服役后20號(hào)鋼在低溫下的力學(xué)性能研究

王　磊

( 北京市西城區(qū)特種設(shè)備檢測(cè)所，北京 100055 )

服役后20號(hào)鋼在低溫下的力學(xué)性能研究

王磊

( 北京市西城區(qū)特種設(shè)備檢測(cè)所，北京 100055 )

[摘要]分析了20號(hào)無(wú)縫鋼管的室溫和低溫力學(xué)性能，結(jié)合顯微組織觀察、晶粒度統(tǒng)計(jì)和斷口分析，發(fā)現(xiàn)低溫低應(yīng)力工況下服役后20號(hào)無(wú)縫鋼管的力學(xué)性能完全符合冷庫(kù)用液氨管道的使用要求。

[關(guān)鍵詞]服役后；20號(hào)無(wú)縫鋼管；低溫；力學(xué)性能；研究

引言

隨著食品冷凍業(yè)的迅速發(fā)展，我國(guó)冷庫(kù)的數(shù)量和容量迅速增加，而且許多舊冷庫(kù)還位于人員密集地區(qū)，普遍存在安全隱患，運(yùn)行事故頻頻發(fā)生，不僅造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，更會(huì)危害公共安全，因此，必須開(kāi)展冷庫(kù)設(shè)備的安全性能的研究。

我國(guó)壓力管道設(shè)計(jì)中常用的標(biāo)準(zhǔn)：GB50316《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]、GB/T20801-2006《壓力管道規(guī)范工業(yè)管道》[2]、GB50072-2010《冷庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于采用20號(hào)無(wú)縫鋼管為材料的壓力管道使用溫度下限都不一樣。以設(shè)計(jì)溫度為-28℃的管道為例，采用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不同會(huì)導(dǎo)致管道選用的材料也不一致。我國(guó)壓力管道管理的時(shí)間比較短，目前我國(guó)冷庫(kù)所使用的壓力管道大多是由20號(hào)無(wú)縫鋼管焊接而成，且使用多超過(guò)十年。鑒于20號(hào)無(wú)縫鋼管在冷庫(kù)業(yè)的普遍使用和一旦泄漏其危害之大，我們有必要對(duì)服役后的20號(hào)無(wú)縫鋼管的低溫力學(xué)性能進(jìn)行研究。

1試驗(yàn)材料的選擇

試驗(yàn)材料為4根具有一定服役時(shí)間的管道和1根未服役的管道，服役后的管道材料是冷庫(kù)拆除時(shí)截取，管道尺寸及工作條件如表1所示。

表1試驗(yàn)鋼管樣品概況

編號(hào)標(biāo)準(zhǔn)外徑D(mm)×壁厚b(mm)實(shí)測(cè)外徑D(mm)×壁厚b(mm)壓力狀態(tài)/工作壓力(MPa)介質(zhì)狀態(tài)使用溫度(℃)使用年份176×4.576×4.405高壓/1.2氣態(tài)120~1302000-2010238×338×3低壓/0.1液態(tài)-252000-2010376×476×4.130低壓/0.25氣態(tài)-151996-20064219×6220×5.631高壓/1.2氣態(tài)—1978-2008589×5————

表2試驗(yàn)鋼管的化學(xué)成分

管號(hào)C(%)Si(%)Mn(%)P(%)S(%)標(biāo)準(zhǔn)值0.17~0.230.17~0.370.35~0.65≤0.035≤0.03510.20.260.480.0160.0220.180.240.440.0120.02130.20.180.40.0210.006740.130.140.430.0220.021

2試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

2.1　20號(hào)無(wú)縫鋼管的化學(xué)成分

由于已服役的1～4號(hào)管道使用時(shí)間長(zhǎng)，資料無(wú)從考究，所以對(duì)其進(jìn)行化學(xué)分析，確定鋼管材質(zhì)。

從表2的檢測(cè)結(jié)果可以看出，1#、2#和3#已服役氨制冷壓力管道的化學(xué)成分均符合國(guó)家規(guī)定的20號(hào)鋼的化學(xué)成分；而4#管道的碳、硅含量較低，磷、硫含量則較高；3#管道的硫含量最低。

2.2　20號(hào)無(wú)縫鋼管的室溫力學(xué)性能

從表3管道室溫力學(xué)性能可以看出，1#、2#和4#管道的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度雖然符合要求，但結(jié)果比其它管道明顯偏低，同時(shí)斷后伸長(zhǎng)率也相對(duì)偏高。3#管道強(qiáng)度最高，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)上限，5#次之。

將試樣磨制拋光后在ZeissEVO18掃描電鏡下觀察夾雜物，夾雜物觀察完畢后用4%的硝酸酒精浸蝕試樣表面，進(jìn)行顯微組織觀察和晶粒度的評(píng)定，結(jié)果如下：

從圖1可以看出，各管道顯微組織均由灰黑色的鐵素體和灰白色的片狀珠光體組成。其中，4#管道的多邊形鐵素體明顯增多，珠光體則相對(duì)較少，這也是其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度偏低的原因，故相反斷后伸長(zhǎng)率結(jié)果偏高。結(jié)合化學(xué)分析結(jié)果，認(rèn)為這是由于4#管道含碳量最低，導(dǎo)致由奧氏體冷卻至室溫時(shí)，生成了更多的先共析鐵素體，這樣的顯微組織特點(diǎn)使4#管道的塑性和韌性較其余各管道更高。

從表4可以看出，各管道晶粒都比較細(xì)小，晶粒度級(jí)別數(shù)均在10級(jí)以上，且差別不大。5#管道比3#具有較細(xì)的晶粒度，但其強(qiáng)度卻比3#小近30MPa，這是因?yàn)?#管道珠光體有沿軋向分布的特點(diǎn)，導(dǎo)致3#管道沿軋向強(qiáng)度最大。

另外，取樣方式不同，拉伸試驗(yàn)結(jié)果也有所不同?？梢园l(fā)現(xiàn)，橫向拉伸試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度明顯大于縱向試樣。

產(chǎn)生這種差異的原因可以歸結(jié)為金屬材料的包辛格效應(yīng)和形變硬化。無(wú)縫鋼管在生產(chǎn)的過(guò)程中管體內(nèi)外層均受壓，產(chǎn)生少量塑性變形。橫向試樣在試樣制備時(shí)取的是半圓管，冷壓平時(shí)呈反拱形放置于工作臺(tái)上，這樣在冷壓平的過(guò)程中管體外層受壓，內(nèi)層受拉，即產(chǎn)生同向塑性變形，材料屈服強(qiáng)度增大，發(fā)生了包辛格效應(yīng)。另外，在冷壓平的過(guò)程中，由于位錯(cuò)的滑移，金屬會(huì)發(fā)生形變硬化，也使得強(qiáng)度有所增加。

表3試驗(yàn)鋼管的室溫力學(xué)性能

管號(hào)抗拉強(qiáng)度Rm(MPa)屈服強(qiáng)度ReL(MPa)規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度Rp0.2(MPa)斷后伸長(zhǎng)率A(%)沖擊實(shí)驗(yàn)V型沖擊功KV2(J)標(biāo)準(zhǔn)值410~530≥24520—1縱:45631928.5橫:48733328.519.32縱:45531223.5橫:————3縱:54037326.8橫:55038023.217.34縱:———橫:45936626.824.55縱:50735323.8橫:50935328.319.5

注：“縱”表示縱向試樣；“橫”表示橫向試樣。

圖1　管道組織形貌

表4晶粒度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

管號(hào)晶粒度(級(jí))平均截距(μm)1#10.667.9542#10.229.2383#10.378.7854#10.937.2295#10.667.936

2.3　20號(hào)無(wú)縫鋼管的低溫力學(xué)性能

表5是試驗(yàn)鋼管的低溫力學(xué)性能，由于沒(méi)有相關(guān)規(guī)定，我們將其與室溫力學(xué)性能相比較。對(duì)比表3和表5可以發(fā)現(xiàn)，低溫下試驗(yàn)鋼管的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均比室溫下有所提高，而斷后伸長(zhǎng)率和沖擊韌性則有所降低。

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因可能是：隨著溫度的降低，柯氏氣團(tuán)對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用有所增強(qiáng)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，變形抗力增大。另外，20號(hào)鋼的室溫組織為鐵素體和珠光體，隨著溫度的降低，鐵素體對(duì)碳的溶解度不斷沿鐵-碳相圖中PQ的延長(zhǎng)線向下，向著碳含量減少的方向發(fā)展，于是，會(huì)有少量碳化物析出，也會(huì)使得材料低溫下強(qiáng)度有所提高。

表5試驗(yàn)鋼管的低溫(-30℃)力學(xué)性能

管號(hào)抗拉強(qiáng)度Rm(MPa)屈服強(qiáng)度ReL(MPa)規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度Rp0.2(MPa)斷后伸長(zhǎng)率A(%)沖擊實(shí)驗(yàn)V型沖擊功KV2(J)1#縱:560403—26.018.32#縱:472—38315.7—3#縱:591429—25.511.85#縱:542—383—15.0

圖2　低溫(-30℃)斷口典型形貌

2.4　低溫拉伸斷口微觀掃描分析

對(duì)低溫拉伸后的斷口進(jìn)行掃描電鏡分析，拉伸斷口典型形貌如圖2所示，掃描電鏡觀察倍數(shù)為500和1000倍，拍攝部位為拉伸斷口中心附近。

可以發(fā)現(xiàn)，斷口上存在大量的韌窩，有些大韌窩之間布滿小韌窩，部分韌窩底部有空洞或夾雜，韌窩之間有明顯的撕裂棱。等軸韌窩和拋物線形韌窩交替出現(xiàn)，韌窩的大小也相差很懸殊，這表明試樣局部的應(yīng)力狀態(tài)相當(dāng)復(fù)雜。當(dāng)材料受拉應(yīng)力時(shí)，因夾雜物或第二相粒子與基體的彈塑性不同，在它們的界面處會(huì)形成顯微空洞，隨著應(yīng)變的增加，微空洞不斷增大，相互吞并，直到材料發(fā)生縮頸和斷裂。

2.5　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

(1)隨著溫度的降低，20號(hào)無(wú)縫鋼管的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度增大，斷后伸長(zhǎng)率和沖擊韌性降低，這是由低溫下材料中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，變形抗力增大和少量碳化物的析出所造成的。

(2)20號(hào)無(wú)縫鋼管低溫下拉伸斷口有大量韌窩和少量撕裂棱存在，其斷裂方式為韌性斷裂。

3結(jié)論

由于各管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)之間對(duì)于材料選用、無(wú)損探傷比例、壓力試驗(yàn)、氣密試驗(yàn)、泄漏性試驗(yàn)等方面的要求并不完全統(tǒng)一，在設(shè)計(jì)時(shí)候采用不同的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)后期的安裝監(jiān)檢和定期檢驗(yàn)會(huì)造成很大的影響。因此統(tǒng)一、明確相關(guān)法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)對(duì)氨制冷壓力管道的安全監(jiān)管起到促進(jìn)作用。鑒于此原因，國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢疫總局(以下簡(jiǎn)稱：質(zhì)檢總局)下發(fā)了“質(zhì)檢特函[2013]61號(hào)質(zhì)檢總局特種設(shè)備局關(guān)于氨制冷裝置特種設(shè)備專項(xiàng)治理工作的指導(dǎo)意見(jiàn)”[4](以下簡(jiǎn)稱：61號(hào)文)。在“61號(hào)文”中明確指出：涉氨壓力管道的設(shè)計(jì)文件內(nèi)容應(yīng)符合《壓力管道安全監(jiān)察規(guī)程——工業(yè)管道》[5](TSG D0001-2009)的規(guī)定。壓力管道的設(shè)計(jì)應(yīng)按《冷庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50072-2010)執(zhí)行。

在幾個(gè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中《工業(yè)管道規(guī)范工業(yè)管道》GB/T20801-2006是《壓力管道安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程-工業(yè)管道篇》配套標(biāo)準(zhǔn)，因此該標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)條款必須嚴(yán)格執(zhí)行。《工業(yè)管道規(guī)范工業(yè)管道 第二部分：材料》GB/T20801.2-2006中規(guī)定在低溫低應(yīng)力工況下，20號(hào)無(wú)縫鋼管可以使用到-101℃。

關(guān)于低溫低應(yīng)力的問(wèn)題，按照GB50316對(duì)低溫低應(yīng)力定義：環(huán)向應(yīng)力其數(shù)值小于材料的屈服點(diǎn)的1/6，且不大于50MPa。而按GB/T20801-2006對(duì)低溫低應(yīng)力工況的定義中：管道由壓力、重量及位移產(chǎn)生的軸向(拉)應(yīng)力總和不大于10%材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最小抗拉強(qiáng)度(計(jì)算位移應(yīng)力時(shí)，不計(jì)入應(yīng)力增大系數(shù))的要求來(lái)說(shuō)，這個(gè)規(guī)定比上個(gè)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格了一些。不是所有液氨管道都能滿足該要求[6][7]。在試驗(yàn)中，試驗(yàn)鋼管軸向應(yīng)力總和計(jì)算中如果以六米以上跨距進(jìn)行鋼管軸向應(yīng)力計(jì)算，20號(hào)管就不處于低溫低應(yīng)力工況了。管道低溫低應(yīng)力工況取決于管道壁厚、支吊架的型式和位置、補(bǔ)償裝置的設(shè)置，我們可以通過(guò)增加管道壁厚、減小管道跨距、增加補(bǔ)償裝置來(lái)使管道處于低溫低應(yīng)力工況。因此管道是否處于低溫低應(yīng)力工況，設(shè)計(jì)單位應(yīng)給出相應(yīng)的計(jì)算書(shū)。

通過(guò)以上分析，我們得出結(jié)論：低溫低應(yīng)力工況下，20號(hào)無(wú)縫鋼管的低溫力學(xué)性能符合相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，完全可以作為液氨輸送管道使用。

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After Service of 20steel Under Low Temperature Mechanical Properties Research

WANG Lei

(Xicheng Special Equipment Inspection and Testing Institute,Beijing 100055,China)

Abstract：the author analyzes the 20th at room temperature and low temperature mechanical properties of seamless steel pipe,combined with the microstructure observation,grain size statistics and fracture analysis,found 20 after he served under the working condition of low temperature and low stress,the mechanical properties of seamless steel tube completely conform to the requirements of the cold storage with the use of liquid ammonia pipeline.

Key words:Serving；20 seamless steel tube；Low temperature；Mechanical properties；Research

[中圖分類號(hào)]O369[文獻(xiàn)標(biāo)示碼]B

doi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.01.012

文章編號(hào)：ISSN1005-9180(2015)01-055-06

作者簡(jiǎn)介：王磊(1981-)，男，工程師，主要從事承壓類特種設(shè)備檢測(cè)和研究。Email：kidr@sina.com

收稿日期：2014-10-29

資助項(xiàng)目：國(guó)家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃項(xiàng)目(2009QK037)