25Cr2MoVA和15CrMo鋼的高溫蠕變特性

喻九陽(yáng)，王明伍，張紅才，鄭小濤，桑 聰

1.武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205；2.中石化湖北化肥分公司，湖北 枝江 443200

0 引 言

某煉化廠延遲焦化裝置中高溫法蘭連接系統(tǒng)長(zhǎng)期處在高溫高壓工況下，因材料發(fā)生蠕變，出現(xiàn)應(yīng)力松弛現(xiàn)象，致使法蘭發(fā)生泄漏失效（如圖1所示）.常用于高溫螺栓法蘭連接系統(tǒng)中的螺栓材料為25Cr2MoVA鋼，15CrMo鋼也以其優(yōu)良的材料性能成為工業(yè)上重要的高溫管道及法蘭材料用鋼，兩者在蠕變載荷下的力學(xué)性能顯得尤為重要.

很多學(xué)者對(duì)15CrMo鋼和25Cr2MoVA的高溫性能進(jìn)行了研究，南京工業(yè)大學(xué)沈軼［1］對(duì)25Cr2MoVA在550℃下的蠕變行為進(jìn)行了部分研究.江國(guó)棟等［2］分析了汽輪機(jī)螺栓材料25Cr2Mo1V在高溫長(zhǎng)時(shí)間工作條件下的脆化機(jī)理.楊瑞成［3］綜合研究了15CrMo鋼的蠕變強(qiáng)度、持久強(qiáng)度及其老化行為.袁超［4］、程宏輝等［5］解釋了15CrMo高溫過(guò)熱器彎管的失效機(jī)制.本文通過(guò)化學(xué)成分分析、高溫拉伸試驗(yàn)、高溫蠕變實(shí)驗(yàn)對(duì)兩種材料的特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，對(duì)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析、擬合及討論，最終給出了材料在500℃條件下的蠕變本構(gòu)方程.兩者的蠕變力學(xué)行為是保證高溫螺栓法蘭連接緊密性和高溫管道連接可靠性的基礎(chǔ)，具有重要的工程價(jià)值.

圖1 高溫管法蘭連接泄漏失效Fig.1 The leakage failure of pipe flange connection

1 實(shí)驗(yàn)條件

1.1 化學(xué)成分分析

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) GB／T3077－1999《合金結(jié)構(gòu)鋼》［6］對(duì)25Cr2MoVA鋼進(jìn)行化學(xué)成分分析.同時(shí)，根據(jù)GB／T9938－2006《石油裂化用無(wú)縫鋼管》［7］對(duì)15CrMo鋼的成分進(jìn)行評(píng)價(jià).表1、表2中，兩材料各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)給出的標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi).兩材料化學(xué)成分分析對(duì)后續(xù)試驗(yàn)結(jié)果的可靠性提供了依據(jù).

表1 25Cr2MoVA鋼的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of 25Cr2MoVA steel %

表2 15CrMo鋼的化學(xué)成分Table 2 Chemical composition of 15CrMo steel %

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)采用長(zhǎng)春機(jī)械科學(xué)研究院有限公司生產(chǎn)的RPL50高溫電子蠕變疲勞試驗(yàn)機(jī)（圖2所示）.該試驗(yàn)機(jī)最大加載能力為50kN，量程為滿量程的1%～100%.在滿量程的1%～100%范圍內(nèi)，測(cè)量誤差為示值的±0.5%.拉桿速度區(qū)間是0.01～50mm／min，拉桿最大行程為180mm.高溫爐溫度范圍是300℃～900℃，其測(cè)量誤差為≤（±2）℃.該試驗(yàn)機(jī)功能完善，不僅具備基本的蠕變、松弛試驗(yàn)功能，還能進(jìn)行拉壓過(guò)零、低周疲勞試驗(yàn)、蠕變疲勞等復(fù)雜的試驗(yàn).

圖2 RPL50高溫電子蠕變疲勞試驗(yàn)機(jī)Fig.2 RPL50type high－temperature creep fatigue testing machine

1.3 試樣制備

根據(jù)國(guó)標(biāo) GB／T2039－2012［8］的規(guī)定和試驗(yàn)機(jī)要求，采用螺紋夾持的圓棒試樣，且標(biāo)距段用金相砂紙沿軸向打磨拋光.試樣尺寸和實(shí)物如圖3所示，試樣標(biāo)距長(zhǎng)度為100mm，直徑為10mm.

圖3 單軸蠕變?cè)嚇邮疽鈭DFig.3 Sketch of the uniaxial creep specimen

2 高溫性能試驗(yàn)

2.1 高溫拉伸試驗(yàn)

利用RPL50高溫電子蠕變疲勞試驗(yàn)機(jī)的持久試驗(yàn)功能對(duì)2種材料進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn).試驗(yàn)時(shí)，預(yù)加載荷0.5kN，試驗(yàn)溫度500℃，保溫時(shí)間30min，溫度波動(dòng)不超過(guò)（±2）℃，采用負(fù)荷斜坡加載控制模式，加載速率12kN／min.由圖4可知25Cr2MoVA鋼在500℃下的屈服應(yīng)力約為310MPa.2種材料拉伸斷裂試樣如圖5所示.由圖6可知15CrMo鋼在500℃下的屈服應(yīng)力約為292MPa.25Cr2MoVA及15CrMo鋼的高溫拉伸試驗(yàn)對(duì)后續(xù)兩種材料的高溫蠕變實(shí)驗(yàn)的預(yù)緊、加載、分析等提供依據(jù).

圖4 500℃時(shí)25Cr2MoVA鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.4 Stress－strain curve of 25Cr2MoVA steel at 500 ℃

圖5 500℃時(shí)15CrMo鋼的拉伸試樣Fig.5 Tension specimen for 15CrMo steel at 500℃

圖6 500℃時(shí)15CrMo鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.6 Stress－strain curve of 15CrMo steel at 500 ℃

2.2 高溫蠕變?cè)囼?yàn)

螺栓材料25Cr2MoVA和法蘭材料15CrMo的高溫蠕變?cè)囼?yàn)可利用RPL50試驗(yàn)機(jī)的蠕變?cè)囼?yàn)功能進(jìn)行測(cè)試.試驗(yàn)時(shí)預(yù)加載荷0.5kN，試驗(yàn)溫度500℃，保溫時(shí)間30min，溫度波動(dòng)不超過(guò)（±2）℃.25Cr2MoVA鋼的試驗(yàn)載荷為300MPa，15CrMo鋼的試驗(yàn)載荷設(shè)定為250MPa.采用負(fù)荷斜坡加載控制模式，加載速率12kN／min.500℃時(shí)25Cr2MoVA鋼在300MPa拉伸載荷下的靜態(tài)蠕變曲線如圖7所示，且蠕變速率隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖8所示.500℃時(shí)15CrMo鋼在250MPa拉伸載荷下的靜態(tài)蠕變曲線如圖9所示，且蠕變速率隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖10所示.

圖7 500℃時(shí)25Cr2MoVA鋼在300MPa拉伸載荷下的靜態(tài)蠕變曲線Fig.7 Static creep curve of 25Cr2MoVA steel corresponding to 300MPa tension load at 500℃

圖8 500℃時(shí)25Cr2MoVA鋼在300MPa拉伸載荷下的靜態(tài)蠕變速率Fig.8 Creep strain rate of 25Cr2MoVA steel corresponding to 300MPa tension load at 500℃

圖9 500℃時(shí)15CrMo鋼在250MPa拉伸載荷下的靜態(tài)蠕變曲線Fig.9 Static creep curve of 25Cr2MoVA steel corresponding to 250MPa tension load at 500℃

圖10 500℃時(shí)15CrMo鋼在300MPa拉伸載荷下的靜態(tài)蠕變速率Fig.10 Creep strain rate of 15CrMo steel corresponding to 250MPa tension load at 500℃

3 數(shù)據(jù)分析及討論

工程中的蠕變是指工作溫度高于構(gòu)件熔點(diǎn)0.4倍時(shí)，金屬在持續(xù)應(yīng)力的作用下（即使小于彈性極限），隨時(shí)間增長(zhǎng)均會(huì)產(chǎn)生緩慢的塑性變形.蠕變分三個(gè)階段：瞬態(tài)階段、穩(wěn)態(tài)階段、加速蠕變階段.本文依據(jù)時(shí)間硬化理論［9］，認(rèn)為蠕變率降低顯示出材料硬化的主要因素是時(shí)間.故研究在溫度一定時(shí)，在特定應(yīng)力條件下，蠕變率與時(shí)間的關(guān)系，后期將研究蠕變率與時(shí)間、應(yīng)力的關(guān)系.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在初始的時(shí)間段內(nèi)，兩種材料試樣均處于瞬態(tài)階段，蠕變應(yīng)變隨時(shí)間延長(zhǎng)迅速增加，而蠕變速率隨時(shí)間延長(zhǎng)而快速減小，直至蠕變速率恒定，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)蠕變階段.此后蠕變應(yīng)變隨時(shí)間延長(zhǎng)而近似線性增長(zhǎng)，而蠕變速率隨時(shí)間基本保持在較小的穩(wěn)定值，直至加速蠕變階段.

3.1 25Cr2MoVA蠕變數(shù)據(jù)分析

500℃時(shí)25Cr2MoVA鋼在300MPa拉伸載荷下的靜態(tài)蠕變曲線如圖11所示.設(shè)備在使用的過(guò)程中主要涉及到瞬態(tài)蠕變、穩(wěn)態(tài)蠕變，不考慮加速蠕變階段的情況.觀察蠕變數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，結(jié)合Akli Nechache［10］對(duì)螺栓法蘭連接中螺栓材料蠕變的研究，可將其蠕變演化方程定義為

其中，A1、A2、A3和n為蠕變材料常數(shù)，可通過(guò)擬合靜態(tài)蠕變曲線獲得，曲線擬合結(jié)果如圖11所示，蠕變參數(shù)如表3所示.

圖11 500℃時(shí)25Cr2MoVA鋼在300MPa拉伸載荷下的蠕變擬合曲線Fig.11 Creep fitting curve of 25Cr2MoVA steel corresponding to 300MPa tension load at 500℃

表3 500℃時(shí)25Cr2MoVA鋼在300MPa拉伸載荷下的蠕變參數(shù)Table 3 Creep parameters of 25Cr2MoVA steel corresponding to 300MPa tension load at 500℃

3.2 15CrMo蠕變數(shù)據(jù)分析

500℃時(shí)15CrMo鋼在250MPa拉伸載荷下的靜態(tài)蠕變曲線如圖12所示.此處只涉及蠕變的第一階段和第二階段，不考慮蠕變第三階段.觀察蠕變數(shù)據(jù)的變化，結(jié)合Akli Nechache［10］對(duì)法蘭材料蠕變的研究，將其蠕變演化方程定義為

其中，B1，B2，B3和m 為蠕變材料常數(shù)，可以通過(guò)擬合靜態(tài)蠕變曲線獲得，曲線擬合結(jié)果如圖12所示，蠕變參數(shù)如表4所示.值得注意的是，方程（2）中前兩項(xiàng)為瞬態(tài)蠕變項(xiàng)，而第三項(xiàng)為穩(wěn)態(tài)蠕變項(xiàng).

圖12 500℃時(shí)15CrMo鋼在250MPa拉伸載荷下的蠕變擬合曲線Fig.12 Creep fitting curve of 15CrMo steel corresponding to 250MPa tension load at 500℃

表4 500℃時(shí)15CrMo鋼在250MPa拉伸載荷下的蠕變參數(shù)Table 4 Creep parameters of 15CrMo steel corresponding to 250MPa tension load at 500℃

4 總結(jié)與展望

通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法對(duì)螺栓法蘭連接系統(tǒng)中常用螺栓材料（25Cr2MoVA）和法蘭材料（15CrMo）進(jìn)行了高溫拉伸試驗(yàn)和高溫蠕變實(shí)驗(yàn)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析兩材料的高溫特性.

a.25Cr2MoVA鋼在500℃下的屈服應(yīng)力約為310MPa；15CrMo鋼在500℃下的屈服應(yīng)力約為292MPa.

b.在500℃高溫300MPa拉伸載荷作用下，對(duì)25Cr2MoVA鋼高溫蠕變實(shí)驗(yàn)獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合推算得到其蠕變率表達(dá)式為

c.500℃高溫及250MPa拉伸載荷共同作用下，對(duì)15CrMo鋼高溫蠕變實(shí)驗(yàn)獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合推算得到其蠕變率表達(dá)式為

對(duì)兩種材料擬合的蠕變演化方程進(jìn)行驗(yàn)證，25Cr2MoVA鋼的線性回歸值與實(shí)驗(yàn)值平均相對(duì)誤差為2.01%，15CrMo鋼的線性回歸值與實(shí)驗(yàn)值平均相對(duì)誤差為1.35%，證明了兩材料高溫高壓條件下蠕變應(yīng)變、時(shí)間二者變化規(guī)律的數(shù)學(xué)模型的可靠性，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值.

d.依據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)分析、擬合，研究對(duì)象作為優(yōu)質(zhì)的螺栓和法蘭材料依然存在較大的蠕變損傷，這不利于法蘭連接系統(tǒng)的緊密性.后期將通過(guò)添加碟形彈簧等元件來(lái)改善法蘭連接的軸向韌性，克服蠕變松弛，并給出具體泄露控制方法.

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