球形壓力容器用1mnr鋼低溫性能研究

球形壓力容器用1mnr鋼低溫性能研究

低溫壓力容器鋼板西北石油化工廠有平臺(tái)外的球形壓力容器，體積為300120m，介質(zhì)為氧、氮或液態(tài)烴。這些球形壓力容器均按常溫壓力容器設(shè)計(jì),分別采用18～44mm不同厚度的16MnR鋼板制成,已經(jīng)使用多年。該廠所在地區(qū)的冬季最低氣溫可達(dá)-40℃。根據(jù)壓力容器標(biāo)準(zhǔn),這些球形壓力容器為低溫壓力容器。根據(jù)GB150—1998《鋼制壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,低溫壓力容器用鋼需在低于或等于殼體或其受壓元件的最低設(shè)計(jì)溫度下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。按照16MnR鋼的抗拉強(qiáng)度,其在最低設(shè)計(jì)溫度夏比沖擊試驗(yàn)的沖擊功Akv應(yīng)大于等于20J?，F(xiàn)鋼廠供應(yīng)的16MnR鋼板不能保證溫度低于-20℃時(shí)Akv≥20J,只有采用低溫性能更好的16MnDR等鋼板才能保證這一要求。據(jù)此,筆者對(duì)這些球形壓力容器所使用的16MnR鋼的低溫?cái)嗔秧g性進(jìn)行了試驗(yàn)研究,以便進(jìn)一步掌握其低溫下使用的安全性,對(duì)不安全的球形壓力容器及時(shí)采取相應(yīng)的措施。壓力容器在碳錳鋼中的應(yīng)用對(duì)低溫壓力容器材料的低溫韌性有一定的要求是為了防止壓力容器發(fā)生脆性斷裂,這一要求的值通常是沖擊功。由于沖擊功試驗(yàn)是動(dòng)態(tài)試驗(yàn),夏比V形缺口沖擊試樣在試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)變速率極高,目前僅能建立鋼的斷裂韌性與Akv之間的半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,有時(shí)還會(huì)相差極大,因此,用Akv評(píng)定壓力容器或其元件的最低使用溫度會(huì)遇到問題。美國(guó)Bartlett等曾經(jīng)報(bào)道,殼牌石油公司用于-70℃管道系統(tǒng)的《1066.8mm(42英寸)管道大口徑A350LF2低溫碳錳鋼鍛造法蘭,按照美國(guó)材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)(ASTM)的標(biāo)準(zhǔn),此時(shí)要求A350LF2鍛鋼在-45.6℃時(shí)Akv≥20J,但實(shí)際上有40%的法蘭不能達(dá)到該值,有些法蘭在-40℃的Akv僅為3J。為此,該公司對(duì)大量不合格的A350LF2鍛鋼進(jìn)行了裂紋張開位移(COD)斷裂韌性測(cè)試,發(fā)現(xiàn)在-70℃的COD值達(dá)到0.02mm即能防止脆斷。因此,各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)目前都趨向于以斷裂力學(xué)試驗(yàn)研究成果與使用經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的方法,綜合考慮壓力容器的最低設(shè)計(jì)溫度、材料強(qiáng)度級(jí)別與厚度、所受應(yīng)力大小以及是否進(jìn)行熱處理等有關(guān)因素,最終確定材料在低溫下所需的抗斷裂性能,如法國(guó)CODAP壓力容器標(biāo)準(zhǔn)、現(xiàn)在正在制定的歐洲壓力容器標(biāo)準(zhǔn)、美國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)壓力容器規(guī)范(ASMEⅧ-1)及美國(guó)石油學(xué)會(huì)防止壓力容器脆斷的指導(dǎo)性文件APIRP920等。圖1是英國(guó)BS5500壓力容器標(biāo)準(zhǔn)中根據(jù)焊態(tài)寬板試驗(yàn)所得的設(shè)計(jì)曲線,將總應(yīng)變達(dá)到0.5%而缺口仍不開裂的溫度作為最低使用溫度,給出了焊態(tài)不同板厚碳錳鋼的最低使用溫度。從圖1中可以看出,在某一低溫下達(dá)到一定Akv要求的鋼板,在不同的厚度,可以有不同的使用溫度。根據(jù)以上情況,筆者測(cè)試了球形壓力容器用16MnR鋼不同溫度下的低溫沖擊韌性和斷裂韌性,并直接用相應(yīng)溫度下的斷裂韌性數(shù)據(jù)評(píng)定16MnR鋼球形壓力容器在低溫環(huán)境下的使用安全性?？煽啃栽囼?yàn)和抗衰減試驗(yàn)1.鋼板的用量在所有球形壓力容器用16MnR鋼板中,選擇-20℃時(shí)沖擊韌性較鋼板標(biāo)準(zhǔn)要求余量小的鋼板作為試驗(yàn)用鋼,即鋼板在-20℃時(shí)Akv等于20J或稍高于20J。試驗(yàn)選用了18、36和40mm厚的3種16MnR鋼板,其中18mm與36mm鋼板為交貨狀態(tài),40mm鋼板經(jīng)過焊后消除應(yīng)力熱處理。2.沖擊試驗(yàn)結(jié)果對(duì)上述3種鋼板分別在板材橫向取樣加工成沖擊試樣,在不同的低溫下測(cè)其夏比缺口沖擊功。沖擊試驗(yàn)方法按照GB/T229—94《金屬夏比缺口沖擊試驗(yàn)方法》規(guī)定,沖擊試樣為10mm×10mm×55mm標(biāo)準(zhǔn)試樣。試驗(yàn)結(jié)果見表1與圖2、圖3和圖4。從以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出,-20℃時(shí),18mm和36mm兩種板厚的16MnR鋼沖擊功略高于20J,40mm板沖擊功等于20J。-30℃時(shí),36mm和40mm板的16MnR鋼沖擊功均已低于20J。3.斷裂韌性試驗(yàn)對(duì)3種鋼板分別按標(biāo)準(zhǔn)加工成斷裂韌性試樣,在不同的低溫下同時(shí)測(cè)取斷裂韌性參量Ji(或JIC)、δ0.05(或δc)積分和COD值,試驗(yàn)按照GB2038《利用JR阻力曲線確定金屬延性斷裂韌度試驗(yàn)方法》和GB2358《裂紋張開位移試驗(yàn)方法》進(jìn)行。測(cè)試結(jié)果見表2與表3。由表2與表3可知,Ji與δ0.05隨溫度降低的變化趨勢(shì)相似。在兩種斷裂韌性測(cè)試中,18mm16MnR鋼板直到-70℃也未發(fā)生脆斷,36mm16MnR鋼板在-50℃開始發(fā)生脆斷,40mm16MnR鋼板在-60℃開始發(fā)生脆斷。由于δ0.05的測(cè)試值很小,其量級(jí)僅為10-1mm,受測(cè)量影響的誤差相對(duì)較Ji大,其隨溫度降低的變化規(guī)律性不及Ji好,因此,采用Ji對(duì)溫度作圖觀察其隨溫度降低的變化趨勢(shì)。圖2、圖3與圖4中分別表示出3種厚度16MnR鋼板Ji隨溫度的變化曲線,并與Akv隨溫度的變化曲線作比較。從圖中可以看出,由于斷裂韌性試驗(yàn)為準(zhǔn)靜態(tài)加載速率,遠(yuǎn)低于沖擊功試驗(yàn)加載的高應(yīng)變速率。雖然斷裂韌性試樣的疲勞預(yù)制裂紋的應(yīng)力集中程度高于沖擊試樣,綜合作用的結(jié)果,斷裂韌性的轉(zhuǎn)變溫度曲線比沖擊功轉(zhuǎn)變溫度曲線仍向低溫側(cè)位移了一定數(shù)值。鋼板壓力容器系統(tǒng)根據(jù)斷裂韌性測(cè)試,3種16MnR鋼板的斷裂韌性在-40℃時(shí)均較室溫?cái)嗔秧g性無明顯下降,表明采用這3種16MnR鋼板制成的球形壓力容器用于-30℃最低設(shè)計(jì)溫度時(shí),不會(huì)發(fā)生脆斷。為進(jìn)一步了解采用這3種16MnR鋼板制成的球形壓力容器在-30℃時(shí)對(duì)缺陷的容限大小,采用我國(guó)已使用的CVDA—1984《壓力容器缺陷評(píng)定規(guī)范》進(jìn)一步分析其安全性。1.缺陷評(píng)定的確定評(píng)定時(shí),選用3種鋼板中斷裂韌性相對(duì)較差的36mm的鋼板。預(yù)設(shè)此容器中有平行于焊縫方向的高12mm、長(zhǎng)240mm的裂紋狀埋藏缺陷,如此大的缺陷在無損檢驗(yàn)時(shí)應(yīng)不會(huì)漏檢。評(píng)定的溫度選擇為-30℃。參照GB150—1998《鋼制壓力容器》將球形壓力容器選用36mm16MnR鋼的最大許用應(yīng)力σm為163MPa,容器的錯(cuò)邊與角變形取標(biāo)準(zhǔn)允許的最大值,分別為3mm和5mm。球形壓力容器焊縫的拉伸性能與斷裂韌性按照與母材相當(dāng)考慮。2.應(yīng)力集中系數(shù)埋藏缺陷自身高度a=6mm,長(zhǎng)度L=2c=240mm,缺陷離表面最近距離p=6mm,首先用下式計(jì)算應(yīng)力集中系數(shù)ktkt=1+3(w+h)2tkt=1+3(w+h)2t式中h——錯(cuò)邊量,h=3mm;w——角變形,w=5mm;t——壁厚,t=36mm。計(jì)算得到由錯(cuò)邊量和角變形引起的應(yīng)力集中系數(shù)kt=1.33。屈服強(qiáng)度為σs=379MPa(36mm板-30℃實(shí)測(cè)值),考慮到埋藏缺陷平行于焊縫,得總應(yīng)力為σ1=ktσm=217MPaσ1=ktσm=217ΜΡa斷裂韌性δc=0.085mm(-30℃36mm板實(shí)測(cè)值)總應(yīng)變e=σ1/E=0.0011e=σ1/E=0.0011屈服應(yīng)變ey=σs/E=0.0019ey=σs/E=0.0019因e<ey,允許裂紋尺寸aˉaˉm采用下式計(jì)算aˉm=δc2πey(e/ey)2=21.25mmaˉm=δc2πey(e/ey)2=21.25mma/c=0.05,c為裂紋半長(zhǎng),查表得系數(shù)ψ=1.005;λ=a/(p+a)=0.5,查表得系數(shù)Ω=1.13。埋藏缺陷的等效裂紋尺寸aˉaˉ為aˉ=a(Ω/ψ)2=7.58mmaˉ=a(Ω/ψ)2=7.58mmaˉaˉ<aˉaˉm,以上埋藏缺陷是允許的。斷裂韌性相對(duì)較差的鋼板、鋼板的斷裂韌性(1)斷裂韌性的測(cè)試結(jié)果表明,3種厚度的16MnR鋼板在-30℃仍保持與室溫相當(dāng)?shù)臄嗔秧g性,36mm鋼板在-50℃時(shí)顯現(xiàn)出脆性,40mm鋼板在-60℃時(shí)才顯現(xiàn)出脆性,而18mm鋼板在-70℃尚未顯現(xiàn)出脆性。由斷裂韌性測(cè)得的韌脆轉(zhuǎn)變溫度顯著低于由夏比沖擊韌性測(cè)得的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。(2)對(duì)3