李 千,吳宏凱,孫 勇
SA-516Gr.70 鋼板廣泛應(yīng)用于耐低溫壓力容器中,為降低制造成本,提高產(chǎn)品性能,石化設(shè)備的殼體和管板常使用基材為SA-516Gr.70 的不銹鋼爆炸復(fù)合板,兼具不銹鋼的耐磨、耐蝕、耐氧化、使用壽命長(zhǎng)和碳鋼的高強(qiáng)韌性、耐沖擊、可拉伸的機(jī)械性能特點(diǎn)[1]。
壓力容器在加工過(guò)程中或加工完成后一般都需要進(jìn)行焊后熱處理,有研究表明設(shè)備制造過(guò)程中的焊后熱處理會(huì)對(duì)復(fù)合材料的機(jī)械性能產(chǎn)生一定的影響[2、3],如果檢驗(yàn)坯料選擇不當(dāng)將會(huì)影響檢驗(yàn)結(jié)果。對(duì)此,本文探究不同坯料尺寸對(duì)模擬焊后熱處理(SPWHT) 后爆炸復(fù)合板基層SA-516 Gr.70 鋼板組織性能的影響。
試驗(yàn)用材料取自爆炸復(fù)合板基層SA-516 Gr.70 鋼板,厚度169 mm。分別從6 件張鋼板的T/4和T/2 處切取試驗(yàn)用坯料(見(jiàn)表1)。
表1 鋼板的化學(xué)成分(wt.%)
分別在6 件鋼板上切取尺寸(寬×長(zhǎng)×厚,下同) 為180 mm×270 mm×169 mm(全厚度)、200 mm×20 mm×20 mm(板厚T/2 處)、200 mm×20 mm×20 mm(板厚T/4 處) 試驗(yàn)用坯料,經(jīng)模擬焊后熱處理(SPWHT) 后,在180 mm×270 mm×169 mm(厚T/4 處) 和200 mm×20 mm×20 mm(板厚T/4 處) 坯料上切取拉伸、沖擊、金相試樣;在180 mm×270 mm×169 mm(厚T/2 處) 和200 mm×20 mm×20 mm(板厚T/2 處) 坯料上切取沖擊試樣,采用兩種不同的保溫時(shí)間對(duì)200 mm×20 mm×20 mm(板厚T/2 處) 坯料進(jìn)行SPWHT,然后切取沖擊試樣。
本文的室溫拉伸試驗(yàn)采用?12.5 mm 圓棒拉伸試樣,沖擊試驗(yàn)采用10 mm×55 mm×10 mm 夏比V形缺口沖擊試樣,每組3 件,按ASME BPVC.II.A-2017 SA370 進(jìn)行檢驗(yàn),試驗(yàn)溫度-20 ℃,計(jì)算3 個(gè)試樣沖擊吸收能量(沖擊功) 的平均值;對(duì)經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)的沖擊試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)。
SPWHT 在箱式電阻爐中進(jìn)行,兩種SPWHT過(guò)程保溫溫度均為620 ℃±14 ℃,溫度在425 ℃以上時(shí)的加熱和冷卻速率≤56 ℃/h,保溫時(shí)間分別為12 h 和20 h(見(jiàn)圖1)。
圖1 鋼板SPWHT 曲線
對(duì)同一試料的同一位置上切取不同尺寸的坯料按照相同的SPWHT 制度進(jìn)行熱處理,考察坯料尺寸大小對(duì)鋼板拉伸性能、沖擊性能、金相組織及晶粒度的影響(見(jiàn)表2)。
表2 鋼板T/4 處試樣檢驗(yàn)結(jié)果
可以看出,坯料尺寸對(duì)SPWHT 后屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率的影響不大;晶粒尺寸7~8 級(jí);大尺寸坯料經(jīng)SPWHT 后微觀組織為鐵素體+珠光體,碳化物由珠光體向鐵素體擴(kuò)散較為均勻,小坯料經(jīng)SPWHT 后微觀組織為鐵素體+珠光體+貝氏體,珠光體減少,部分轉(zhuǎn)變成貝氏體,有碳化物在晶界處析出(見(jiàn)圖2);沖擊韌性變化較大,所以本文對(duì)沖擊韌性進(jìn)行重點(diǎn)分析,增加鋼板T/2 處的沖擊試驗(yàn)。
圖2 不同坯料尺寸SPWHT 后的微觀組織
為了測(cè)定鋼板SPWHT 后T/2 和T/4 處的沖擊性能,筆者在SPWHT 后的180 mm×270 mm×169 mm(全厚度) 坯料的相應(yīng)位置切取加工試樣,同時(shí)在復(fù)合板相應(yīng)位置切取200 mm×20 mm×20 mm(板厚T/2 或T/4 處) 坯料進(jìn)行SPWHT 后加工試樣等兩種取樣方式,對(duì)比沖擊試驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)表3)。
通過(guò)表3 中試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可知經(jīng)過(guò)SPWHT 后小坯料T/4 處的沖擊功比大坯料降低43J,降低率30%,T/2 處的沖擊功降低64J,降低率48%,由于材料的沖擊功較為分散,數(shù)據(jù)結(jié)果體現(xiàn)總體趨勢(shì),即SPWHT 后小坯料沖擊功總體比大坯料降低,甚至?xí)霈F(xiàn)沖擊功不滿足技術(shù)要求的情況。
表3 沖擊試驗(yàn)結(jié)果
通過(guò)實(shí)驗(yàn)考察SPWHT 保溫時(shí)間對(duì)200 mm×20 mm×20 mm(板厚T/2 處) 小坯料沖擊功的影響,保溫溫度620 ℃±14 ℃,保溫時(shí)間分別為12 h 和20 h(見(jiàn)表4)。
表4 不同SPWHT 保溫時(shí)間沖擊試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比
可知保溫時(shí)間對(duì)小坯料沖擊功影響不大。
(1) 不同規(guī)格的坯料經(jīng)過(guò)SPWHT 后對(duì)爆炸復(fù)合板基層SA-516 Gr.70 鋼板的強(qiáng)度及晶粒度的影響不大。
(2) 爆炸復(fù)合板基層SA-516 Gr.70 鋼板的沖擊韌性受坯料尺寸影響較大,采用小坯料進(jìn)行SPWHT 后沖擊韌性大大降低,原因在于坯料尺寸小導(dǎo)致SPWHT 時(shí)過(guò)熱和快速冷卻,促使碳化物擴(kuò)散劇烈并在晶界處析出,晶界弱化,進(jìn)而影響沖擊韌性的檢測(cè)結(jié)果。
(3) 改變保溫時(shí)間并不能顯著改善SPWHT 后小坯料的沖擊韌性。