正交試驗(yàn)對(duì)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(cè)研究院)

在現(xiàn)代石油加工行業(yè)中，加氫工藝因?yàn)槟軌蛱岣呤图庸ぎa(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(yùn)行，工作條件惡劣，而它的穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)整個(gè)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(duì)其脆化的影響是十分必要的，對(duì)設(shè)備的安全運(yùn)行具有重要意義。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料取材于鎮(zhèn)海石化運(yùn)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(duì)該材料進(jìn)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?cè)囼?yàn)機(jī)(圖1)上進(jìn)行，設(shè)計(jì)的正交試驗(yàn)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(shí)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(shí)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)[2]，并進(jìn)行斷口纖維率的測(cè)量和斷口形貌的微觀觀察與分析。

圖1 試件在蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)上進(jìn)行高溫加載處理

2 試驗(yàn)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(shì)。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(gè)載荷下的波動(dòng)在正常的沖擊試驗(yàn)誤差范圍內(nèi)，因而載荷大小對(duì)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(gè)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(shì)與其沖擊功變化趨勢(shì)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(duì)該材料的斷口纖維率影響不顯著。

各個(gè)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(jìn)一步表明高溫加載會(huì)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(duì)材料的脆化程度影響不明顯。同時(shí)，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?xiàng)l件為468℃、180MPa時(shí)，材料的脆性斷裂區(qū)有所增大，但是增大程度不明顯。試驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)力對(duì)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(duì)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(shí)，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(jìn)一步驗(yàn)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?yàn)榧託浞磻?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(jī)制，溫度過低，或者在回火脆化溫度范圍內(nèi)停留時(shí)間太短，都不會(huì)產(chǎn)生回火脆。因此，根據(jù)試驗(yàn)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(duì)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(yàn)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(duì)2.25Cr-1Mo合金鋼回火脆性的影響[J].特殊鋼，2006，27(6)：1～3.