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評定壓力容器或其元件的最低使用溫度會(huì)遇到問題。美國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)、美國機(jī)械工程學(xué)會(huì)壓力容器規(guī)范(ASMEⅧ-1)及美國石油學(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)評定16MnR鋼球形壓力容器在低溫環(huán)境下的使用安全性。可靠性試驗(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相似。在兩種斷裂韌性測試中,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的測試值很小,其量級僅為10-1mm,受測量影響的誤差相對較Ji大,其隨溫度降低的變化規(guī)律性不及Ji好,因此,采用Ji對溫度作圖觀察其隨溫度降低的變化趨勢。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)對缺陷的容限大小,采用我國已使用的CVDA—1984《壓力容器缺陷評定規(guī)范》進(jìn)一步分析其安全性。1.缺陷評定的確定評定時(shí),選用3種鋼板中斷裂韌性相對較差的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,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。斷裂韌性相對較差的鋼板、鋼板的斷裂韌性(1)斷裂韌性的測試結(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。由斷裂韌性測得的韌脆轉(zhuǎn)變溫度顯著低于由夏比沖擊韌性測得的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。(2)對3