(青島蘭石重型機(jī)械設(shè)備有限公司，山東青島 266426)

0 引言

加氫反應(yīng)器長(zhǎng)期在高溫、高壓及臨氫的環(huán)境下運(yùn)行，由于使用環(huán)境苛刻，在高溫下長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生回火脆化傾向，焊層易出現(xiàn)氫致剝落等問(wèn)題[1]。高溫持久性能是評(píng)價(jià)加氫反應(yīng)器運(yùn)行壽命的重要參考依據(jù)。本文針對(duì)國(guó)內(nèi)某廠生產(chǎn)的2.25Cr-1Mo-0.25V鋼加氫反應(yīng)器筒體鍛件，對(duì)其在482 ℃溫度下的持久性能進(jìn)行試驗(yàn)，并外推該筒體鍛件運(yùn)行3×104h的持久應(yīng)力大小，為2.25Cr-1Mo-0.25V鋼鍛件筒體持久性的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 材料理化性能檢測(cè)

加氫鍛件用鋼2.25Cr-1Mo-0.25V是在原有 2.25Cr-1Mo 鋼基礎(chǔ)上加入具有強(qiáng)化作用的釩元素的改進(jìn)型Cr-Mo鋼，由于釩的加入，使該鋼不僅有更高的高溫強(qiáng)度，還具有更好的抗氫脆、抗氫腐蝕等特性[2-3]。由于鉻、鉬等合金元素可溶入基體金屬中，起到固溶強(qiáng)化的作用，提高材料的淬透性和韌性[4]。本次試驗(yàn)用材料在反應(yīng)器內(nèi)徑為4 000 mm、厚度300 mm工件本體上所取，其化學(xué)成分如表1所示；工件熱處理工藝如圖1所示，試樣經(jīng)705 ℃×26 h的模擬焊后熱處理。

表1 2.25Cr-1Mo-0.25V鋼的化學(xué)成分 %

(a)

(b)

圖1 熱處理工藝曲線

本次試驗(yàn)依據(jù)GB/T 2039—1997《金屬拉伸蠕變及持久試驗(yàn)方法》、EN 10291《金屬材料 拉伸同軸蠕變?cè)囼?yàn) 試驗(yàn)方法》進(jìn)行。持久拉伸試樣為直徑?10 mm、標(biāo)距50 mm的試棒，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求加工至規(guī)定尺寸，試棒的形狀及尺寸如圖2所示。

圖2 試樣結(jié)構(gòu)尺寸

材料的高溫持久強(qiáng)度即為測(cè)定材料在某一溫度下受恒定載荷作用時(shí)，在規(guī)定的持續(xù)時(shí)間內(nèi)不引起斷裂的最大應(yīng)力[5]。故可參考高溫屈服強(qiáng)度值[6]作為持久性能測(cè)試應(yīng)力水平選取依據(jù)。2.25Cr-1Mo-0.25V鋼鍛件482 ℃高溫瞬時(shí)性能試樣取自本體厚度T/2處，其檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 482 ℃高溫瞬時(shí)性能檢測(cè)結(jié)果

2 高溫持久試驗(yàn)

高溫持久試驗(yàn)[7]設(shè)備采用RDL50型電子蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)，試驗(yàn)力精度0.5級(jí)，引伸計(jì)精度0.5級(jí)，試驗(yàn)溫度偏差±1 ℃。參考高溫屈服強(qiáng)度選取不同溫度下持久強(qiáng)度的初始值[8]，由482 ℃高溫屈服強(qiáng)度可知，初始持久試驗(yàn)應(yīng)力值應(yīng)小于434 MPa。本次試樣在482 ℃溫度下，采用7個(gè)應(yīng)力水平進(jìn)行持久性能測(cè)試，試樣取自本體厚度T/2處。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 482 ℃高溫持久試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

3 持久試驗(yàn)外推分析

按照表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行等溫外推[9]，根據(jù)White和Clarke理論模型雙對(duì)數(shù)外推公式：

τ=Aσ-B

(1)

式中τ——試樣斷裂時(shí)間，h；

A,B——與材料和試驗(yàn)溫度有關(guān)的常數(shù);

σ——試驗(yàn)應(yīng)力，MPa。

將式(1)兩端取對(duì)數(shù)，即可得到：

lgτ=lgA-Blgσ

(2)

令：y=lgσ，x=lgτ，a=lgA/B，b=-1/B，則式(2)可化成典型的直線方程：

y=a+bx

(3)

用最小二乘法處理得：

(4)

(5)

其中：

(6)

圖3 試驗(yàn)時(shí)間-應(yīng)力曲線

4 持久斷口分析

使用掃描電子顯微鏡觀察持久試樣的斷口，斷口形貌見(jiàn)圖4～6。

(a)290 MPa持久強(qiáng)度6 020.72 h

(b)320 MPa持久強(qiáng)度1 842.95 h

(c)360 MPa持久強(qiáng)度235.55 h

(d)395 MPa持久強(qiáng)度74.6 h

(a)290 MPa持久強(qiáng)度6 020.72 h

(b)320 MPa持久強(qiáng)度1 842.95 h

(c)360 MPa持久強(qiáng)度235.55 h

(d)395 MPa持久強(qiáng)度74.6 h

(a)290 MPa持久強(qiáng)度6 020.72 h

(b)320 MPa持久強(qiáng)度1 842.95 h

(c)360 MPa持久強(qiáng)度235.55 h

(d)395 MPa持久強(qiáng)度74.6 h

由圖4～6可以看出，持久斷口形貌較規(guī)則、變形均勻，屬正常斷口，試驗(yàn)數(shù)據(jù)沒(méi)有受到異常情況干擾，說(shuō)明該材料具有良好的持久塑性，能避免蠕變脆斷現(xiàn)象[10]，從而也說(shuō)明該材料在制造中，其成分內(nèi)部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)科學(xué)[11]，性能熱處理合理[12]。

5 結(jié)論

(1)2.25Cr-1Mo-0.25V鋼在482 ℃的高溫持久試驗(yàn)中，隨著應(yīng)力水平的降低，持久時(shí)間明顯延長(zhǎng)；試樣的斷口形貌較規(guī)則、均勻，說(shuō)明該材料可避免蠕變脆斷。

(2)根據(jù)2.25Cr-1Mo-0.25V鋼持久性能的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行外推計(jì)算，該材料在482 ℃溫度下的3×104h持久強(qiáng)度極限值為267.8 MPa，可作為設(shè)計(jì)選材的參考依據(jù)。