S30409鋼制封頭組織和性能

王志剛 琚丹丹 忽俊成 鄭維信 王岑

摘要： 某苯乙烯項目反應(yīng)器在制造過程中，發(fā)現(xiàn)S30409鋼制橢圓形封頭在經(jīng)過熱沖壓和冷旋壓成形后直邊區(qū)硬度超標、鐵素體數(shù)偏高等現(xiàn)象。文中采用Simufact建立模型，對封頭成形過程進行模擬應(yīng)力分布情況分析，并對封頭直邊段區(qū)域的顯微組織、硬度及鐵素體數(shù)等進行試驗。結(jié)果表明，封頭直邊部位發(fā)生了較大塑性變形，應(yīng)力值較高，且該部位金屬材料組織也發(fā)生了變化，易在制造、服役等過程中發(fā)生開裂等問題，對封頭重新進行了整體固溶處理后可恢復(fù)性能。

關(guān)鍵詞： 不銹鋼封頭; 冷旋壓; 固溶處理

中圖分類號： TG 406

Abstract： During the manufacturing process of a styrene project reactor， it was found that the hardness and ferrite number of the S30409 steel head on straight edge area exceeded the standard after hot stamping and cold spinning. In this paper， Simufact was used to establish a model to simulate and analyze the distribution of stress during forming process of the head. And tests of microstructure， hardness and ferrite number were carried out on the area of the straight side of the head. The results showed that the straight edge of the head appeared a large plastic deformation and a high stress value. And microstructure of the part was also changed， which was liable to crack in the process of manufacturing and service. The properties of head could be recovered by the whole solution treatment.

Key words： stainless steel head; cold spinning; solution treatment

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，所以在旋壓或沖壓時，不需要提前對鋼板進行加熱處理，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鋼板材料進行加熱處理，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)，甚至更小;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，直至裂紋形成和擴展;張雪濤等人[4]對北海封頭生產(chǎn)發(fā)生開裂失效的奧氏體不銹鋼封頭各部位進行了鐵素體測定，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

國內(nèi)某制造廠承制的苯乙烯項目反應(yīng)器，設(shè)備簡圖如圖1所示。其材質(zhì)為S30409， 規(guī)格為2 800 mm×14 mm×14 455 mm，凈質(zhì)量33 900 kg，設(shè)計溫度649 ℃，設(shè)計壓力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，整個壓制過程中嚴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，在檢測時發(fā)現(xiàn)封頭端口尺寸較圖紙尺寸要求偏大，隨后對端口進行了冷旋壓修校處理，制造完畢后，在制造現(xiàn)場對封頭進行檢驗時發(fā)現(xiàn)，封頭直邊部位、R部位及其底部取3組共9點測量硬度值，其中6點大于200 HB，2點在300 HB左右，直邊段及拼接焊縫的鐵素數(shù)測量為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，實際檢驗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)。

針對上述問題，該文對封頭的直邊段進行取樣分析，分別對該區(qū)域的顯微組織、硬度及鐵素體數(shù)（FN）等進行試驗，并采用Simufact建立封頭模型，對封頭的成形過程進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。

2 現(xiàn)場檢測及分析

2.1 化學(xué)成分分析

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

2.2 硬度檢測

對封頭直邊部位、底部R部位及其底部位置進行了布氏硬度檢測，使用型號JC05-TH500洛氏硬度檢測儀，檢測結(jié)果見表2。檢測結(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。

2.3 拼縫試板檢驗

對封頭熱壓同爐的拼縫試板進行拉伸試驗和晶間腐蝕試驗檢測，其中拉伸試驗按照GB/T 228—2010《金屬拉伸試驗方法》進行，試樣在CST4605拉伸試驗機上進行，結(jié)果見表3，符合標準要求。晶間腐蝕試驗按照GB/T 4334—2008中E法進行，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，試驗結(jié)果見表3，滿足使用條件。

2.4 現(xiàn)場金相組織試驗

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)場金相顯微組織分析。對封頭表面選用顆粒細的砂輪片磨制，將工件表面磨下約1 mm左右。磨面尺寸約為：長100～150 mm，寬10～20 mm。再用120號砂布、280號、320號、500號、800號金相砂紙依次打磨，最后達到鏡面的水平。然后根據(jù)現(xiàn)場的條件采用機械拋光。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，同時仔細觀察磨面，待磨痕消失后，用水沖洗干凈。腐蝕時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)場便攜式顯微鏡調(diào)整聚焦合適后，安裝數(shù)碼相機進行現(xiàn)場金相圖片采集，如圖2所示，其中圖2a為硬度超標的直邊段金相組織為奧氏體+形變馬氏體，晶粒度為5.5級，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。

2.5 Simufact模擬分析

針對上述問題，采用Simufact軟件對封頭的熱壓成形（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+固溶處理等過程進行仿真模擬，分析封頭在各個成形過程中的應(yīng)力場、應(yīng)變場、溫度場變化。按照封頭實際尺寸通過簡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性能數(shù)據(jù)，包括摩擦系數(shù)、模擬溫度、運動軌跡、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)格類型進行網(wǎng)格劃分，模具材料為軟件默認模具材料，工件材料通過調(diào)用軟件材料庫S30409性能數(shù)據(jù)進行屬性設(shè)置;其他各項數(shù)據(jù)完全按照實際工況所涉及的情況進行設(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，硬度不大于200 HB”。熱成形主要關(guān)注加熱過程對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（當沖壓溫度在950～ 1 100 ℃時），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)報道的案例發(fā)現(xiàn)，

對于冷熱成形后的封頭若再次進行擴口和縮口等工藝，在后期運行中易出現(xiàn)開裂失效[2，5，7]。

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部分的試驗結(jié)果是相吻合的，這是由于冷旋壓修校時內(nèi)外旋壓輥的強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，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重超標以及鐵素體數(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與成形的加工硬化有直接關(guān)系，故推薦隨后進行熱處理以恢復(fù)材料性能，對該封頭進行固溶處理。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，要封頭表面的稅快速流動，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，加強水循環(huán)。待封頭部件溫度低于200 ℃以下時，吊出水池。對隨爐試板檢測發(fā)現(xiàn)，焊縫抗拉強度為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，完全滿足要求。

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。

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