鍋爐壓力容器鋼板韌脆在溫度變化中的轉變

崔菁

摘 要：在實際的工業生產中，鍋爐與壓力容器的材料往往以鋼板為材料，鋼板的韌性會隨著溫度的變化而變化，溫度下降，韌性也降低，當達到臨界值后，鋼板會發生韌脆轉變現象，導致產品性能不佳的現象，鍋爐壓力容器就會達不到技術要求，為了科學判斷鍋爐壓力容器鋼板韌脆隨著溫度變化而發生的轉變，本文通過系列溫度沖擊試驗，對鋼板韌脆變化進行了測定，希望能夠對相關工作人員有所啟發。

關鍵詞：壓力容器；沖擊試驗；鋼板韌脆；溫度變化

中圖分類號：TG142 文獻標識碼：A

鍋爐壓力容器對于工業生產具有重要意義，在實際生產過程中，壓力容器通過鐵素體鋼在既定的溫度范圍內的韌脆轉變而形成，但是，其中的安全隱患也始終難以消除，對于結構完整性的維系也造成了阻礙。在既定的溫度區間內，材料的韌脆轉變與之息息相關，但是有表現出明顯的分散性，需要對其表述和數值進行嚴格確定，保證數據資料的真實性。但是，對于鋼板韌脆變化的評價和預測，一直是工程界和學術界的難題，需要通過不斷努力，攻克難題。攀登工程研究的新高峰。

一、鍋爐與鋼制壓力容器概述

在鋼制的壓力容器中，其主要的受壓元件包括殼體、封頭大口徑接管等部分，這個元件的材料多為鋼板，由鋼板加工而成，對鋼板的技術要求依照國家鋼制壓力容器的相關規定進行加工制作。而GB150是其中的一種，其設計以壓力容器延性斷裂為基礎，所以，必須要杜絕一切脆性斷裂。但是，眾所周知，壓力容器由于加工材料的限制，中低碳鋼、合金鋼等韌性材料經過冶煉、軋制和制造之后，微孔洞和微裂紋必然存在，從而形成微觀缺陷的基礎，微觀缺陷受到外力荷載作用，會不斷發展，形成宏觀裂紋，如果得不到及時處理，將直接導致壓力容器的損壞。溫度在這個過程中發揮著重要作用，在低溫條件下，壓力容器如果發生脆性斷裂，也就表明了壓力容器的工作溫度在材料脆性轉變溫度之下。

在鍋爐與壓力容器中，常溫條件下，鋼板的沖擊韌性很好，但是，一旦溫度低于某一臨界值，其沖擊韌性就會驟然下降，斷口也不再呈現出纖維狀，而是變為結晶狀，斷裂也由微孔聚集變成了穿晶解理型。隨著溫度的變化，材料的屈服強度也不斷變化，溫度降低，屈服強度升高，斷裂強度卻不會發生明顯變化，從而使材料脆化。

研究表明，材料的韌脆轉變溫度不是一成不變的，而是隨著外界條件的變化而發生變化。脆性轉變溫度會受到鋼板厚度的影響，厚度越大，脆性轉變溫度就會上升。在GB150標準中，壓力容器的工作環境溫度介于-20℃～0℃的范圍內，是不符合低溫壓力容器的標準的，沒有必要在制作過程中針對性地采用低溫用鋼。如果鋼板厚度超過某個特殊的溫度值，其脆性轉變溫度就會上升，為產品的安全運行埋下了安全隱患。

二、試驗過程

1 材料與試樣

本次試驗采用的主要材料為DIWA353 型號的鋼板，厚度為100mm，鋼板的化學成分和力學性能見表1和表2，其中，變軸直徑用d表示，試樣的厚度用a表示。

表1 DIWA353鋼板的化學成分（%）

成分 百分比 成分 百分比

C 0.149 Al 0.041

Si 0.382 Mo 0.367

Mn 1.47 Cu 0.035

P 0.012 Nb 0.011

S 0.0004 Ni 0.619

Cr 0.355 V 0.001

表2 DIWA353鋼板的力學性能

試驗 指標 結果

拉力

試驗 屈服強度

（MPa） 501

抗拉強度

（MPa） 658

延伸率（%） 26.6

彎曲

試驗 彎曲角度

（180°） d=3a合格

沖擊試驗（試驗溫度0℃） 沖擊功（J） 試樣1，199

試樣2，190

試樣3，151

350℃高溫

拉伸試驗 屈服強度

（MPa） 436

抗拉強度

（MPa） 614

在試驗過程中，在鋼板厚度的1/4處取樣，然后將樣品加工成為10mm× 10mm×55mm的V型缺口標準沖擊試樣，確保試樣的形狀和尺寸公差均能夠滿足沖擊試驗要求。在試驗中，試驗的完成，主要依靠JB30B擺錘式沖擊試驗及機。

2 試驗方法

關于韌脆轉變溫度的界定，主要是指不同溫度沖擊試驗下，沖擊吸收功急劇變化或斷口韌性極劇轉變的溫度區域。為此，在工程實踐中，韌脆轉變溫度的測定，主要依靠標準夏比V型缺口沖擊試樣來實現。在不同的溫度條件下，沖擊試驗才能獲得更加準確的結果，并建立坐標系，以試驗溫度為x軸坐標，以沖擊吸收功和脆性斷面率為y坐標，從而得到吸收功-溫度曲線，脆性斷面率-溫度曲線，并通過曲線變化，得到鋼板的韌脆轉變溫度。

根據相關標準的規定，沖擊吸收功-溫度曲線上下平臺區間50%對應的溫度，和脆性斷面率-溫度曲線中脆性斷面率50%對應的溫度即韌脆轉變溫度。脆性斷面率通過游標卡尺進行測量，獲得。

為了保證吸收功-溫度曲線，脆性斷面率-溫度曲線的繪制效果，保證曲線的完整性和明確性，試驗過程中，需要在每個溫度范圍內選取不同的3個試樣，分別進行相同的試驗，從而有效控制沖擊試驗隨機因素對試驗結果的影響，集中試驗數據。為了有效保證試驗中的沖擊功值和該溫度范圍內的韌性具有一致性，應該合理選擇試驗次數，獲得多次數據。此外，為了保證試驗的可靠性，試驗中應該合理選擇溫度間隔，充分遵照材料的低溫特性，溫度間隔確定為20℃為宜。

三、試驗結果分析

在不同的試驗溫度下，V型缺口試樣的沖擊吸收功和脆性斷面率也不斷發生變化，具體試驗結果詳見表3，通過對試驗結果的分析，可以得出：隨著試驗溫度的降低，DIWA353鋼板存在明顯的韌脆轉變現象，具體的變化詳如圖1所示。

從圖1可以看出，鋼板的沖擊吸收功Akv會隨著試驗溫度的下降而減少。但是對于鋼板而言，通過溫度的測定，能夠有效表塑性破壞與脆性破壞之間不是互通的，充分考慮到鋼板的材料因素，在試樣加工過程中，試驗加工過程以及試驗操作過程都是影響韌脆轉變的重要因素。通過試驗，韌脆轉變發生的溫度是具有固定區間的。

通過上述試驗，在鍋爐壓力容器中，DIWA353鋼板具有低溫韌脆轉變的特性，其轉變溫度需要通過一系列的溫度夏比缺口沖擊試驗來獲得。在實際生產過程中，韌脆轉變溫度充分反映了金屬材料韌脆特性受到溫度的影響程度，為此，壓力容器要想安全運行，維持低溫環境至關重要。為此，在金屬材料的選擇過程中，將韌脆轉變溫度確定為一個重要的選擇參數，具有其明確的科學依據，是判斷材料韌性的重要依據。本次試驗中，鋼板的沖擊吸收功測定過程中，其韌脆轉變溫度為-26℃，通過斷口脆性斷面率而得到的韌脆轉變溫度為-28℃，均位于鋼板的工作溫度之下，用于壓力容器，能夠保證安全性。

結語

在工業工程領域，鍋爐壓力容器有著廣泛的應用，加強對鍋爐壓力容器的深入研究具有重要的實踐意義。在實際生產過程中，壓力容器通過鐵素體鋼在既定的溫度范圍內的韌脆轉變而形成，但是，其中的安全隱患也始終難以消除，對于結構完整性的維系也造成了阻礙。通過本文的研究，保證鋼板韌脆轉變溫度不高于工作溫度，就可以大大提高鍋爐壓力容器的安全性能。

參考文獻

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