S30409鋼制封頭組織和性能

王志剛， 琚丹丹， 忽俊成， 鄭維信， 王岑

(1.甘肅省壓力容器特種材料焊接重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730314；2.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730314；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 前言

承壓設(shè)備的封頭大部分都是通過旋壓或沖壓的工藝方式制作而成[1-3]。由于奧氏體不銹鋼的韌性較強(qiáng)，所以在旋壓或沖壓時(shí)，不需要提前對(duì)鋼板進(jìn)行加熱處理，這樣的加工方式稱為冷沖壓和冷旋壓。若采用在塑性變形之前對(duì)鋼板材料進(jìn)行加熱處理，這樣的加工方式為熱沖壓和熱旋壓[4-8]。謝曉芳等人[1]的研究認(rèn)為冷旋壓過程中，力的反復(fù)作用使其發(fā)生冷作硬化，提出變形應(yīng)控制在15%以內(nèi)，甚至更??；瞿金輝等人[2]的研究發(fā)現(xiàn)，304封頭直邊段裂紋主要是形變誘導(dǎo)馬氏體相使得該部位應(yīng)力極具升高，直至裂紋形成和擴(kuò)展；張雪濤等人[4]對(duì)北海封頭生產(chǎn)發(fā)生開裂失效的奧氏體不銹鋼封頭各部位進(jìn)行了鐵素體測(cè)定，發(fā)現(xiàn)變形率較低區(qū)域封頭底部、變形率5%的區(qū)域有少量相變馬氏體，而直邊段已有大量相變馬氏體。吉章紅等人[3]的研究發(fā)現(xiàn)奧氏體不銹鋼在高溫環(huán)境中，鐵素體是有害相[9-11]。

1 問題現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)某制造廠承制的苯乙烯項(xiàng)目反應(yīng)器，設(shè)備簡(jiǎn)圖如圖1所示。其材質(zhì)為S30409, 規(guī)格為φ2 800 mm×14 mm×14 455 mm，凈質(zhì)量33 900 kg，設(shè)計(jì)溫度649 ℃，設(shè)計(jì)壓力0.17 MPa，介質(zhì)為氫氣、苯乙烯、乙苯、水蒸氣等。該反應(yīng)器下封頭尺寸為EHA 2 800 mm×23 mm，封頭制造過程為，在固溶溫度(1 050±20)℃×35 min下，整體熱沖壓成形，整個(gè)壓制過程中嚴(yán)格控制終壓溫度不低于850 ℃，并隨爐帶封頭拼縫試板。封頭熱壓成形后，在檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)封頭端口尺寸較圖紙尺寸要求偏大，隨后對(duì)端口進(jìn)行了冷旋壓修校處理，制造完畢后，在制造現(xiàn)場(chǎng)對(duì)封頭進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，封頭直邊部位、R部位及其底部取3組共9點(diǎn)測(cè)量硬度值，其中6點(diǎn)大于200 HB，2點(diǎn)在300 HB左右，直邊段及拼接焊縫的鐵素?cái)?shù)測(cè)量為5～8 FN。該封頭是此類反應(yīng)器的關(guān)鍵部件，承載著反應(yīng)器本身與催化劑共約80 t的質(zhì)量，并且接觸的介質(zhì)為苯乙烯、氫氣、乙苯、水蒸氣等易爆物質(zhì)，并且長(zhǎng)期在649 ℃的高溫下服役，按照ASME II卷D篇附錄A中警告指南要求該類不銹鋼的鐵素體數(shù)應(yīng)控制在5 FN以下，實(shí)際檢驗(yàn)的硬度和鐵素體均偏高，易在服役過程中出現(xiàn)開裂，耐腐蝕性降低等問題，因此封頭的質(zhì)量決定了設(shè)備的服役狀態(tài)。

針對(duì)上述問題，該文對(duì)封頭的直邊段進(jìn)行取樣分析，分別對(duì)該區(qū)域的顯微組織、硬度及鐵素體數(shù)(FN)等進(jìn)行試驗(yàn)，并采用Simufact建立封頭模型，對(duì)封頭的成形過程進(jìn)行模擬仿真和研究分析，結(jié)合分析結(jié)果制定了相應(yīng)的解決措施，提出了類似問題的解決辦法和建議。

圖1 設(shè)備簡(jiǎn)圖

2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及分析

2.1 化學(xué)成分分析

在封頭直邊段用德國(guó)AWS光譜分析儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)要求見表1。由數(shù)據(jù)可知，封頭母材的化學(xué)成分符合ASTM A240-2004標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 硬度檢測(cè)

對(duì)封頭直邊部位、底部R部位及其底部位置進(jìn)行了布氏硬度檢測(cè)，使用型號(hào)JC05-TH500洛氏硬度檢測(cè)儀，檢測(cè)結(jié)果見表2。檢測(cè)結(jié)果表明，封頭底部硬度符合要求，但直邊段的布氏硬度均超過合格指標(biāo)。

表1 封頭S30409化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 封頭硬度 HBW

2.3 拼縫試板檢驗(yàn)

對(duì)封頭熱壓同爐的拼縫試板進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和晶間腐蝕試驗(yàn)檢測(cè)，其中拉伸試驗(yàn)按照GB/T 228—2010《金屬拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行，試樣在CST4605拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，結(jié)果見表3，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。晶間腐蝕試驗(yàn)按照GB/T 4334—2008中E法進(jìn)行，采硫酸-硫酸銅溶液在微沸狀態(tài)下腐蝕16 h，未發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕傾向，試驗(yàn)結(jié)果見表3，滿足使用條件。

表3 封頭拼縫試板及焊縫腐蝕檢測(cè)

2.4 現(xiàn)場(chǎng)金相組織試驗(yàn)

在封頭直邊段分別選取硬度數(shù)值較高部位和硬度較低部位各3處，做現(xiàn)場(chǎng)金相顯微組織分析。對(duì)封頭表面選用顆粒細(xì)的砂輪片磨制，將工件表面磨下約1 mm左右。磨面尺寸約為：長(zhǎng)100～150 mm，寬10～20 mm。再用120號(hào)砂布、280號(hào)、320號(hào)、500號(hào)、800號(hào)金相砂紙依次打磨，最后達(dá)到鏡面的水平。然后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的條件采用機(jī)械拋光。拋光前用酒精清洗一下打磨后的磨面，然后用鑷子夾住蘸有拋光液的脫脂棉球在磨面上輕擦，同時(shí)仔細(xì)觀察磨面，待磨痕消失后，用水沖洗干凈。腐蝕時(shí)用鑷子夾住蘸有腐蝕劑的脫脂棉球在表面輕輕拍打使硝酸4%充分侵蝕到拋光面上，腐蝕25 ～30 s，用酒精沖洗，并用酒精棉輕輕擦洗干凈，吹干。使用支架固定現(xiàn)場(chǎng)便攜式顯微鏡調(diào)整聚焦合適后，安裝數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)金相圖片采集，如圖2所示，其中圖2a為硬度超標(biāo)的直邊段金相組織為奧氏體+形變馬氏體，晶粒度為5.5級(jí)，可以看出該區(qū)域的已存在一定量形變誘導(dǎo)馬氏體相。圖2b為硬度較低區(qū)域的金相圖，其組織為奧氏體+少量鐵素體組織，該區(qū)域金相顯微組織沒有發(fā)現(xiàn)形變馬氏體相，晶粒度為6級(jí)。

圖2 封頭現(xiàn)場(chǎng)金相顯微組織

2.5 Simufact模擬分析

針對(duì)上述問題，采用Simufact軟件對(duì)封頭的熱壓成形(固溶溫度下熱沖壓)、封頭冷壓成形(常溫沖壓)、封頭冷旋壓成形和封頭冷旋壓成形+固溶處理等過程進(jìn)行仿真模擬，分析封頭在各個(gè)成形過程中的應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)、溫度場(chǎng)變化。按照封頭實(shí)際尺寸通過簡(jiǎn)化建立封頭成形過程數(shù)學(xué)模型及三維幾何模型，并將模型結(jié)構(gòu)導(dǎo)入軟件，添加模具及工件各項(xiàng)性能數(shù)據(jù)，包括摩擦系數(shù)、模擬溫度、運(yùn)動(dòng)軌跡、工件材料、網(wǎng)格劃分等。文中所涉及的封頭成形過程屬于鈑金成形，因此，采用軟件自帶網(wǎng)格劃分工具Sheetmesh網(wǎng)格類型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模具材料為軟件默認(rèn)模具材料，工件材料通過調(diào)用軟件材料庫(kù)S30409性能數(shù)據(jù)進(jìn)行屬性設(shè)置；其他各項(xiàng)數(shù)據(jù)完全按照實(shí)際工況所涉及的情況進(jìn)行設(shè)置。模擬結(jié)果如圖3～圖6所示。

設(shè)備原技術(shù)條件中，要求“封頭宜成形后晶粒度為4～7級(jí)，硬度不大于200 HB”。熱成形主要關(guān)注加熱過程對(duì)不銹鋼封頭材料性能和狀態(tài)的影響。由于熱沖壓是近似的固溶處理(當(dāng)沖壓溫度在950～ 1 100 ℃時(shí))，在終壓及脫模(一般規(guī)定不低于850 ℃)后直接水冷的工藝要求很難完全滿足。相關(guān)報(bào)道的案例發(fā)現(xiàn)，對(duì)于冷熱成形后的封頭若再次進(jìn)行擴(kuò)口和縮口等工藝，在后期運(yùn)行中易出現(xiàn)開裂失效[2,5,7]。

圖3 固溶溫度下沖壓等效應(yīng)力云圖

圖4 固溶溫度下沖壓溫度云圖

圖5 熱壓+直邊冷旋壓等效應(yīng)力云圖

圖6 熱壓+冷旋壓+固溶處理等效應(yīng)力云圖

圖3、圖5及圖6的云圖分析結(jié)果可以看出封頭直邊段的應(yīng)力非常高，這與2.2和2.4部分的試驗(yàn)結(jié)果是相吻合的，這是由于冷旋壓修校時(shí)內(nèi)外旋壓輥的強(qiáng)行擠壓以及多次重復(fù)擠壓產(chǎn)生了局部產(chǎn)生大量的的塑性變形，而金屬內(nèi)部在塑性變形過程中晶粒間產(chǎn)生滑移，在滑移面上的晶格極易發(fā)生扭曲和畸變，使晶粒被拉長(zhǎng)，甚至破碎及纖維化，導(dǎo)致母材中有形變誘導(dǎo)馬氏體產(chǎn)生，引起該部位的局部硬度值嚴(yán)重超標(biāo)以及鐵素體數(shù)FN升高，加工硬化效果顯著。從圖3、圖5及圖6的云圖分析結(jié)果，還可看出橢圓封頭在固溶溫度下成形，直邊的等效應(yīng)力最大為318 MPa，熱壓+冷旋壓后，等效應(yīng)力為464 MPa，熱壓+旋壓+固溶處理后，直邊段等效應(yīng)力最大為273 MPa。分析發(fā)現(xiàn)：封頭熱壓成形后對(duì)直邊段的冷旋壓修校，局部應(yīng)力增大了45.9%，而后續(xù)的固溶熱處理后比熱壓后降低了14%[12-16]。

綜上分析，該封頭直邊段硬度超標(biāo)與成形的加工硬化有直接關(guān)系，故推薦隨后進(jìn)行熱處理以恢復(fù)材料性能，對(duì)該封頭進(jìn)行固溶處理。要求封頭浸水后，盡可能使用天車行車使得封頭部件上下移動(dòng)，要封頭表面的稅快速流動(dòng)，以防止在封頭表面形成水膜，影響封頭的冷卻速率[17-18]。應(yīng)打開所有水泵，加強(qiáng)水循環(huán)。待封頭部件溫度低于200 ℃以下時(shí)，吊出水池。對(duì)隨爐試板檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，焊縫抗拉強(qiáng)度為588 MPa，降低了12%；直邊區(qū)域的硬度降低了40%，見表4，鐵素體數(shù)FN為1～3，金相顯微組織為奧氏體+少量鐵素體，如圖7所示，奧氏體晶粒度為6.5級(jí)，完全滿足要求。

表4 封頭硬度檢測(cè) HBW

圖7 固溶后金相組織

3 結(jié)論

(1)冷旋壓修校直邊過程冷作硬化造成S30409橢圓形封頭直邊段鐵素體含量高、硬度高。

(2)采用熱沖壓和冷旋壓成形的S30409封頭，應(yīng)重新進(jìn)行固溶處理，以恢復(fù)加工硬化帶來的影響，提高封頭的綜合性能。