20鋼凍結(jié)管低溫性能試驗分析

20鋼凍結(jié)管低溫性能試驗分析

sdo主要用于特殊的人工鉆探技術(shù)。sdo技術(shù)可以在開挖的井筒周圍形成一定厚度和強度的保護結(jié)構(gòu)，以確保井筒壁的穩(wěn)定性和安全性，防止周圍地下水進入井筒。凍結(jié)管的質(zhì)量是保證工程順利進行的關(guān)鍵,凍結(jié)管一旦失效將造成鹽水大量流失,同時由于鹽水大量滲入凍結(jié)壁使凍土融化,降低了凍結(jié)壁強度,增加了施工難度。一般煤礦的井深約400m,近期某煤礦預(yù)開采礦井的沖積層深度達到700~900m;因此,工況更復(fù)雜,所使用的冷卻液溫度更低。長期以來,20鋼凍結(jié)管按照GB/T8163—2008《輸送流體用無縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行,但隨著凍結(jié)管工作環(huán)境越來越復(fù)雜,煤礦企業(yè)對按照GB/T8163—2008標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行的20鋼鋼管是否還能滿足其使用要求提出疑問。據(jù)有關(guān)資料介紹,凍結(jié)管長期在低溫下工作,其斷裂具有以下特點:(1)受沖積層地壓作用,斷裂大多發(fā)生在井筒深度大于150m的深厚層黏土層中;(2)沖積層斷管多數(shù)發(fā)生在凍結(jié)壁出現(xiàn)較大位移之后,基巖中斷管主要是由爆破所致。從使用特點來看,凍結(jié)管是工程結(jié)構(gòu)用鋼,主要承受各種載荷,需要有較高的屈服強度、良好的塑性和韌性。鑒于20鋼凍結(jié)管的使用要求,本文以20鋼為研究對象,通過實驗室正火熱處理,研究不同熱處理條件對20鋼低溫沖擊韌性和韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響,以確定最佳正火溫度。選擇對凍結(jié)管的韌性進行評價,是因為韌性是衡量材料對缺口敏感性的力學(xué)性能指標(biāo),尤其能反映材料在低溫或有沖擊載荷作用時對缺口的敏感性,是材料強度和塑性的綜合反映,強度高且塑性好的材料其韌性也好。1其他常用低溫用不銹鋼鋼管見圖2目前國內(nèi)低溫用碳鋼和合金鋼無縫鋼管(按石化設(shè)備低溫用鋼分類)所采用的標(biāo)準(zhǔn)有:GB5310—2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》、GB6479—2000《高壓化肥設(shè)備用無縫鋼管》、GB/T8163—2008、GB150—1998《鋼制壓力容器》附錄A中A3條款、GB/T13269—1991《大氣試驗粉塵標(biāo)準(zhǔn)樣品煤飛塵》、GB/T14976—2002《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》、ASMESA333/SA333M—2010《低溫作業(yè)用無縫和焊接鋼管》和ASMESA334/SA334M—2001《低溫作業(yè)用無縫焊接碳素合金鋼管用規(guī)范》(與ASTM完全等同);另外管道行業(yè)也采用GB/T18984—2003《低溫管道用無縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)。在這些標(biāo)準(zhǔn)中,僅GB/T18984—2003、ASMESA333/SA333M—2010和ASMESA334/SA334M—2001是低溫用無縫鋼管專用標(biāo)準(zhǔn)。凍結(jié)管的傳統(tǒng)牌號為20鋼,如GB5310—2008中的20G、GB6479—2000中的20鋼,都明確規(guī)定20鋼允許用于低溫環(huán)境。由于20鋼的化學(xué)成分符合ASMESA333/SA333M—2010標(biāo)準(zhǔn)中1級鋼的規(guī)定,且標(biāo)準(zhǔn)要求1級鋼的交貨狀態(tài)為正火狀態(tài);因此,本文以ASMESA333/SA333M—2010標(biāo)準(zhǔn)中1級鋼的要求為參考,檢驗熱軋態(tài)及不同正火狀態(tài)下Φ159mm×8mm規(guī)格20鋼樣管的拉伸性能和低溫沖擊韌性,為現(xiàn)場生產(chǎn)提供依據(jù)。2試驗工藝及設(shè)備取Φ159mm×8mm規(guī)格20鋼鋼管作為試驗材料,其化學(xué)成分見表1。從表1可以看出:20鋼的化學(xué)成分符合GB/T699—1999《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)要求。分別對Φ159mm×8mm規(guī)格20鋼鋼管的試樣進行不同的正火工藝熱處理,采用箱式電阻爐,型號為YFX96/12G-YC,試驗爐溫度控制精度為±10℃。其中1號試樣為熱軋態(tài),2號試樣910℃正火保溫30min,3號試樣880℃正火保溫30min,4號試樣860℃正火保溫30min。拉伸試驗設(shè)備為Z600電子拉伸材料試驗機,沖擊試驗設(shè)備為ZBC2602全自動沖擊試驗機,金相組織腐蝕劑為4%硝酸酒精溶液。3試驗結(jié)果與分析3.1不同性能20鋼鋼管沖擊試驗不同狀態(tài)20鋼的力學(xué)性能見表2。從表2可以看出:910℃正火后試樣拉伸性能偏低,未達到GB/T8163—2008標(biāo)準(zhǔn)要求;880℃正火和860℃正火后試樣拉伸性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。對不同狀態(tài)下的Φ159mm×8mm規(guī)格20鋼鋼管進行沖擊試驗,試樣尺寸為10mm×5mm×55mm。根據(jù)現(xiàn)在國際工程界公認的方法,以夏比V型缺口沖擊功AkV為21J(試樣尺寸為10mm×10mm×55mm)所對應(yīng)的溫度作為低碳鋼和碳錳鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。由ASMESA333/SA333M—2010標(biāo)準(zhǔn)可知,與10mm×5mm×55mm試樣尺寸對應(yīng)的沖擊功應(yīng)大于9J。不同狀態(tài)下20鋼的沖擊試驗結(jié)果見表3。從表3可以看出:熱軋態(tài)20鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-10℃,經(jīng)過910℃、880℃、860℃正火后,韌脆轉(zhuǎn)變溫度分別為-30℃、-40℃、-40℃,而880℃和860℃正火保溫30min后試樣的韌脆轉(zhuǎn)變溫度達到-40℃。3.2各因素的反應(yīng)曲線根據(jù)1~4號試樣的低溫沖擊試驗數(shù)值,采用Origin軟件擬合不同狀態(tài)下20鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度曲線,Origin擬合曲線如圖1所示。Origin軟件分析讀出熱軋態(tài)20鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-5.9℃;經(jīng)過910℃、880℃、860℃正火后,20鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度分別為-24℃、-34℃、-24℃。由上述分析可以看出:經(jīng)過正火處理,20鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度下降到-30~-20℃。3.3組織晶粒度對1~4號試樣的晶粒度進行評級。圖2為不同狀態(tài)下20鋼的金相組織。熱軋態(tài)20鋼的組織晶粒度為8.5級;經(jīng)過910℃、880℃、860℃正火后,20鋼的晶粒度分別為6.5級、8.0級、8.5級。由此可以看出:雖然20鋼正火處理后的組織晶粒度比熱軋態(tài)的粗大,但正火處理后20鋼的低溫沖擊性能大幅度提高。4鋼的正熱處理正火熱處理可以改善20鋼的低溫沖擊韌性,降低其韌脆轉(zhuǎn)變溫度;選取860~880℃為20鋼