陳 明，楊華春，于明明，肖東平，任曉虎

(東方電氣集團(tuán) 東方鍋爐股份有限公司 材料研究所，四川 德陽(yáng) 618000)

高溫用材料的短時(shí)高溫性能有短時(shí)和長(zhǎng)時(shí)之分，使用環(huán)境是其設(shè)計(jì)選用的依據(jù)。按照ASME規(guī)范，壓力容器用碳素鋼和低合金鋼在應(yīng)用溫度下為體心立方晶格，屈強(qiáng)比多為0.6～0.8，在蠕變溫度以下確定許用應(yīng)力的控制因素主要是抗拉強(qiáng)度Rm，短時(shí)高溫抗拉強(qiáng)度因而被認(rèn)為是設(shè)計(jì)時(shí)需考慮的一個(gè)重要指標(biāo)[1-2]。

為了保證材料滿足高溫下的強(qiáng)度校核需要，通常設(shè)計(jì)文件會(huì)對(duì)材料的短時(shí)高溫抗拉強(qiáng)度做出規(guī)定。對(duì)多個(gè)容器項(xiàng)目設(shè)計(jì)文件的總結(jié)發(fā)現(xiàn)，某些規(guī)定不合理或存在爭(zhēng)議，主要表現(xiàn)為，直接以ASME II卷D篇表U給定的數(shù)據(jù)作為對(duì)容器材料的短時(shí)高溫抗拉強(qiáng)度要求、中低溫度下材料的短時(shí)高溫抗拉強(qiáng)度與室溫相同、材料經(jīng)模擬焊后熱處理的短時(shí)高溫抗拉強(qiáng)度與交貨態(tài)的相同。

上述要求未考慮到表U數(shù)據(jù)與材料實(shí)測(cè)結(jié)果的差異，以及由此衍生的室溫強(qiáng)度與高溫強(qiáng)度很難同時(shí)得到保證，部分材料在中、低溫度下存在的動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效及模擬焊后熱處理態(tài)下的強(qiáng)度降低導(dǎo)致設(shè)計(jì)要求難以實(shí)現(xiàn)等問(wèn)題。

文中對(duì)表U數(shù)據(jù)的來(lái)源及特點(diǎn)進(jìn)行分析，通過(guò)實(shí)例對(duì)設(shè)計(jì)文件的規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，并基于試驗(yàn)驗(yàn)證分析給出合理化建議。

1 ASME II卷D篇表U數(shù)據(jù)來(lái)源及特點(diǎn)

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

ASME II卷D篇表U材料數(shù)據(jù)的處理過(guò)程為，首先按照產(chǎn)品的爐次對(duì)材料數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，接著基于材料的室溫值對(duì)每組數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，即用高溫下的強(qiáng)度值與室溫強(qiáng)度值的比值來(lái)代替強(qiáng)度的絕對(duì)值進(jìn)行擬合[3]，然后用得到的不同溫度下的強(qiáng)度比對(duì)系列數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，將回歸方差不再減小，即擬合程度最高時(shí)的結(jié)果確定為最終的強(qiáng)度比與溫度擬合曲線。

得到擬合曲線后，利用室溫下的拉伸強(qiáng)度保證值與對(duì)應(yīng)溫度下的強(qiáng)度比，便可計(jì)算出對(duì)應(yīng)溫度T時(shí)的強(qiáng)度值。在高于室溫時(shí)，抗拉強(qiáng)度值趨于平均值，但這不能理解為精確等同于同一組數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理的平均值，主要是因?yàn)楦哂谑覝貢r(shí)表U中的數(shù)據(jù)是基于室溫抗拉強(qiáng)度保證值，并根據(jù)擬合曲線將室溫保證值提高了10%得到的[4]。

1.2 數(shù)據(jù)特點(diǎn)

ASME II卷D篇表U通注(b)對(duì)數(shù)據(jù)的使用有特別說(shuō)明，無(wú)論ASME標(biāo)準(zhǔn)的第I卷、第III卷還是第VIII卷都不要求對(duì)規(guī)范設(shè)備用產(chǎn)品材料做高溫抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，如果進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)，不要將試驗(yàn)結(jié)果與ASME II卷D篇表U中所列的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行比較，更不要依據(jù)比較結(jié)果決定ASME規(guī)范對(duì)材料是否驗(yàn)收，同時(shí)表U中的抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)適用于設(shè)計(jì)計(jì)算[5]，這些都表明直接用此數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)收并不合適。

摘選ASME II卷D篇表U中的部分材料數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，SA-516Gr.70、SA-533Ty.BCl.2、SA-387Gr.11Cl.2、SA-387Gr.22Cl.2在室溫～400 ℃的短時(shí)高溫抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)見表1。從表1看出，材料在室溫～400 ℃對(duì)應(yīng)的短時(shí)高溫抗拉強(qiáng)度幾乎沒(méi)有變化，但實(shí)際上多數(shù)材料的抗拉強(qiáng)度會(huì)隨溫度上升而下降，特別是溫度較高時(shí)這種變化趨勢(shì)更明顯。

表1 ASME II卷D篇表U中部分材料短時(shí)高溫抗拉強(qiáng)度[5] MPa

2 抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)合理性分析

2.1 短時(shí)高溫條件

以某核電容器材料的驗(yàn)收指標(biāo)為例進(jìn)行說(shuō)明。核電容器用SA-533Ty.BCl.2板材厚度為58 mm，交貨態(tài)為淬火(910±5 ℃，保溫200 min)+回火(650±10 ℃，保溫300 min，空冷)，其化學(xué)成分見表2。

表2 SA-533Ty.BCl.2材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

此核電容器的設(shè)計(jì)文件中對(duì)SA-533Ty.BCl.2材料交貨態(tài)的拉伸試驗(yàn)要求見表3。從表3可以看出，100～300 ℃對(duì)應(yīng)的材料短時(shí)高溫抗拉強(qiáng)度值要求與室溫條件下的最低要求值一致，顯然是直接選用了ASME II卷D篇表U的數(shù)據(jù)作為材料驗(yàn)收合格與否的指標(biāo)。

表3 SA-533Ty.BCl.2板材拉伸試驗(yàn)要求 MPa

采用CMT5305型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，按照ASME SA-370—2017《鋼制品力學(xué)性能試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和定義》[6]以及ASTM E21—2017《金屬材料高溫拉伸標(biāo)準(zhǔn)方法》[7]的要求實(shí)測(cè)常溫～500 ℃材料SA-533Ty.BCl.2的短時(shí)高溫抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)，得到的應(yīng)力-溫度曲線見圖1。圖1中，Rp0.2指規(guī)定塑性延伸率為0.2%時(shí)的應(yīng)力。

圖1 SA-533Ty.BCl.2實(shí)測(cè)應(yīng)力-溫度曲線

從圖1可以看出，除室溫外，其余溫度下的短時(shí)高溫抗拉強(qiáng)度值均低于620 MPa的要求，而且在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)Rp0.2不存在動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象。因此如果采用表1中的數(shù)據(jù)作為材料合格指標(biāo)，那么該材料就無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

從圖1還可以看出，材料在250～350 ℃的短時(shí)高溫抗拉強(qiáng)度突然升高。這是典型的動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象，即在同一應(yīng)變速率下，會(huì)在某個(gè)溫度區(qū)間出現(xiàn)流動(dòng)應(yīng)力隨著溫度的升高，先下降然后轉(zhuǎn)而上升到一個(gè)峰值應(yīng)力，然后再下降的現(xiàn)象。

郭偉國(guó)等[8-12]將動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象定義為第三種應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象，以區(qū)別靜態(tài)應(yīng)變時(shí)效和Portevin-Lechatelier效應(yīng)[9,13]，并探討了產(chǎn)生原因，即塑性變形導(dǎo)致更多活動(dòng)位錯(cuò)生成，進(jìn)而造成很多空位利于間隙原子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，間隙原子也會(huì)與運(yùn)動(dòng)著的溶劑原子(位錯(cuò)運(yùn)動(dòng))相互作用形成對(duì)位錯(cuò)的阻力，在某個(gè)特定溫度(一般250～350 ℃)下間隙原子擴(kuò)散速度與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)匹配，在位錯(cuò)周圍形成Cottrell 氣團(tuán)連續(xù)的拖曳位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力升高，導(dǎo)致第三種應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象的發(fā)生。值得注意的是，動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效在碳鋼、低合金鋼、不銹鋼等材料中均多有發(fā)現(xiàn)[14-18]。

以上對(duì)核電容器用SA-533Ty.BCl.2板材交貨態(tài)的拉伸試驗(yàn)要求和依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法得到的實(shí)測(cè)結(jié)果的綜合分析表明，設(shè)計(jì)文件提出的材料強(qiáng)度要求在發(fā)生動(dòng)態(tài)時(shí)效應(yīng)變強(qiáng)化區(qū)間范圍達(dá)不到，同時(shí)不在動(dòng)態(tài)時(shí)效應(yīng)變強(qiáng)化區(qū)間范圍(250 ℃以下)，材料的強(qiáng)度隨溫度的增加而降低，更是難以滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 模擬焊后熱處理?xiàng)l件

設(shè)計(jì)方對(duì)材料經(jīng)模擬焊后熱處理的短時(shí)高溫抗拉強(qiáng)度要求通常來(lái)自ASME VIII卷第1分冊(cè)[19]。這是由于容器制造過(guò)程中不可避免要經(jīng)過(guò)焊接，為保證焊縫及熱影響區(qū)的力學(xué)性能，需要進(jìn)行焊后熱處理。焊后熱處理必然帶來(lái)另一個(gè)問(wèn)題，即焊縫與熱影響區(qū)以外的母材經(jīng)過(guò)熱處理后與交貨態(tài)相比有何變化，能否滿足設(shè)計(jì)要求。

ASME VIII卷第1分冊(cè)第UCS-85(c)條款針對(duì)這一問(wèn)題提出規(guī)定，容器所用的材料應(yīng)由經(jīng)過(guò)相同的高于Ac1相變溫度的熱處理和焊后熱處理的試樣來(lái)代表。依據(jù)這一規(guī)定，可以采取在制造前取樣進(jìn)行模擬焊后熱處理，或者在制造中帶樣做焊后熱處理的辦法實(shí)施評(píng)價(jià)。實(shí)際上大部分設(shè)計(jì)文件中都明確規(guī)定，在制造前對(duì)材料進(jìn)行模擬焊后熱處理，且其性能要求與交貨態(tài)相同，模擬焊后熱處理的保溫溫度、保溫時(shí)間、冷卻方式及速率由制造廠提供或直接在設(shè)計(jì)文件中給出。

進(jìn)行模擬焊后熱處理以后，材料整體強(qiáng)度級(jí)別均會(huì)下降。若要保障模擬焊后熱處理狀態(tài)下的高溫拉伸性能或者室溫性能，供貨狀態(tài)下的室溫抗拉強(qiáng)度很難確保不超過(guò)抗拉強(qiáng)度上限，而且由于強(qiáng)度的提高，沖擊功也往往偏低，鋼廠只能通過(guò)成分調(diào)整保證材料在高溫下有一定的強(qiáng)度余量，但這種操作卻極可能導(dǎo)致交貨態(tài)的室溫抗拉強(qiáng)度超過(guò)設(shè)計(jì)要求的上限。對(duì)于厚板而言，這種情況更是難以滿足設(shè)計(jì)要求。此外，對(duì)于不含強(qiáng)化元素，如鉻、鉬元素的材料，從焊接角度考慮，為保證可焊性，碳含量不能太高，因此也很難滿足高溫抗拉強(qiáng)度要求。

以某化工容器用SA-387GR.22 CL.2臨氫鋼板為例進(jìn)行說(shuō)明。鋼板厚度123 mm，交貨態(tài)為淬火+回火，回火溫度715 ℃，其化學(xué)成分要求值與實(shí)測(cè)值見表4。

表4 SA-387GR.22 CL.2化學(xué)成分要求值與實(shí)測(cè)值(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

表5 SA-387GR.22 CL.2臨氫鋼板力學(xué)性能要求

從表5可以看出，SA-387GR.22 CL.2臨氫鋼板經(jīng)模擬焊后熱處理的力學(xué)性能滿足設(shè)計(jì)要求，但交貨態(tài)的抗拉強(qiáng)度超出了設(shè)計(jì)要求，因此需要返回鋼廠重新進(jìn)行熱處理。此外，對(duì)于ASME鋼板制造廠家而言，額外增加的高溫抗拉強(qiáng)度要求極大增加了鋼板生產(chǎn)難度，需從成分調(diào)整、性能熱處理調(diào)整等方面進(jìn)行生產(chǎn)工藝改進(jìn)。另一方面，國(guó)外的鋼板制造廠家也幾乎不會(huì)響應(yīng)這種高溫強(qiáng)度要求，這也將造成材料采購(gòu)困難。

3 建議做法

設(shè)計(jì)文件中高溫強(qiáng)度技術(shù)要求的提出應(yīng)對(duì)以下2個(gè)影響因素給予充分考慮：①材料在高溫下條件下的性能變化趨勢(shì)，特別是碳鋼及合金鋼容易出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象。②表U的數(shù)據(jù)是基于室溫抗拉強(qiáng)度保證值并根據(jù)擬合曲線將室溫保證值提高了10%得到的。

總之，不建議采用ASME II卷D篇表U的數(shù)據(jù)作為材料驗(yàn)收合格與否的指標(biāo)。若要使用，則應(yīng)除以1.1后使用，同時(shí)應(yīng)考慮到板厚的影響。對(duì)于壁厚大于100 mm的鋼板，應(yīng)適當(dāng)降低要求。對(duì)于容器最終要進(jìn)行焊后熱處理的情況，建議設(shè)計(jì)方對(duì)材料提要求時(shí)，取消交貨狀態(tài)下的拉伸和沖擊性能要求，但必要的工藝性能，比如鋼板的彎曲、鋼管的擴(kuò)口、壓扁等應(yīng)予以考慮，以保證使用狀態(tài)下材料的力學(xué)性能。

4 結(jié)語(yǔ)

ASME標(biāo)準(zhǔn)鋼板產(chǎn)品對(duì)于短時(shí)高溫抗拉數(shù)據(jù)無(wú)規(guī)定，但設(shè)備設(shè)計(jì)人員在校核時(shí)要用到此數(shù)據(jù)，于是有些設(shè)計(jì)文件在技術(shù)要求中將ASME II卷表U的數(shù)據(jù)作為材料驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)此種做法存在的爭(zhēng)議及其涉及的主要問(wèn)題進(jìn)行了探討，提出了建議做法。