受火溫度對壓力容器用Q345R組織與硬度的影響研究①

□□ 張巨銀，王學(xué)平，張藝瀟 (甘肅省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測研究院，甘肅 蘭州 730050)

引言

壓力容器是現(xiàn)代工業(yè)中最為常見的設(shè)備之一，已廣泛應(yīng)用于冶金、化工和電力等國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。但其一旦發(fā)生爆炸和泄露，往往伴生著火災(zāi)等次生災(zāi)難，會給社會經(jīng)濟(jì)和人民生活造成不可估量的損失和災(zāi)難[1]。壓力容器一旦發(fā)生火災(zāi)，容器金屬暴露在熱的直接影響下，當(dāng)超過金屬所能承受的最高允許溫度時，理論上可能發(fā)生整體或局部的變形，這些變形有可能影響壓力容器的繼續(xù)服役；也可能通過判識和評定確定維修或繼續(xù)使用從而節(jié)省大量的資金。因而通過研究火災(zāi)后壓力容器受火災(zāi)溫度的影響，尤其是其材料組織和性能的變化，結(jié)合受火災(zāi)影響的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，總結(jié)材料火災(zāi)損傷模式，對快速準(zhǔn)確評判火災(zāi)對受火壓力容器的影響具有十分重要的意義。現(xiàn)擬選用石油化工企業(yè)最常用低合金高強(qiáng)度Q345R鋼板進(jìn)行模擬火災(zāi)損傷研究，通過試驗(yàn)找出不同熱暴露溫度、熱暴露持續(xù)時間和冷卻方式對其微觀組織和硬度性能的影響規(guī)律，得到其受火性能，建立其受火災(zāi)影響材料性能數(shù)據(jù)庫，為該種材料壓力容器受火后快速檢驗(yàn)和評價(jià)提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)方法

在鋼板上以電火花切割的方式切割出210 mm×100 mm×24 mm的鋼板，留足加工余量，熱模擬在馬沸爐中進(jìn)行。由AP1579得知低碳鋼在0～425 ℃的組織和性能不發(fā)生變化；并通過式(1)、(2)和(3)確定Q345R的相變溫度，材料的性能變化一般發(fā)生在相變溫度后，故選擇設(shè)定的試驗(yàn)溫度為室溫、550 ℃、700 ℃、750 ℃、800 ℃、850 ℃和900 ℃，升溫速度為7 ℃·min-1。

(1)

式中：xi——合金元素含量，質(zhì)量%；

ai——1%合金元素的影響效果系數(shù)，℃，“+”表示升高臨界點(diǎn)，“-”表示降低臨界點(diǎn)；

k——為各研究者所用樣品的臨界點(diǎn)，℃。A1(℃)=723-26Si+20Cr+8W+16Mo+55V-

14Cu-18Ni-12Mn

(2)

10Mn+5Cr+7W+14Mo+5V+18Si

(3)

式中：x——鋼中碳含量≤0.4%；

y——鋼中含碳量為≥0.4%。

火災(zāi)發(fā)生后并會持續(xù)一段時間，火勢的大小決定了熱暴露持續(xù)時間的長短，試驗(yàn)基于小范圍火災(zāi)模擬，故取最長的熱暴露時間為5 h，最短為1 h，增設(shè)1組2 h試驗(yàn)；由于火災(zāi)中常用消防水滅火，故冷卻方式采用空冷和水冷，以模擬在滅火過程中被消防水淋到和未淋到兩種狀態(tài)。

熱模擬試樣經(jīng)打磨拋光后，用4%硝酸酒精溶液腐蝕，腐蝕后在金相顯微鏡上觀察金相組織，在工程檢驗(yàn)中，壓力容器的金相檢測在其表面進(jìn)行，故試驗(yàn)所研究的金相組織為鋼板表面的金相組織。硬度按照GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》[2]進(jìn)行測定，在硬度試樣表層間隔均勻取3個點(diǎn)測定數(shù)值后取平均值進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 硬度分析

硬度隨熱暴露溫度的變化如圖1所示。<550 ℃時，硬度變化不大，維持175HV以下；700 ℃空冷時，出現(xiàn)硬度變急劇變化，硬度由163HV降低至142HV，降幅11%；繼續(xù)升溫，硬度值升高后降低，但基本維持在原始態(tài)硬度值附近；水冷時硬度急劇提升在750 ℃，隨著溫度上升硬度回落后又上升；750 ℃時硬度值由原始態(tài)163HV上升至375HV，硬度值增加1倍。

圖1 不同保溫時間下硬度隨熱暴露溫度的變化

GB/T 35013—2018《承壓設(shè)備合于使用評價(jià)》[3]給出Q345R的硬度范圍在128～178HB，換算為維氏硬度約為130～180HV。在<700 ℃時，硬度值均符合GB/T 35013—2018的要求。這說明在工程應(yīng)用中壓力容器受<700 ℃火災(zāi)時，可認(rèn)為不影響壓力容器的安全使用。

2.2 空冷金相組織分析

不同溫度下空冷1 h的金相組織如圖2所示。圖2(a)顯示原始態(tài)Q345R金相組織為鐵素體加珠光體，鐵素體、珠光體呈現(xiàn)明顯的帶狀組織分布。圖2(b)～(g)可以看出，隨著溫度的升高，珠光體分解，帶狀組織緩解。珠光體是鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物，當(dāng)加熱溫度在Ac1以上并保溫一定時間，鐵素體完全奧氏體化，但滲碳體的分解因保溫時間不足而沒有完全溶解，在冷卻后作為硬質(zhì)相存在，對金屬材料硬度的變化起到了關(guān)鍵的作用；850 ℃空冷1 h時，帶狀組織消失，珠光體與鐵素體均勻分布；900 ℃空冷1 h時，珠光體完全分解。由金相組織分析可知：700 ℃空冷時帶狀組織減輕，珠光體分解，硬度降低；溫度上升至750 ℃珠光體進(jìn)一步分解但由于晶粒更加細(xì)化，硬度值提高并維持原始態(tài)硬度值附近。

圖2 不同溫度下空冷1 h的金相組織

2.3 水冷金相組織分析

不同溫度下水冷1 h的金相組織如圖3所示。在水冷條件下，550～700 ℃時，金相組織為鐵素體加珠光體；750 ℃時，因?yàn)橛休^高的過冷度，晶粒更加細(xì)小，硬度顯著增高；800 ℃時，在珠光體位置僅顯示珠光體分解留下碳化物的痕跡；>850 ℃時，鐵素體和珠光體全部轉(zhuǎn)化為奧氏體后在較大的過冷度下，轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。馬氏體的主要特征是高硬度、高強(qiáng)度，這是因?yàn)樵隈R氏體轉(zhuǎn)變時不均勻切變以及界面附近的塑形變形在馬氏體晶體內(nèi)造成大量位錯、孿晶以及層錯等缺陷[4]，這些缺陷的增加起到強(qiáng)化馬氏體的作用，使其硬度增高，強(qiáng)度增大。

圖3 不同溫度下水冷1 h金相組織

不同保溫時間下硬度的變化趨勢為：空冷時，硬度隨著保溫時間延長基本呈現(xiàn)下降趨勢；水冷時，硬度隨保溫時間的變化不大。750 ℃水冷時，硬度突然升高與晶粒細(xì)化有關(guān)系；800 ℃水冷時，隨著碳化物的分解，硬度逐漸減?。?50 ℃水冷時，轉(zhuǎn)化為馬氏體硬度值增大；900 ℃水冷時，具有更大的過冷度，其硬度高于850 ℃時水冷的硬度。

在不同的溫度和保溫時間下，水冷時的硬度均高于空冷時的硬度。在同一溫度和保溫時間下，特別是在850 ℃時，水冷時出現(xiàn)了馬氏體使得硬度比空冷時的硬度高，隨著冷卻速度增大，硬度也隨之增大。其可能的原因是，水冷比空冷具有更大的過冷度，奧氏體的轉(zhuǎn)變溫度更低，析出鐵素體的的量更少且鐵素體硬度更低，所以硬度值較大；另一可能是鐵素體無方向，并且更為細(xì)小，碳的飽和度大，位錯密度高，彌散度大，因而硬度值更高?？傊?，金相組織中組成相及其硬度值決定了材料的硬度大小[5]。

3 結(jié)論

3.1 通過熱模擬試驗(yàn)獲得了空冷(自然冷卻)和水冷(強(qiáng)制冷卻)條件下Q345R鋼板的金相組織和硬度的變化趨勢。<700 ℃時，Q345R硬度值在GB/T 35013—2018《承壓設(shè)備合于使用評價(jià)》的范圍內(nèi)，即壓力容器受此溫度火災(zāi)將不影響材料的正常使用；<550 ℃時，無論水冷還是空冷硬度的變化值幅度較小。

3.2 空冷時隨著溫度的升高，金相組織由帶狀組織、晶粒細(xì)化、帶狀組織分解和珠光體分解轉(zhuǎn)化，700～750 ℃存在硬度突然變化點(diǎn)；水冷時，金相組織由帶狀組織、帶狀組織分解、珠光體分解、馬氏體生成轉(zhuǎn)化，700～750 ℃為硬度突然變化點(diǎn)?；馂?zāi)后硬度突變的溫度區(qū)間對火災(zāi)后壓力容器快速評估具有十分重要的意義。

3.3 相同的保溫時間和溫度下，水冷時的硬度總高于空冷時的硬度；保溫時間不同時，空冷后Q345R硬度隨保溫時間的延長而降低，水冷后Q345R硬度隨保溫時間的變化不大。