王　磊

( 北京市西城區(qū)特種設(shè)備檢測所，北京 100055 )

服役后20號鋼在低溫下的力學(xué)性能研究

王磊

( 北京市西城區(qū)特種設(shè)備檢測所，北京 100055 )

[摘要]分析了20號無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)計和斷口分析，發(fā)現(xiàn)低溫低應(yīng)力工況下服役后20號無縫鋼管的力學(xué)性能完全符合冷庫用液氨管道的使用要求。

[關(guān)鍵詞]服役后；20號無縫鋼管；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，我國冷庫的數(shù)量和容量迅速增加，而且許多舊冷庫還位于人員密集地區(qū)，普遍存在安全隱患，運行事故頻頻發(fā)生，不僅造成嚴重的經(jīng)濟損失，更會危害公共安全，因此，必須開展冷庫設(shè)備的安全性能的研究。

我國壓力管道設(shè)計中常用的標(biāo)準(zhǔn)：GB50316《工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范》[1]、GB/T20801-2006《壓力管道規(guī)范工業(yè)管道》[2]、GB50072-2010《冷庫設(shè)計規(guī)范》[3]等標(biāo)準(zhǔn)對于采用20號無縫鋼管為材料的壓力管道使用溫度下限都不一樣。以設(shè)計溫度為-28℃的管道為例，采用設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)不同會導(dǎo)致管道選用的材料也不一致。我國壓力管道管理的時間比較短，目前我國冷庫所使用的壓力管道大多是由20號無縫鋼管焊接而成，且使用多超過十年。鑒于20號無縫鋼管在冷庫業(yè)的普遍使用和一旦泄漏其危害之大，我們有必要對服役后的20號無縫鋼管的低溫力學(xué)性能進行研究。

1試驗材料的選擇

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

表1試驗鋼管樣品概況

編號標(biāo)準(zhǔn)外徑D(mm)×壁厚b(mm)實測外徑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試驗鋼管的化學(xué)成分

管號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試驗過程及結(jié)果分析

2.1　20號無縫鋼管的化學(xué)成分

由于已服役的1～4號管道使用時間長，資料無從考究，所以對其進行化學(xué)分析，確定鋼管材質(zhì)。

從表2的檢測結(jié)果可以看出，1#、2#和3#已服役氨制冷壓力管道的化學(xué)成分均符合國家規(guī)定的20號鋼的化學(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號無縫鋼管的室溫力學(xué)性能

從表3管道室溫力學(xué)性能可以看出，1#、2#和4#管道的屈服強度和抗拉強度雖然符合要求，但結(jié)果比其它管道明顯偏低，同時斷后伸長率也相對偏高。3#管道強度最高，達到標(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，進行顯微組織觀察和晶粒度的評定，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，珠光體則相對較少，這也是其屈服強度和抗拉強度偏低的原因，故相反斷后伸長率結(jié)果偏高。結(jié)合化學(xué)分析結(jié)果，認為這是由于4#管道含碳量最低，導(dǎo)致由奧氏體冷卻至室溫時，生成了更多的先共析鐵素體，這樣的顯微組織特點使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小，晶粒度級別數(shù)均在10級以上，且差別不大。5#管道比3#具有較細的晶粒度，但其強度卻比3#小近30MPa，這是因為3#管道珠光體有沿軋向分布的特點，導(dǎo)致3#管道沿軋向強度最大。

另外，取樣方式不同，拉伸試驗結(jié)果也有所不同。可以發(fā)現(xiàn)，橫向拉伸試樣的抗拉強度和屈服強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。無縫鋼管在生產(chǎn)的過程中管體內(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取的是半圓管，冷壓平時呈反拱形放置于工作臺上，這樣在冷壓平的過程中管體外層受壓，內(nèi)層受拉，即產(chǎn)生同向塑性變形，材料屈服強度增大，發(fā)生了包辛格效應(yīng)。另外，在冷壓平的過程中，由于位錯的滑移，金屬會發(fā)生形變硬化，也使得強度有所增加。

表3試驗鋼管的室溫力學(xué)性能

管號抗拉強度Rm(MPa)屈服強度ReL(MPa)規(guī)定非比例延伸強度Rp0.2(MPa)斷后伸長率A(%)沖擊實驗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)計結(jié)果

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

2.3　20號無縫鋼管的低溫力學(xué)性能

表5是試驗鋼管的低溫力學(xué)性能，由于沒有相關(guān)規(guī)定，我們將其與室溫力學(xué)性能相比較。對比表3和表5可以發(fā)現(xiàn)，低溫下試驗鋼管的抗拉強度和屈服強度均比室溫下有所提高，而斷后伸長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，柯氏氣團對位錯的釘扎作用有所增強，位錯運動受阻，變形抗力增大。另外，20號鋼的室溫組織為鐵素體和珠光體，隨著溫度的降低，鐵素體對碳的溶解度不斷沿鐵-碳相圖中PQ的延長線向下，向著碳含量減少的方向發(fā)展，于是，會有少量碳化物析出，也會使得材料低溫下強度有所提高。

表5試驗鋼管的低溫(-30℃)力學(xué)性能

管號抗拉強度Rm(MPa)屈服強度ReL(MPa)規(guī)定非比例延伸強度Rp0.2(MPa)斷后伸長率A(%)沖擊實驗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

對低溫拉伸后的斷口進行掃描電鏡分析，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，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　實驗結(jié)果分析

(1)隨著溫度的降低，20號無縫鋼管的屈服強度和抗拉強度增大，斷后伸長率和沖擊韌性降低，這是由低溫下材料中位錯運動受阻，變形抗力增大和少量碳化物的析出所造成的。

(2)20號無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)計標(biāo)準(zhǔn)之間對于材料選用、無損探傷比例、壓力試驗、氣密試驗、泄漏性試驗等方面的要求并不完全統(tǒng)一，在設(shè)計時候采用不同的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和驗收標(biāo)準(zhǔn)，對后期的安裝監(jiān)檢和定期檢驗會造成很大的影響。因此統(tǒng)一、明確相關(guān)法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)將會對氨制冷壓力管道的安全監(jiān)管起到促進作用。鑒于此原因，國家質(zhì)量監(jiān)督檢疫總局(以下簡稱：質(zhì)檢總局)下發(fā)了“質(zhì)檢特函[2013]61號質(zhì)檢總局特種設(shè)備局關(guān)于氨制冷裝置特種設(shè)備專項治理工作的指導(dǎo)意見”[4](以下簡稱：61號文)。在“61號文”中明確指出：涉氨壓力管道的設(shè)計文件內(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)計應(yīng)按《冷庫設(shè)計規(guī)范》(GB50072-2010)執(zhí)行。

在幾個相關(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)條款必須嚴格執(zhí)行?！豆I(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號無縫鋼管可以使用到-101℃。

關(guān)于低溫低應(yīng)力的問題，按照GB50316對低溫低應(yīng)力定義：環(huán)向應(yīng)力其數(shù)值小于材料的屈服點的1/6，且不大于50MPa。而按GB/T20801-2006對低溫低應(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)定最小抗拉強度(計算位移應(yīng)力時，不計入應(yīng)力增大系數(shù))的要求來說，這個規(guī)定比上個標(biāo)準(zhǔn)嚴格了一些。不是所有液氨管道都能滿足該要求[6][7]。在試驗中，試驗鋼管軸向應(yīng)力總和計算中如果以六米以上跨距進行鋼管軸向應(yīng)力計算，20號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、補償裝置的設(shè)置，我們可以通過增加管道壁厚、減小管道跨距、增加補償裝置來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)計單位應(yīng)給出相應(yīng)的計算書。

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

4參考文獻

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[2] 壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道[S].2006

[3] GB50072-2010冷庫設(shè)計規(guī)范[S]

[4] 質(zhì)檢總局特種設(shè)備局關(guān)于氨制冷裝置特種設(shè)備專項治理工作的指導(dǎo)意見(質(zhì)檢特函[2013]61號).[Z]

[5] 壓力管道安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程-工業(yè)管道篇[S].2009

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[7] 黃勁松.氨制冷系統(tǒng)低溫壓力管道材料問題的探討[J].冷藏技術(shù),2006,(2):17-21

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]O369[文獻標(biāo)示碼]B

doi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.01.012

文章編號：ISSN1005-9180(2015)01-055-06

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

收稿日期：2014-10-29

資助項目：國家質(zhì)檢總局科技計劃項目(2009QK037)