鍋爐壓力容器鋼板韌脆在溫度變化中的轉(zhuǎn)變

崔菁

摘 要：在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，鍋爐與壓力容器的材料往往以鋼板為材料，鋼板的韌性會(huì)隨著溫度的變化而變化，溫度下降，韌性也降低，當(dāng)達(dá)到臨界值后，鋼板會(huì)發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，導(dǎo)致產(chǎn)品性能不佳的現(xiàn)象，鍋爐壓力容器就會(huì)達(dá)不到技術(shù)要求，為了科學(xué)判斷鍋爐壓力容器鋼板韌脆隨著溫度變化而發(fā)生的轉(zhuǎn)變，本文通過系列溫度沖擊試驗(yàn)，對(duì)鋼板韌脆變化進(jìn)行了測定，希望能夠?qū)ο嚓P(guān)工作人員有所啟發(fā)。

關(guān)鍵詞：壓力容器；沖擊試驗(yàn)；鋼板韌脆；溫度變化

中圖分類號(hào)：TG142 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

鍋爐壓力容器對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)具有重要意義，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，壓力容器通過鐵素體鋼在既定的溫度范圍內(nèi)的韌脆轉(zhuǎn)變而形成，但是，其中的安全隱患也始終難以消除，對(duì)于結(jié)構(gòu)完整性的維系也造成了阻礙。在既定的溫度區(qū)間內(nèi)，材料的韌脆轉(zhuǎn)變與之息息相關(guān)，但是有表現(xiàn)出明顯的分散性，需要對(duì)其表述和數(shù)值進(jìn)行嚴(yán)格確定，保證數(shù)據(jù)資料的真實(shí)性。但是，對(duì)于鋼板韌脆變化的評(píng)價(jià)和預(yù)測，一直是工程界和學(xué)術(shù)界的難題，需要通過不斷努力，攻克難題。攀登工程研究的新高峰。

一、鍋爐與鋼制壓力容器概述

在鋼制的壓力容器中，其主要的受壓元件包括殼體、封頭大口徑接管等部分，這個(gè)元件的材料多為鋼板，由鋼板加工而成，對(duì)鋼板的技術(shù)要求依照國家鋼制壓力容器的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行加工制作。而GB150是其中的一種，其設(shè)計(jì)以壓力容器延性斷裂為基礎(chǔ)，所以，必須要杜絕一切脆性斷裂。但是，眾所周知，壓力容器由于加工材料的限制，中低碳鋼、合金鋼等韌性材料經(jīng)過冶煉、軋制和制造之后，微孔洞和微裂紋必然存在，從而形成微觀缺陷的基礎(chǔ)，微觀缺陷受到外力荷載作用，會(huì)不斷發(fā)展，形成宏觀裂紋，如果得不到及時(shí)處理，將直接導(dǎo)致壓力容器的損壞。溫度在這個(gè)過程中發(fā)揮著重要作用，在低溫條件下，壓力容器如果發(fā)生脆性斷裂，也就表明了壓力容器的工作溫度在材料脆性轉(zhuǎn)變溫度之下。

在鍋爐與壓力容器中，常溫條件下，鋼板的沖擊韌性很好，但是，一旦溫度低于某一臨界值，其沖擊韌性就會(huì)驟然下降，斷口也不再呈現(xiàn)出纖維狀，而是變?yōu)榻Y(jié)晶狀，斷裂也由微孔聚集變成了穿晶解理型。隨著溫度的變化，材料的屈服強(qiáng)度也不斷變化，溫度降低，屈服強(qiáng)度升高，斷裂強(qiáng)度卻不會(huì)發(fā)生明顯變化，從而使材料脆化。

研究表明，材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度不是一成不變的，而是隨著外界條件的變化而發(fā)生變化。脆性轉(zhuǎn)變溫度會(huì)受到鋼板厚度的影響，厚度越大，脆性轉(zhuǎn)變溫度就會(huì)上升。在GB150標(biāo)準(zhǔn)中，壓力容器的工作環(huán)境溫度介于-20℃～0℃的范圍內(nèi)，是不符合低溫壓力容器的標(biāo)準(zhǔn)的，沒有必要在制作過程中針對(duì)性地采用低溫用鋼。如果鋼板厚度超過某個(gè)特殊的溫度值，其脆性轉(zhuǎn)變溫度就會(huì)上升，為產(chǎn)品的安全運(yùn)行埋下了安全隱患。

二、試驗(yàn)過程

1 材料與試樣

本次試驗(yàn)采用的主要材料為DIWA353 型號(hào)的鋼板，厚度為100mm，鋼板的化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1和表2，其中，變軸直徑用d表示，試樣的厚度用a表示。

表1 DIWA353鋼板的化學(xué)成分（%）

成分 百分比 成分 百分比

C 0.149 Al 0.041

Si 0.382 Mo 0.367

Mn 1.47 Cu 0.035

P 0.012 Nb 0.011

S 0.0004 Ni 0.619

Cr 0.355 V 0.001

表2 DIWA353鋼板的力學(xué)性能

試驗(yàn) 指標(biāo) 結(jié)果

拉力

試驗(yàn) 屈服強(qiáng)度

（MPa） 501

抗拉強(qiáng)度

（MPa） 658

延伸率（%） 26.6

彎曲

試驗(yàn) 彎曲角度

（180°） d=3a合格

沖擊試驗(yàn)（試驗(yàn)溫度0℃） 沖擊功（J） 試樣1，199

試樣2，190

試樣3，151

350℃高溫

拉伸試驗(yàn) 屈服強(qiáng)度

（MPa） 436

抗拉強(qiáng)度

（MPa） 614

在試驗(yàn)過程中，在鋼板厚度的1/4處取樣，然后將樣品加工成為10mm× 10mm×55mm的V型缺口標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣，確保試樣的形狀和尺寸公差均能夠滿足沖擊試驗(yàn)要求。在試驗(yàn)中，試驗(yàn)的完成，主要依靠JB30B擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)及機(jī)。

2 試驗(yàn)方法

關(guān)于韌脆轉(zhuǎn)變溫度的界定，主要是指不同溫度沖擊試驗(yàn)下，沖擊吸收功急劇變化或斷口韌性極劇轉(zhuǎn)變的溫度區(qū)域。為此，在工程實(shí)踐中，韌脆轉(zhuǎn)變溫度的測定，主要依靠標(biāo)準(zhǔn)夏比V型缺口沖擊試樣來實(shí)現(xiàn)。在不同的溫度條件下，沖擊試驗(yàn)才能獲得更加準(zhǔn)確的結(jié)果，并建立坐標(biāo)系，以試驗(yàn)溫度為x軸坐標(biāo)，以沖擊吸收功和脆性斷面率為y坐標(biāo)，從而得到吸收功-溫度曲線，脆性斷面率-溫度曲線，并通過曲線變化，得到鋼板的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，沖擊吸收功-溫度曲線上下平臺(tái)區(qū)間50%對(duì)應(yīng)的溫度，和脆性斷面率-溫度曲線中脆性斷面率50%對(duì)應(yīng)的溫度即韌脆轉(zhuǎn)變溫度。脆性斷面率通過游標(biāo)卡尺進(jìn)行測量，獲得。

為了保證吸收功-溫度曲線，脆性斷面率-溫度曲線的繪制效果，保證曲線的完整性和明確性，試驗(yàn)過程中，需要在每個(gè)溫度范圍內(nèi)選取不同的3個(gè)試樣，分別進(jìn)行相同的試驗(yàn)，從而有效控制沖擊試驗(yàn)隨機(jī)因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，集中試驗(yàn)數(shù)據(jù)。為了有效保證試驗(yàn)中的沖擊功值和該溫度范圍內(nèi)的韌性具有一致性，應(yīng)該合理選擇試驗(yàn)次數(shù)，獲得多次數(shù)據(jù)。此外，為了保證試驗(yàn)的可靠性，試驗(yàn)中應(yīng)該合理選擇溫度間隔，充分遵照材料的低溫特性，溫度間隔確定為20℃為宜。

三、試驗(yàn)結(jié)果分析

在不同的試驗(yàn)溫度下，V型缺口試樣的沖擊吸收功和脆性斷面率也不斷發(fā)生變化，具體試驗(yàn)結(jié)果詳見表3，通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，可以得出：隨著試驗(yàn)溫度的降低，DIWA353鋼板存在明顯的韌脆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，具體的變化詳如圖1所示。

從圖1可以看出，鋼板的沖擊吸收功Akv會(huì)隨著試驗(yàn)溫度的下降而減少。但是對(duì)于鋼板而言，通過溫度的測定，能夠有效表塑性破壞與脆性破壞之間不是互通的，充分考慮到鋼板的材料因素，在試樣加工過程中，試驗(yàn)加工過程以及試驗(yàn)操作過程都是影響韌脆轉(zhuǎn)變的重要因素。通過試驗(yàn)，韌脆轉(zhuǎn)變發(fā)生的溫度是具有固定區(qū)間的。

通過上述試驗(yàn)，在鍋爐壓力容器中，DIWA353鋼板具有低溫韌脆轉(zhuǎn)變的特性，其轉(zhuǎn)變溫度需要通過一系列的溫度夏比缺口沖擊試驗(yàn)來獲得。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，韌脆轉(zhuǎn)變溫度充分反映了金屬材料韌脆特性受到溫度的影響程度，為此，壓力容器要想安全運(yùn)行，維持低溫環(huán)境至關(guān)重要。為此，在金屬材料的選擇過程中，將韌脆轉(zhuǎn)變溫度確定為一個(gè)重要的選擇參數(shù)，具有其明確的科學(xué)依據(jù)，是判斷材料韌性的重要依據(jù)。本次試驗(yàn)中，鋼板的沖擊吸收功測定過程中，其韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-26℃，通過斷口脆性斷面率而得到的韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-28℃，均位于鋼板的工作溫度之下，用于壓力容器，能夠保證安全性。

結(jié)語

在工業(yè)工程領(lǐng)域，鍋爐壓力容器有著廣泛的應(yīng)用，加強(qiáng)對(duì)鍋爐壓力容器的深入研究具有重要的實(shí)踐意義。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，壓力容器通過鐵素體鋼在既定的溫度范圍內(nèi)的韌脆轉(zhuǎn)變而形成，但是，其中的安全隱患也始終難以消除，對(duì)于結(jié)構(gòu)完整性的維系也造成了阻礙。通過本文的研究，保證鋼板韌脆轉(zhuǎn)變溫度不高于工作溫度，就可以大大提高鍋爐壓力容器的安全性能。

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