正交試驗對2.25Cr-1Mo鋼脆化傾向的影響因素研究*

劉德宇 方 舟

(中國特種設(shè)備檢測研究院)

在現(xiàn)代石油加工行業(yè)中，加氫工藝因為能夠提高石油加工產(chǎn)品的質(zhì)量、石油產(chǎn)品的性能和產(chǎn)品收益率而受到各國煉油工業(yè)的普遍重視，從而獲得了較快的發(fā)展。加氫反應(yīng)器是加氫工藝的關(guān)鍵設(shè)備，通常在高溫、高壓且臨氫條件下運行，工作條件惡劣，而它的穩(wěn)定運行對整個裝置的安全至關(guān)重要。

目前，熱壁加氫反應(yīng)器的主要選材是2.25Cr-1Mo鋼，國內(nèi)外的研究資料表明該種材料在長期服役后具有高溫回火脆化傾向[1]。由于加氫反應(yīng)器筒體是在一定壓力下工作的。因此，探討應(yīng)力、溫度對其脆化的影響是十分必要的，對設(shè)備的安全運行具有重要意義。

1 試驗材料及方法

試驗材料取材于鎮(zhèn)海石化運行了14年的加氫反應(yīng)器掛塊的母材(2.25Cr-1Mo鋼)部分，為了模擬該材料在未服役之前的狀態(tài)，對該材料進行了脫脆處理，處理工藝為630℃×2h，油冷，試樣尺寸為11mm×11mm×214mm。

高溫加載處理在GWT304杠桿式蠕變試驗機(圖1)上進行，設(shè)計的正交試驗條件由加氫反應(yīng)器的工作環(huán)境來確定：處理溫度分別選取427℃和468℃，應(yīng)力水平分別選取146、180、200MPa，處理時間為120h。處理后再將試樣加工成Charpy標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣，然后在-80℃時進行沖擊試驗[2]，并進行斷口纖維率的測量和斷口形貌的微觀觀察與分析。

圖1 試件在蠕變試驗機上進行高溫加載處理

2 試驗結(jié)果與討論

不同溫度和應(yīng)力處理后，試樣在-80℃的沖擊功和斷口纖維率見表1。

表1 高溫加載處理后材料在-80℃的沖擊功和斷口纖維

由表1以看出高溫加載后的材料的沖擊功變化趨勢。隨著應(yīng)力水平的增加，相同處理溫度下材料的沖擊韌性變化非常小：處理溫度為427℃的試樣隨著載荷的加大其沖擊韌性略有升高；處理溫度為468℃的試樣隨著載荷的加大其沖擊韌性略降。總體來說，試樣的沖擊韌性在各個載荷下的波動在正常的沖擊試驗誤差范圍內(nèi)，因而載荷大小對試樣的沖擊韌性影響非常小。

沖擊試樣的斷口纖維率可以從另一個角度來反映材料的沖擊韌性變化情況。高溫加載后材料的斷口纖維率變化情況從表1所列的數(shù)據(jù)也可以看出，該材料的斷口纖維率變化趨勢與其沖擊功變化趨勢完全相同，而且其斷口纖維率隨載荷的變化量非常小，認(rèn)為載荷對該材料的斷口纖維率影響不顯著。

各個狀態(tài)下的試樣沖擊斷口的宏觀形貌如圖2所示。經(jīng)過高溫應(yīng)力處理后，試樣斷口都出現(xiàn)了較大面積的脆性斷裂區(qū)，這進一步表明高溫加載會增加材料的脆化傾向。同一處理溫度下，斷口的脆性斷裂區(qū)域沒有隨著應(yīng)力發(fā)生較大改變，這表明應(yīng)力對材料的脆化程度影響不明顯。同時，可以從同等工作條件處理的試樣，即427℃、146MPa處理的試樣，脆性斷裂區(qū)域相比較而言是最小的，而處理條件為468℃、180MPa時，材料的脆性斷裂區(qū)有所增大，但是增大程度不明顯。試驗結(jié)果表明，應(yīng)力對該材料的脆化傾向無明顯影響。

圖2 試樣沖擊斷口的宏觀形貌

通過微觀形貌觀察，試樣沖擊斷口的韌性斷裂區(qū)斷裂特征為典型韌窩形貌(圖3a)，試樣沖擊斷口的脆性斷裂區(qū)的斷裂特征為穿晶斷裂(圖3b)。

圖3 試樣沖擊斷口微觀形貌

通過上述分析，可以認(rèn)為在高溫加載條件下，應(yīng)力對材料的脆化傾向無明顯的影響，這與周昌玉等[3]的研究結(jié)果是一致的。同時，由表1所列數(shù)據(jù)可以看出，在同一載荷下，處理溫度越高，材料的沖擊韌性和斷口纖維率越低，且越容易發(fā)生脆化。沖擊試樣的斷口宏觀形貌(圖2)進一步驗證了這一結(jié)果。但是，這一規(guī)律在一定的溫度范圍內(nèi)才成立，因為加氫反應(yīng)器用2.25Cr-1Mo鋼在高溫處理后發(fā)生的是第二類回火脆，根據(jù)回火脆的產(chǎn)生機制，溫度過低，或者在回火脆化溫度范圍內(nèi)停留時間太短，都不會產(chǎn)生回火脆。因此，根據(jù)試驗結(jié)果，認(rèn)為在回火脆化溫度范圍內(nèi)，材料的回火脆化程度與熱處理溫度有關(guān)，溫度越高，材料的回火脆化程度越大。

3 結(jié)論

3.1高溫加載條件下，應(yīng)力對加氫反應(yīng)器用2.25Cr-1Mo鋼的脆化傾向無明顯影響。

3.2在回火溫度范圍內(nèi)，回火溫度是影響材料回火脆化的主要因素，回火溫度越高，2.25Cr-1Mo鋼回火脆化越嚴(yán)重。

[1] Xu H, Hua L, Xia X M, et al.Experimental Study of Temper Embrittlement of Aged Specimens Removed from a Hydrogenation Reactor[J].Engineering Failure Analysis，2006，13(4): 615～623.

[2] GB/T229-1994，金屬夏比缺口沖擊試驗方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1994.

[3] 周昌玉，胡桂明，孫宇.作用應(yīng)力對2.25Cr-1Mo合金鋼回火脆性的影響[J].特殊鋼，2006，27(6)：1～3.