敬仕煜，曾 輝，鄧錢元，楊華春

(1.東方電氣集團(tuán) 東方鍋爐股份有限公司，四川自貢 643001；2.機(jī)械工業(yè)高溫耐熱材料與焊接實(shí)驗(yàn)室，四川自貢 643001)

0 引言

GB/T 150.2—2011《壓力容器 第2部分：材料》中4.1.10和6.1.4條、GB/T 16507.2—2013《水管鍋爐 第2部分：材料》中4.7和6.6條規(guī)定，設(shè)計(jì)溫度高于300 ℃(Q370R為200 ℃以上)的鋼板和鍛件(GB/T 150.2僅限Q370R/18MnMoNbR/13MnNiMoR/12Cr2Mo1VR四種鋼板和20MnMoNb/20MnNiMo/12Cr2Mo1V/12Cr3Mo1V四種Ⅲ級(jí)或Ⅳ級(jí)鍛件,GB/T 16507.2則包括所有材料牌號(hào))，應(yīng)在設(shè)計(jì)計(jì)算溫度下進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)，屈服強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。工程實(shí)踐中，常存在材料代用現(xiàn)象，或者剩余材料應(yīng)用于另一設(shè)備制造，當(dāng)兩次設(shè)計(jì)計(jì)算溫度不同時(shí)，按原先設(shè)計(jì)計(jì)算溫度檢驗(yàn)合格的材料，必須重新取樣并在另一溫度下補(bǔ)充高溫拉伸試驗(yàn)。經(jīng)驗(yàn)表明，重新試驗(yàn)結(jié)果鮮有或幾乎沒有發(fā)生過不合格現(xiàn)象，但重新試驗(yàn)卻增加了成本和時(shí)間周期。為此，本文在調(diào)查實(shí)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，探討標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)高溫拉伸試驗(yàn)規(guī)定，希望對(duì)進(jìn)一步完善標(biāo)準(zhǔn)有所裨益。

1 鍋爐及壓力容器用常見材料的實(shí)測(cè)高溫屈服強(qiáng)度數(shù)據(jù)調(diào)查

研究材料為鋼板13MnNiMoR，14Cr1MoR，15CrMoR和鍛件20MnMoNb，屬GB/T 150.2和GB/T 16507.2及其協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)中的鋼號(hào)，常使用于300 ℃以上，是鍋爐和壓力容器用常見材料，用量較大。該4種材料均涉及高溫拉伸試驗(yàn)要求，具有較好的代表性，適宜于用來討論和分析GB/T 150.2和 GB/T 16507.2中相關(guān)高溫拉伸試驗(yàn)規(guī)定。

表1匯總了4種材料的高溫拉伸試驗(yàn)要求值。

表1 4種材料的高溫拉伸試驗(yàn)要求值

(a)13MnNiMoR鋼板 (b)14Cr1MoR鋼板

圖1示出了4種材料的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，時(shí)間跨度約為10年，圖中每一散點(diǎn)代表一個(gè)批次材料某一溫度下的高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果，即各批次試樣所對(duì)應(yīng)的屈服強(qiáng)度；圖中橫線為該材料300 ℃的屈服強(qiáng)度要求值參考線。其中，圖1(a)為621批次13MnNiMoR鋼板高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)溫度為300～400 ℃，鋼板厚度為30～100 mm；圖1(b)為184批次14Cr1MoR鋼板，試驗(yàn)溫度為300～460 ℃，鋼板厚度為20～60 mm；圖1(c)為44批次15CrMoR鋼板，試驗(yàn)溫度為300～480 ℃，鋼板厚度為20～60 mm；圖1(d)為220批次20MnMoNb鍛件，試驗(yàn)溫度300～350 ℃，公稱厚度為300～500 mm。4種材料共計(jì)1 000余批次。

2 分析和討論

2.1 數(shù)據(jù)分析

由圖1可以看出，4種材料在300 ℃以上的實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度均高于300 ℃對(duì)應(yīng)的要求值，證明這些材料的高溫屈服強(qiáng)度均有較大裕度，這也是前文提到的從未發(fā)現(xiàn)過重新試驗(yàn)不合格現(xiàn)象的原因。

高溫條件下，材料的變形機(jī)制增多、形變強(qiáng)化現(xiàn)象減弱[1]。隨著溫度升高，材料強(qiáng)度呈降低趨勢(shì)[2-4]。GB/T 150.2和GB/T 16507.2及其協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定體現(xiàn)了這一規(guī)律：試驗(yàn)溫度升高，屈服強(qiáng)度要求值降低，如表1所示。對(duì)某材料，當(dāng)較高溫度下屈服強(qiáng)度實(shí)測(cè)值高于較低溫度對(duì)應(yīng)的要求值時(shí)，則可推斷其較低溫度下的試驗(yàn)結(jié)果也將滿足要求。例如：13MnNiMoR鋼板400 ℃下實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度為360 MPa，高于300 ℃下要求值345 MPa，則可推斷其300～400 ℃范圍內(nèi)屈服強(qiáng)度必然合格，因?yàn)殡S試驗(yàn)溫度降低，屈服將提高至360 MPa以上，而其在300～400 ℃范圍內(nèi)的屈服強(qiáng)度要求值僅在305～345 MPa之間。顯然，屈服強(qiáng)度富裕量為材料的代用創(chuàng)造了條件，當(dāng)這種富裕量足夠時(shí)，其向較低溫度用途的代用是安全的，補(bǔ)充試驗(yàn)沒有必要性。但是，逆向代用則存在風(fēng)險(xiǎn)，較低溫度下屈服強(qiáng)度有一定富裕，并不意味著在較高溫度下仍滿足要求，因?yàn)閷?duì)于不同材料，其強(qiáng)度隨溫度的變化趨勢(shì)并不一樣，可能在稍高溫度時(shí)急劇下跌，這需要重新補(bǔ)充試驗(yàn)予以驗(yàn)證。

2.2 時(shí)效硬化(藍(lán)脆)的影響

碳鋼和低合金存在時(shí)效硬化現(xiàn)象，這可能干擾屈服強(qiáng)度隨溫度升高而降低的規(guī)律，從而引發(fā)材料代用顧慮。文獻(xiàn)[1]認(rèn)為，時(shí)效硬化主要影響抗拉強(qiáng)度，使某一溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)反常 “凸起”，峰值溫度與藍(lán)脆溫度相當(dāng)，約為200～300 ℃，如圖2[1]所示。時(shí)效硬化同樣影響屈服強(qiáng)度，但峰值不明顯，如圖3[1]所示。

圖2 碳鋼、低合金鋼和不銹鋼的Rm-T曲線

圖3 碳鋼、低合金鋼和不銹鋼的Rp0.2-T曲線Fig.3 Rp0.2-T curves of carbon steel,low alloy steel and stainless steel

時(shí)效硬化往往與溶質(zhì)原子在位錯(cuò)線附近聚集形成各種氣團(tuán)有關(guān)，氣團(tuán)擴(kuò)散速度隨溫度而變，在適當(dāng)?shù)臏囟认?，其擴(kuò)散速度與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度接近，這時(shí)氣團(tuán)可以被位錯(cuò)拖著一起運(yùn)動(dòng)，增大了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，強(qiáng)度曲線就呈現(xiàn)出一個(gè)峰值[1]?？梢酝茰y(cè)，由于材料屈服時(shí)塑性變形量很小，位錯(cuò)源剛剛開動(dòng)不久，氣團(tuán)對(duì)屈服強(qiáng)度的影響有限?？紤]到本文討論的溫度范圍主要在300 ℃以上，可忽略時(shí)效硬化對(duì)屈服強(qiáng)度的影響，至少其影響尚不足以導(dǎo)致屈服強(qiáng)度明顯反常。

2.3 高溫拉伸試驗(yàn)的意義

承壓設(shè)備用鋼的許用應(yīng)力由室溫抗拉強(qiáng)度、溫度下屈服強(qiáng)度(包括室溫和高溫)和蠕變強(qiáng)度分別除以各自安全系數(shù)所得到的最小值確定[5]。通常，蠕變溫度之上由蠕變強(qiáng)度控制，蠕變溫度之下主要由室溫抗拉強(qiáng)度控制，中溫時(shí)可能由屈服強(qiáng)度控制[6-10]。

對(duì)于13MnNiMoR等鋼板和鍛件，其許用應(yīng)力通常由室溫抗拉強(qiáng)度或者高溫屈服強(qiáng)度控制，圖4示出這類材料的許用應(yīng)力確定方法(圖中,水平橫線為抗拉強(qiáng)度除以安全系數(shù)2.7的計(jì)算結(jié)果，傾斜下滑線為屈服強(qiáng)度除以安全系數(shù)1.5的計(jì)算結(jié)果，二者較小值為許用應(yīng)力)?？梢姡瑢?duì)于不同材料，屈服強(qiáng)度起控制作用的溫度范圍各有不同，由圖4可看出，15CrMoR約在175～450 ℃范圍，而13MnNiMoR則在350～400 ℃左右。顯然，當(dāng)安全系數(shù)取值調(diào)整時(shí)，決定許用應(yīng)力的關(guān)鍵力學(xué)性能指標(biāo)及其影響范圍將發(fā)生改變。例如，美國ASME規(guī)范中對(duì)常溫(20 ℃)抗拉強(qiáng)度的安全系數(shù)取3.5(按常規(guī)設(shè)計(jì))，計(jì)算結(jié)果通常更低，因此屈服強(qiáng)度對(duì)于許用應(yīng)力確定基本不起作用。

圖4 確定許用應(yīng)力方法示意Fig.4 Schematic diagram of method for determining allowable stress

高溫屈服強(qiáng)度決定了一定溫度范圍內(nèi)材料的許用應(yīng)力，而許用應(yīng)力是強(qiáng)度設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，事關(guān)設(shè)備安全，這使材料的高溫拉伸試驗(yàn)具有一定意義。GB/T 150.2和GB/T 16507.2在綜合考慮材料許用溫度和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)高溫拉伸試驗(yàn)提出了明確要求，其邏輯合理性即基于此。

2.4 標(biāo)準(zhǔn)探討

GB/T 150.2規(guī)定，13MnNiMoR等4種鋼板和20MnMoNb等4種Ⅲ級(jí)或Ⅳ級(jí)鍛件，設(shè)計(jì)溫度高于300 ℃(Q370R為200 ℃)時(shí)，應(yīng)按批次進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算溫度下的高溫拉伸試驗(yàn)，屈服強(qiáng)度按標(biāo)準(zhǔn)要求。GB/T 16507.2規(guī)定，對(duì)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)任何鋼板和鍛件，設(shè)計(jì)溫度高于300 ℃時(shí)，可附加進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算溫度下的高溫拉伸試驗(yàn)，屈服強(qiáng)度按標(biāo)準(zhǔn)要求。

按GB/T 150.2和GB/T 16507.2，高溫拉伸試驗(yàn)均應(yīng)在設(shè)計(jì)計(jì)算溫度下進(jìn)行。但是，從圖1以及相關(guān)分析可知，由于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具有明顯富裕量，且屈服強(qiáng)度隨溫度升高呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，兩標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制性要求在設(shè)計(jì)計(jì)算溫度下進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)的規(guī)定有待商榷。筆者認(rèn)為，應(yīng)允許在高于設(shè)計(jì)溫度下進(jìn)行試驗(yàn)，但所得結(jié)果仍應(yīng)滿足設(shè)計(jì)計(jì)算溫度對(duì)應(yīng)的屈服強(qiáng)度要求值。因此，則可用較高溫度覆蓋較低溫度高溫拉伸試驗(yàn)，減少補(bǔ)充試驗(yàn)頻次，方便材料代用。對(duì)壓力容器設(shè)備制造廠來說，可以在材料初估時(shí)，根據(jù)既有經(jīng)驗(yàn)審慎提高采購材料的高溫拉伸試驗(yàn)溫度，以增強(qiáng)材料通用性，降低成本。

對(duì)比兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)還發(fā)現(xiàn)，GB/T 150.2僅對(duì)部分鋼種進(jìn)行高溫拉伸，而GB/T 16507.2則包含所有鋼種。此外，GB/T 150.2對(duì)符合條件材料的高溫拉伸試驗(yàn)是強(qiáng)制性的，而GB/T 16507.2則是選擇性，由設(shè)計(jì)人員決定。由圖4可以看出，許用應(yīng)力與屈服強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)程度，是考量是否附加高溫拉伸試驗(yàn)的關(guān)鍵。當(dāng)高溫屈服強(qiáng)度決定許用應(yīng)力時(shí)，考慮附加高溫拉伸試驗(yàn)更有意義；如果不是，則可豁免。比較而言，GB/T 16507.2的規(guī)定更加合理，GB/T 150.2應(yīng)向其靠攏。具體說，建議兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)高溫拉伸試驗(yàn)要求統(tǒng)一，將是否附加試驗(yàn)的決定權(quán)交由設(shè)計(jì)人員，而適用材料范圍應(yīng)包含所有鋼板和鍛件。

3 結(jié)語

GB/T 150.2和GB/T 16507.2中“高溫拉伸試驗(yàn)應(yīng)在設(shè)計(jì)計(jì)算溫度下進(jìn)行”的規(guī)定可予放寬，允許在高于設(shè)計(jì)計(jì)算溫度下進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)，當(dāng)試驗(yàn)結(jié)果仍滿足較低溫度對(duì)應(yīng)的要求值時(shí)，則可覆蓋較低設(shè)計(jì)計(jì)算溫度的高溫拉伸試驗(yàn)要求。因此，可疏通材料代用障礙，增強(qiáng)材料通用性，降低成本。

GB/T 150.2和GB/T 16507.2有關(guān)高溫拉伸試驗(yàn)規(guī)定存在差異，建議GB/T 150.2向GB/T 16507.2 靠攏，并將是否附加高溫拉伸試驗(yàn)交由設(shè)計(jì)者決定。