q345r材料受火損傷后的熱暴露試驗(yàn)研究

q345r材料受火損傷后的熱暴露試驗(yàn)研究

p345r是針對(duì)壓力顯統(tǒng)的鋼板。廣泛應(yīng)用于典型工程中。它是低合金鋼和一般力學(xué)的完美結(jié)合。本研究通過(guò)在不同受火溫度、保溫時(shí)長(zhǎng)及冷卻方式條件下的熱處理來(lái)模擬Q345R鋼板受火損傷的熱暴露試驗(yàn),并經(jīng)過(guò)對(duì)經(jīng)受相應(yīng)熱處理后材料的拉伸性能、沖擊性能以及硬度、微觀組織等進(jìn)行深入研究,進(jìn)一步總結(jié)規(guī)律,以期相關(guān)研究結(jié)果可用于石化企業(yè)Q345R材料現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備災(zāi)后的損傷評(píng)定。1測(cè)試1.1材料化學(xué)成分分析Q345R鋼板規(guī)格為260mm×130mm×13mm(長(zhǎng)×寬×厚),試樣處理分為3步:加熱、保溫、冷卻。通過(guò)將材料置于馬弗爐中持續(xù)經(jīng)受加熱過(guò)程與保溫過(guò)程來(lái)模擬材料在火災(zāi)條件下的狀態(tài),進(jìn)一步依照API579《服役適應(yīng)性》將Q345R材料的熱暴露區(qū)間劃分為IV、V、VI區(qū)間,溫度區(qū)間設(shè)定為204℃～427℃、427℃～732℃及>732℃參照GB/T223《鋼鐵及合金化學(xué)分析方法》對(duì)未受火材料的化學(xué)成分進(jìn)行進(jìn)一步分析,分析結(jié)果符合GB713《鍋爐和壓力容器用鋼板》中對(duì)Q345R鋼的技術(shù)要求。分析結(jié)果見(jiàn)表1。1.2拉伸試驗(yàn)及預(yù)沖擊試驗(yàn)將經(jīng)受加熱、保溫、冷卻過(guò)程后的材料制成滿足沖擊、拉伸、硬度試驗(yàn)要求的尺寸,分別依照標(biāo)準(zhǔn)GB/T229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》、GB/T228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分:室溫試驗(yàn)方法》及GB/T231.1—2009《金屬材料布氏硬度試驗(yàn)第1部分:試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn),在受火及未受火處理?xiàng)l件下分別進(jìn)行平行測(cè)試3次。1.3微觀組織結(jié)構(gòu)的測(cè)定未受火及受火后試樣經(jīng)取樣、磨制、拋光、腐蝕等制樣后,采用金相顯微鏡MEF-3觀察其微觀組織結(jié)構(gòu),晶粒度評(píng)定依照GB/T6394—2002《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》中的相關(guān)要求。2結(jié)果和分析2.1拉伸性能的變化圖1至圖4分別為Q345R屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、斷面收縮率隨受火溫度、保溫時(shí)長(zhǎng)及冷卻方式變化的曲線。由圖1可得,受火前,Q345R的屈服強(qiáng)度為372.22MPa;受火后,不論何種冷卻方式,當(dāng)受火溫度小于649℃,Q345R的屈服強(qiáng)度隨著溫度的升高基本維持在370MPa左右;當(dāng)受火溫度為732℃～816℃,冷卻方式對(duì)屈服強(qiáng)度影響較大。在732℃下保溫60min空冷下的屈服強(qiáng)度為333MPa,與未受火狀態(tài)相比下降10%;在732℃下保溫60min水冷下的屈服強(qiáng)度為297MPa,與未受火狀態(tài)相比下降20%。模擬火災(zāi)后的屈服強(qiáng)度與室溫屈服強(qiáng)度指標(biāo)345MPa相比由圖2可得,受火前,Q345R的拉伸強(qiáng)度為542.82MPa;受火后,在空冷條件下,當(dāng)受火溫度小于649℃,Q345R的拉伸強(qiáng)度隨著溫度的升高基本維持在542MPa左右,當(dāng)受火溫度在649℃～816℃之間時(shí),隨著溫度的上升,拉伸強(qiáng)度有下降的趨勢(shì),在816℃下保溫60min時(shí),拉伸強(qiáng)度與未受火條件相比下降11%。在水冷條件下,當(dāng)受火溫度小于732℃,Q345R的拉伸強(qiáng)度隨著溫度的升高維持在542MPa左右,當(dāng)受火溫度在732℃～816℃之間時(shí),隨著溫度的上升,拉伸強(qiáng)度均有一定程度的增大。當(dāng)受火溫度為816℃時(shí),冷卻方式對(duì)抗拉強(qiáng)度影響較大。模擬火災(zāi)后的拉伸強(qiáng)度與室溫拉伸強(qiáng)度指標(biāo)510MPa～640MPa相比由圖3可知,受火前,Q345R的伸長(zhǎng)率為31.04%;受火后,在空冷條件下,Q345R的伸長(zhǎng)率隨著溫度的升高變化幅度較小,伸長(zhǎng)率均不低于21%,滿足要求由圖4可知,受火前,Q345R的斷面收縮率為73.78%;受火后,在空冷條件下,Q345R的斷面收縮率隨著溫度的上升變化幅度較小,基本維持在71%左右;在水冷條件下,當(dāng)受火溫度小于732℃時(shí),隨著溫度的上升,Q345R的斷面收縮率維持在71%左右,波動(dòng)范圍較小,當(dāng)受火溫度在732℃～816℃之間時(shí),保溫時(shí)長(zhǎng)為15min、30min,隨著溫度的上升,斷面收縮率有急劇減小的趨勢(shì),與未受火狀態(tài)相比最大降幅可達(dá)76%左右。綜上可知,732℃～816℃溫度下,冷卻方式對(duì)斷面收縮率影響較大。2.2受火溫度對(duì)沖擊功的影響圖5為Q345R沖擊功隨受火溫度、保溫時(shí)長(zhǎng)及冷卻方式變化的曲線。由圖5可知,受火前,Q345R的沖擊功為96.77J;受火后,在空冷條件下,當(dāng)受火溫度小于649℃時(shí),Q345R的沖擊功隨著溫度的升高維持在96J左右,變化幅度較小,當(dāng)受火溫度在649℃～816℃時(shí),沖擊功有增大的趨勢(shì),在816℃下保溫30min的沖擊功為227J,較未受火狀態(tài)增加134%。在水冷條件下,當(dāng)受火溫度小于593℃時(shí),沖擊功隨著溫度的升高維持在96J左右。當(dāng)受火溫度為649℃～816℃時(shí),沖擊功隨溫度的升高有大幅下降的趨勢(shì),816℃下保溫15min的沖擊功僅為6.5J,與未受火條件相比下降93%。當(dāng)受火溫度小于等于593℃時(shí),空冷狀態(tài)下的沖擊功和水冷狀態(tài)下的沖擊功相差不大。當(dāng)受火溫度為732℃、816℃時(shí),水冷狀態(tài)下的沖擊功明顯小于空冷條件下的?？绽錀l件下沖擊功均≥41J,滿足要求2.3溫度和時(shí)間對(duì)硬度的影響圖6為Q345R的布氏硬度隨受火溫度、保溫時(shí)長(zhǎng)及冷卻方式變化的曲線。由圖6可知,受火前,Q345R的硬度為153HB。受火后,在空冷狀態(tài)下,Q345R的硬度隨著溫度的上升變化幅度較小,約在140HB～155HB范圍內(nèi),在732℃下保溫60min的硬度為140HB,與未受火條件相比下降13HB。在水冷條件下,當(dāng)受火溫度小于732℃,Q345R的硬度隨著溫度的升高變化不大,約在150HB～160HB范圍內(nèi),當(dāng)受火溫度在732℃～816℃,保溫時(shí)長(zhǎng)為15min、30min、60min時(shí),硬度有急劇增大的趨勢(shì),最大值達(dá)到254HB,冷卻方式對(duì)硬度的影響非常大。當(dāng)受火溫度小于等于427℃時(shí),空冷狀態(tài)下的硬度與水冷狀態(tài)下的比較相差無(wú)幾。當(dāng)受火溫度大于等于482℃時(shí),水冷狀態(tài)下的硬度明顯大于空冷狀態(tài)下的硬度。2.4微觀組織的變化2.4.1受火后各受火冷卻方式對(duì)組織的影響保溫5min時(shí)各個(gè)受火溫度、不同冷卻方式下的金相組織結(jié)構(gòu)均為鐵素體+珠光物,且隨溫度升高無(wú)明顯變化。圖7所示為保溫60min時(shí)各個(gè)受火溫度、冷卻方式下的組織結(jié)構(gòu)。圖7(a)為Q345R材料未受火的金相組織,當(dāng)受火溫度小于等于649℃時(shí),帶狀組織特征明顯,金相組織無(wú)明顯變化,組織為鐵素體+珠光體;當(dāng)受火溫度為816℃時(shí),帶狀組織減少直至消失,整體組織結(jié)構(gòu)趨向均勻化,珠光體發(fā)生明顯分解。2.4.2晶粒度的測(cè)定保溫5min時(shí)各個(gè)溫度、冷卻方式下的晶粒結(jié)構(gòu)隨著溫度的升高,晶粒度變化較小。圖8所示為保溫時(shí)長(zhǎng)為60min時(shí)各個(gè)受火溫度、冷卻方式下的晶粒結(jié)構(gòu)。圖8(a)為未受火的晶粒度,圖8(a)～8(i)晶粒度分別為8.0級(jí)、8.0級(jí)、7.5級(jí)、7.5級(jí)、8.0級(jí)、8.5級(jí)、8.5級(jí)、7.5級(jí)、7.0級(jí)。由此可知,隨著溫度的升高,晶粒度變化較小,水冷狀態(tài)下晶粒與相應(yīng)溫度空冷狀態(tài)下的晶粒相比,大小較為不均勻。2.4.3脫碳層的變化在所有溫度參數(shù)下進(jìn)行5min的熱處理,材料均不會(huì)發(fā)生明顯脫碳現(xiàn)象。不同受火溫度、不同冷卻方式下保溫60min組織脫碳層的變化如圖9所示。由圖9可知,在所有不高于649℃溫度下進(jìn)行60min的熱處理,材料都不會(huì)發(fā)生明顯脫碳現(xiàn)象,在816℃下進(jìn)行的熱處理會(huì)使材料表面發(fā)生脫碳,脫碳層最大深度約為200μm。2.5熱處理試樣的表面測(cè)試鋼板經(jīng)過(guò)不同受火溫度和保溫時(shí)長(zhǎng)的熱處理,空冷或水冷后,鋼板表面的顏色發(fā)生變化,如圖10所示。由圖10可以看出,對(duì)于受火溫度較低的、保溫時(shí)長(zhǎng)較短的熱處理試樣的外觀與未熱處理試樣的相比無(wú)明顯變化,表面均有紅褐色氧化層;受火溫度649℃、保溫30min、水冷條件下的氧化層則完全剝落,表面出現(xiàn)黃褐色銹跡;在816℃保溫60min空冷條件下的大部分氧化層已剝落;在816℃保溫60min水冷條件下的氧化層完全剝落,表面出現(xiàn)棕色銹跡。3受火后材料的力學(xué)性能本研究通過(guò)對(duì)Q345R材料進(jìn)行不同受火溫度、保溫時(shí)長(zhǎng)和冷卻方式的熱處理來(lái)模擬受火損傷的熱暴露試驗(yàn),得出了經(jīng)歷不同熱處理后Q345R材料的力學(xué)性能和微觀組織變化規(guī)律,結(jié)論如下:(1)在20℃～816℃的范圍內(nèi),20℃～649℃時(shí),不論何種冷卻方式和受熱時(shí)間,Q345R屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、沖擊功均滿足要求。當(dāng)受火溫度為732℃、保溫時(shí)長(zhǎng)為30min和60min時(shí)不論何種冷卻方式下,均不滿足要求;當(dāng)受火溫度為816℃,保溫時(shí)長(zhǎng)為15min、30min、60min時(shí),不論哪種冷卻方式下也不滿足要求,保溫時(shí)長(zhǎng)為5min水冷條件下同樣不滿足,其余條件均滿足材料的力學(xué)性能要求。(2)在20℃～816℃的范圍內(nèi),空冷條件下,Q345R材料布氏硬度變化不大,約在140HB～155HB范圍內(nèi);在水冷條件下,當(dāng)受火溫度不高于732℃時(shí),布氏硬度隨溫度、保溫時(shí)長(zhǎng)維持在150HB～160HB范圍內(nèi),當(dāng)溫度高于732℃時(shí),硬度值明顯增加,最大達(dá)到254HB,冷卻方式對(duì)硬度值影響較大。(3)當(dāng)溫度低于649℃時(shí),材料組織為鐵素體+珠光體,組織無(wú)明顯變化;當(dāng)溫度高于649℃時(shí),金相組織明顯發(fā)生變化,珠