实际化学成份见表1。脆化系数X=(10P+5Sb+4Sn+As)×10-2将式中元素符号以该元素的质量分数(ppm)代入:脆化指数J=(Mn+Si)(P+Sn)×104将式中元素符号以该元素的质量分数(百分含量)代入:脆化指数J=(Mn+Si)(P+Sn)×104=(0.50+0.55)(0.005+0.001)×104=63<80可见,锻件的化学成分符合控制回火脆性的要求。锻件坯料锻造完成后,切割下试件(两件),试件尺寸应满足冲击试样加工要求。根据设备制造拟订的焊后热处理规范对两件试件进行最小模拟焊后热处理(Min.PWHT),并对其中一件试件再进行步冷处理(Min.PWHT+S.C)。分别从两件试件上取样(1/2厚度位置),加工冲击试样,试样尺寸10mm×10mm×55mm。冲击试验选择8个适当的温度点,每个试验温度下,取3个冲击试样,每个试件试样总数为3×8=24。分别对试样在不同的试验温度下进行夏比(V形缺口)冲击试验,结果见表2(试样的加工和试验按照ASMESA-370相关要求)。将冲击试验结果绘制成温度-冲击功曲线(见图1)。由图1可见,该曲线具有明显的韧脆转变趋势,曲线存在上平台区、韧脆转变过渡区及下平台区。经步冷处理后的试件其温度-冲击功曲线较未经步冷处理的试件韧脆转变过渡区向高温移动,表明材料出现了一定程度脆化。由图1可推测,试件模拟热处理状态下冲击功为55J对应温度VTr55=-48.0℃,而试件再经步冷处理后,其冲击功为55J对应温度V′Tr55=-40.0℃,△VTr55=V′Tr55-VTr55=8.0℃,VTr55+2.5△VTr55=-28℃≤10℃,表明回火脆性在可接受范围。5回脆性步冷试验验证5.2步冷试验同时具有加速和加深材料回火脆化的效果,目前认为是一种较为优化和有效的模拟材料回火脆化的试验方法,可作为验证铬钼低合金耐热钢回火脆性的方法。5.1压力容器使用的铬钼低合金耐热钢,其长期在脆化温度范围内运行导致的回火脆性是其重要的材质特征之一,给压力容器带来安全隐患,必须予以重视。合金含量越高,该问题越严重。压力容器制造过程中通过对材料以及焊缝金属化学成分的控制,并结合材料及焊接接头试件的回火脆性步冷试验验证,可达到控制和评估其回火脆性的目的。5