特種設備材料性能研究與評價試驗室建設與發展

徐 彤 張雪濤 桂樂樂 王漢奎 孫 超 趙 博 宋 明 翟建明

（中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

特種設備材料性能研究與評價試驗室建設與發展

徐 彤 張雪濤 桂樂樂 王漢奎 孫 超 趙 博 宋 明 翟建明

（中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

本文簡要介紹了中國特種設備檢測研究院特種設備材料性能研究與評價試驗室的建設背景，裝備和試驗情況，以及形成的研究能力。對已經完成的和正在進行的微損測試技術、材料高溫損傷評價技術、氫環境材料適用性研究、材料斷裂韌性測試和估算方法研究、材料性能數據積累和挖掘等科研工作進行了重點介紹。總結歸納了搭建科研型試驗室的經驗，并展望了今后的發展方向。

科研型試驗室 材料性能評價 數據

1 需求背景

特種設備安全是全壽命周期的管理，從本質安全到風險防控，都離不開材料性能研究與評價的支撐。設計過程，要考慮材料的強度和韌性，必要時還要考慮斷裂韌性、高溫持久蠕變、疲勞等力學性能、抗腐蝕性能以及高溫、高壓、強腐蝕、深冷等嚴苛環境的適用性、可靠性等問題；制造過程，要考慮材料的可加工性、可焊性和熱處理影響等問題；在役設備的檢驗評價、風險評估、壽命預測等要考慮材料的劣化、腐蝕等問題。長期以來，我國在特種設備材料性能研究與評價方面積累甚少，而且隨著我國經濟和國際化的發展，這種需求更加迫切，主要體現在：我國特種設備標準需要的材料數據亟待補充、材料國際化需要的性能數據亟待填補、特殊環境下的材料適用性評價和材質劣化評價的試驗研究亟待開展等方面。

1.1 標準需要的材料數據亟待補充

由于歷史原因，我國特種設備標準所列材料性能很多直接照搬國外相類似材料的性能數據，例如GB 150的外壓應力系數曲線、低溫沖擊豁免曲線以及JB 4732材料高溫性能數據等均缺乏我國材料牌號的性能數據作為支撐。特別是，當借鑒國外先進思路和技術，制修訂我國承壓設備建造標準時，最困難的不是國際領先技術的消化吸收和再創新，而是局限在缺乏相應的試驗數據支持。

眾所周知，壓力容器用碳鋼和低合金鋼的材料許用應力［σ］是根據材料力學性能進行選取，取下列各值中的最小值［1］：

式中：

Rm——材料抗拉強度下限值；

Rel——材料室溫下的下屈服強度；

確定不同材料不同溫度下的許用應力，需要有相應溫度下各個材料的力學性能數據來支撐。材料標準中的每個性能值的確定，需要不同爐批不同規格的材料數據綜合分析才能獲得。當設備的設計溫度在蠕變范圍，也就是說在時間相關的范圍內時，材料的許用應力通常并不是由材料的強度所決定，而是由持久或蠕變性能確定。但是獲得10萬小時的材料性能數據談何容易。2012年GB 2039《金屬材料 單軸拉伸蠕變試驗方法》改版，將蠕變持久試驗的數據外推方法從“一推十”改成了“一推三”，也就是說，如果要獲得耐熱高溫材料的10萬小時蠕變持久性能，僅僅做1萬小時的試驗已經遠遠不夠，必須進行3.4萬小時試驗，也就是需要4年不間斷的實驗數據。很明顯，標準中材料數據的確定，需要進行大量的試驗，而且相當耗時。

1.2 材料國際化需要的性能數據亟待填補

2013年，習近平主席提出了“一帶一路”的國家發展戰略，為我們國家工程裝備整體走出國門提供了新的機遇。承壓設備做為石化、能源的核心裝備，其設計、生產、制造的國際化需求日益強烈。采用境外材料制造承壓設備，原材料采購成本高、供貨周期長、項目風險大，極大降低了我國工業裝備的國際競爭力，采用國外材料經常是工程公司不得已而為之。另外，出口產品采用中國承壓設備材料制造的只占很小的比例，造成了我國承壓設備出口產品技術含量低、經濟附加值少。而當國內材料標準得到國際上認可后，可以使得我國標準中的材料可用于國外產品的建造，從而對于國內承壓設備相關單位提高生產水平，降低生產成本，縮短生產周期有重要的實際意義，可以提升我國承壓設備的國際化競爭力。若能正常發展，必將帶來巨大的經濟效益，促進中國材料走向世界，也促進中國承壓設備標準走向世界［2］。

標準互認，首先就是要有足夠的材料性能數據。以進入ASME鍋爐壓力容器規范為例，申請納入ASME BPVC的新材料，需要提供大量系統性數據，其中包括至少三個爐批號的化學成分、物理性能、拉伸性能、沖擊性能等。若材料用于特殊環境，如高溫、低溫或循環載荷等工況，還需要提供高溫蠕變、持久強度、疲勞強度等大量的基礎實驗數據［3］。而我們國家材料研制中基礎數據缺失、數據系統性較差，特別是缺乏長時試驗數據，極大阻礙了我國承壓設備用材料的國際化進程，亟待開展試驗研究填補急需數據。

1.3 材料適用性評價和材質劣化評價的試驗研究亟待開展

隨著經濟的迅猛發展，特種設備向高參數化大型化升級；而產業調整和新型可再生能源技術的發展，如太陽能、氫能等新能源的利用，也使得對新材料的需求也逐漸增多，高強鋼、新型耐熱鋼、雙相鋼、復合材料以及非金屬材料的需求逐漸擴大。新型材料的性能評價，特別是在特種設備行業的適用性，顯得尤為重要。同時，特種設備行業建造技術的發展，從基于強度的設計制造，提升到基于失效模式的設計、基于可靠性的制造和基于風險的檢驗［4］，使得材料數據的需求從材料拉伸強度、沖擊韌性和晶間腐蝕，擴展到材料的持久蠕變性能、疲勞性能、斷裂韌性、應力腐蝕敏感性以及組合工況下的材料性能等。材料在液氨、液氫，甚至液氦條件下的韌性和強度評價，材料在高溫、超高壓、氫氣等環境中的裂紋敏感性評價等等，都需要實驗數據的支持，需要定量的評價方法。

另外，隨著時間的推移，上世紀八、九十年代建造的石化裝置、電站鍋爐逐漸步入老年期，設備是否還合于使用？可靠性如何？剩余壽命多久？回答這些問題必須靠數據說話，因此材料性能退化狀況的測試和評價尤為重要。

在此背景下，中國特種設備檢測研究院（以下簡稱：中國特檢院）以滿足行業需求為目標，在原有材料實驗室基礎上，加大投入，致力于建設我國特種設備材料性能研究與評價試驗室，經過將近10年的投入和積累，目前已初具規模。

2 具備的設備和能力

2.1 設備購置

2007年以來，中國特檢院累計投入3500多萬元，購置了100余臺單價萬元以上的設備，包括：萬能試驗機、擺錘沖擊試驗機、疲勞試驗機、蠕變持久試驗機、金相顯微鏡、掃描電鏡、光電直讀光譜儀、碳硫儀、天平、電化學工作站等試驗設備以及金相切割機、金相拋磨機、小型磨床等試樣制備裝置。實踐中發現，購置了設備和裝備并等于具備了試驗研究能力，要想切實開展行業需要的材料性能試驗與評價研究，必需圍繞試驗研究的特殊要求，比如：溫度環境、熱處理控制、腐蝕與老化、特殊環境下的測量等，開發配套裝備，進行升級改造。

2.2 升級改造

●2.2.1 溫度環境

隨著國家的產業轉型和新能源需求，液化天然氣液化石油氣等工業氣體裝備發展加快，低溫絕熱環境下材料的強度、韌性以及材料與介質的相容性都需要進行深入分析。為了確立低溫環境下服役的壓力容器對材料強度、韌性指標的要求，需要大量的實驗數據來支持法規標準對低溫使用條件的規定。因此，對部分拉伸試驗、擺錘沖擊試驗、疲勞試驗裝置先后進行了改造，分別增加了低溫試驗環境，通過液氮噴淋技術實現溫度從室溫到-196℃的無極調溫，以便進行材料的低溫性能測試。經過改造，已能完成低溫拉伸、低溫沖擊、低溫CTOD斷裂韌性等試驗。圖1顯示了材料高低溫拉伸應力應變曲線。同時，研制了低溫金相分析試驗裝置（見圖2），觀察低溫環境下材料金相組織的變化情況［5］。

針對耐熱鋼長時數據的需求，對蠕變持久試驗機的系統調平、溫控、變形測量、數據傳輸與儲存等，也分別進行了升級改造，實現了長時高溫條件下，試驗數據的穩定性和可靠性。

（a）

圖1 （a） 30408系列低溫拉伸應力應變曲線

●2.2.2 熱處理控制

承壓設備在建造過程中，一般都不能避免焊接，消除應力的焊后熱處理的控制極為關鍵。鋼材通過調質處理，可以提高強度，但是也增加了材料焊接冷裂紋、再熱裂紋以及對腐蝕的敏感性。在此條件下，焊后熱處理工藝的控制就顯得更為重要。購置的熱處理爐雖可以設定升溫時間和目標溫度，但沒有升溫曲線，不能記錄熱處理過程的溫度變化過程；雖然有爐子的溫度，但是試樣上的溫度也沒有記錄；降溫條件也僅僅能滿足爐冷、空冷2種方式，而且降溫速度不可調，因而不能滿足科研工作的需求。通過技術改造，不僅解決了溫度記錄的問題，還增加了中央控制系統，實現了熱處理過程升溫速度可控；增加了快速循環冷卻裝置，保證冷卻溫度，改變了只能進行空冷、爐冷的狀況，可以對試件進行溫度可控的油冷、水冷等，而且空冷速度在一定程度上可控。使得熱處理研究的能力從正火、退火拓展到可淬火、可回火。

●2.2.3 腐蝕與老化

腐蝕歷來是承壓設備安全關注的焦點問題，也是影響其使用壽命的重要因素。特別是近年來由于原料的劣質化趨勢，使得部分承壓設備運行環境的苛刻性增加；而新材料的不斷發展，也對承壓設備既有的腐蝕與安全經驗構成了巨大沖擊。承壓設備的腐蝕問題，廣泛受到了企業、學界和工程界的關注。雖然購置了電化學工作站等試驗儀器，但完成腐蝕試驗還需要更多的輔助裝備。為此我們研制了適應科研需求的試樣掛架、腐蝕試樣加工裝置、腐蝕廢氣回收裝置等。另外，針對以圓管為主要產品形式的非金屬材料，發明了一種適用于管狀試樣的老化箱。現已搭建了溫度、腐蝕介質形態和介質成分可控的露點腐蝕模擬研究平臺，可利用電化學等測量手段研究介質成分對露點腐蝕反應進程的影響規律，從而研究腐蝕速率對各影響因素的敏感程度，在腐蝕試驗室模擬試驗的基礎上，為解決硫酸露點腐蝕機理、防腐、電化學測試研究等問題提供基礎。

●2.2.4 非接觸式測量

圖3 奧氏體不銹鋼焊縫應變全場測量

通常，較精細的材料單軸拉伸試驗是要在拉伸試樣的平行段放置引伸計，這樣不僅可以得到材料的屈服強度和抗拉強度，還可以得到試驗過程材料的應力-應變曲線。在高溫環境下使用高溫引伸計；低溫環境下使用低溫引伸計，而這些引伸計都是單方向，得不到試樣在其他方向的變形。非接觸式測量使得變形場和應變場的測量成為可能。現在我們擁有非接觸式視頻測量、散斑測量等，可以在高溫、低溫、腐蝕等嚴苛環境下開展材料性能試驗，這意味著當常規的接觸式變形測量方式不適用時，非接觸式測量成為必不可少的手段。圖3顯示了在室溫蠕變試驗中焊接接頭的應變場測試情況。另外，非接觸式測量還可以減少在常規測量方式中的人為誤差。圖4顯示的是我們自行研發的側向膨脹量光學投影測試平臺。該裝置正在進行再次改造，以同時用于斷面纖維率的測量。

圖4 側膨脹量光學投影自動測量

2.3 試驗能力

在設備購置和升級改造的基礎上，我們形成了如表1所列的實驗研究能力。

表1 中國特檢院材料試驗與分析能力一覽表

試驗室類型 試驗和分析項目常規力學性能、材料疲勞與斷裂、材料高溫持久蠕變性能實驗室示波沖擊試驗（-190℃~常溫）4J~600J擺錘沖擊試驗（-196℃~常溫）落錘沖擊試驗（-190℃~常溫）斷裂韌性試驗（-129℃~常溫）布氏、洛氏、維氏、邵氏硬度及顯微硬度測試高溫蠕變及持久試驗高周疲勞試驗（-180~300℃）低周疲勞試驗（-129~1300℃）步冷試驗高壓氫環境恒載荷拉伸試驗熱膨脹系數測試（室溫~1200℃）氣體滲透率測試磁性法鐵素體測量微損技術實驗室液壓鼓脹試驗小沖桿試驗微損法殘余應力測試微損取樣常規腐蝕、腐蝕模擬實驗室腐蝕電化學分析腐蝕失重晶間腐蝕點腐蝕試驗恒載荷應力腐蝕試驗慢應變速率應力腐蝕（室溫~350℃，常壓~35MPa）試驗非金屬材料失效實驗室鹽霧、濕熱、周期浸潤等環境加速腐蝕試驗氙燈老化試驗管狀試樣紫外老化試驗涂層性能表征焊接試驗室應變場測試金屬熱處理

3 試驗研究初見成效

近年來，我們發明了微試樣液壓鼓脹試驗技術［6-7］，為在役設備材料退化狀況的評估提供了新的材料性能試驗方法；開展了大量的12Cr1MoVG和P91等材料的高溫持久蠕變試驗，為材料的組織演化研究打下基礎，并為中國材料牌號國際化提供數據支持；探索氫環境下材料的適用性研究，為清潔能用儲運中的儲氫容器設計制造以及相關標準制修訂提供支持；比較和研究不同斷裂韌性試驗和估算方法，為防脆斷設計準則的制定做好數據積累；深度挖掘實驗數據，提出了步冷試驗的數據處理方法［8］；研制了石墨滲透率測試裝置，解決了我國安全技術規范對石墨有滲透率規定而國內尚無試驗標準的難題。現就我們開展的實驗研究及其成效簡單介紹如下。

3.1 微損測試技術

微損測試技術的研究目標是提出材料在嚴苛環境下劣化程度評估方法。從2008年開始，中國特檢院從小沖桿試驗入手，逐漸開展微型試樣測試技術的研究。在歸納總結研究過程中所遇到的各種問題基礎上，提出了微損測試技術這一概念，目的是說明微試樣試驗技術并不是簡單的小試樣試驗，而是匯集取樣技術、制樣方法、試驗裝置設計、試驗過程控制、以及試驗數據解讀等成套的技術。

在取樣技術方面，研制了線切割取樣機，采用銅絲作為電極，已在試驗室環境進行了取樣，取樣效率高于日本產電火花取樣裝置。

在實驗技術發展方面，我們在小沖桿試驗的研究中，通過大量的試驗研究和有限元分析計算，在研究的基礎上提出了國家標準GB/T 29459.1—2012 《在役承壓設備金屬材料小沖桿試驗方法 第1部分：總則》［9］和GB/T 29459.2—2012 《在役承壓設備金屬材料小沖桿試驗方法 第2部分：室溫下拉伸性能的試驗方法》［10］。另外，借助于小沖桿實驗研究的經驗，并參考爆破片制造的原理，發明了一套微試樣液壓鼓脹試驗裝置［6，7］（詳見圖5），用于測量材料力學性能。現階段已可以在微試樣試驗測量結果基礎上解算大部分的低碳鋼、低合金鋼、奧氏體不銹鋼等材料的屈服強度和抗拉強度，并提出了斷后伸長率的結算思路。

圖5 液壓鼓脹實驗測試系統

微損測試技術研究得到過國家863計劃、十二五科技支撐計劃、質檢公益性行業科研專項、以及中國特檢院內部科研項目的支持，并于最近獲得國家重點研發計劃項目“質量基礎NQI”的支持。

3.2 高溫損傷表征與分級

目前，我國能源結構仍以燃煤為主，2020年我國火電能源占比仍將在60%以上。當前我國在役超超臨界機組超過380臺，其建造涉及世界上幾乎全部主流的耐熱鋼。我國早期在耐熱鋼方面主要依靠進口，隨著技術進步，部分材料實現了國產化，但對這些材料的高溫蠕變性能缺乏長期積累。當國際上提出降低T/ P91許用應力的問題時，我國已經使用大量該材料建造了高參數鍋爐，卻沒有積累相應的長時數據，可這些裝置的安全運行和剩余壽命不得不進行重新的評估。因此，在役設備高溫部件的蠕變損傷、材料性能劣化研究以及開發損傷診斷與評估方法迫在眉睫。為此，我們定制了600kN材料持久試驗裝置，逐步開展耐熱鋼蠕變持久試驗，研究材料的組織演變、硬度演變與性能壽命之間關聯，并探索高溫損傷的無損探傷定量評價技術，研制高溫蠕變損傷的標準尺寸蠕變損傷分級試塊，建立以金相、硬度、無損檢測等多手段綜合的損傷定量評價與分級方法。高溫材料早期損傷的研究工作得到過中國特檢院內部科研項目的支持，并于最近獲得國家重點研發計劃項目“公共安全風險防控與應急技術裝備”的支持。

3.3 氫環境材料的適用性評價技術

近年來氫能源的利用進入了公眾視野，氫能的儲存與運輸也成為研究熱點。對不能鋪設輸氣管道的氫能運輸，一般應采用管式氣瓶拖車輸運技術，高壓儲氫氣瓶是最常用的儲氫方式之一。但是在當前儲氫氣瓶的應用現狀中，我國尚缺乏相關的氣瓶氫脆評價標準，尤其是在高壓氫環境中氣瓶用鋼的適用性評價。為此，在中國特檢院內部科研項目和國家公益性行業科研專項的支持下，我們建立了99MPa高壓氫環境的試驗研究平臺，設計了適用于應力敏感環境的恒載荷拉伸試驗加載裝置，試驗研究并評估了氣瓶和瓶式容器常用材料4130X在不同溫度、壓力下材料氫損傷敏感性，取得了一定的成果［11］，對氫氣瓶相關技術標準的制定進行了前期技術儲備。

3.4 材料斷裂韌性評價

隨著承壓設備大型化高參數化的發展，高強鋼在大型儲罐、長輸管道中的使用也越來越多。原有的僅通過材料夏比擺錘沖擊功來評估材料韌性的方法也逐漸受到質疑。沖擊功數值的大小不僅反映了材料韌性的強弱，也反映了材料強度的高低。高強度低韌性材料的沖擊功值與低強度高韌性材料的沖擊功值可能一樣。換而言之，材料的韌性不能夠僅僅由沖擊功數值大小來評價。特別是用于深冷環境的承壓設備，例如LNG儲罐、石油氣深冷分離設備等，低溫鋼的最低設計溫度的確定不得不通過基于斷裂力學理論的防脆斷方法來確定。另外，在役含缺陷承壓設備安全評定，也需要斷裂韌性的數據支撐。我們在中國特檢院內部科研項目的支持下，開展了系列沖擊試驗、落錘試驗，CTOD試驗以及單溫度法和多溫度法Master Curve分析等，比較了ASME，API以及BS等規范和標準中斷裂韌性估算公式的異同［12］，積累了一定量的斷裂韌性數據。本研究最近也獲得了國家重點研發計劃項目“公共安全風險防控與應急技術裝備”的支持。

3.5 室溫應變強化材料性能評價

早在1959年，瑞典Avesta Sheffeld公司成功研制了室溫應變強化壓力容器［13］，而所獲得的室溫應變強化技術分別在1999和2002年納入澳大利亞和歐盟標準［14-16］。雖然我國在室溫應變強化技術方面已經在跟隨國外發展步伐，但如何評價應變強化的效果以及應用該技術后材料韌性變化狀況仍不明確，需要通過試驗研究加以解決。為了在GB/T 18442.7《固定式真空絕熱深冷壓力容器 第7部分：內容器應變強化技術規定》的編制中明確材料性能的試驗方法和合格指標，我們針對奧氏體不銹鋼S30408進行了大量試驗研究，包括353組預拉伸、178組常溫拉伸、384組低溫拉伸、55組彎曲和960組常溫和低溫沖擊試驗，同時采用實驗室試驗和有限元仿真相結合的方法，模擬和研究應變強化過程的變形量和強化時間的影響因素；通過保載試驗，驗證了室溫蠕變的存在現象，又通過有限元仿真計算，得到了材料室溫應變強化的變形估算方法；并最終以試驗數據為基礎，確定了材料性能的合格指標，并起草了該標準的附錄C：試驗規則。

3.6 材料性能數據積累

開展多項力學性能試驗，進行了Q370R、S31608和S31603等牌號共計62組試驗常溫和高溫拉伸試驗，為壓力容器外壓曲線的確定提供數據支持；開展了233組高溫拉伸試驗、43組沖擊試驗，以及相應的硬度和化學成分等測試，為分析設計標準性能數據的工程化提供了數據支持；通過傳統系列沖擊試驗、CTOD斷裂韌性試驗、低溫拉伸、落錘試驗以及Master curve等方法，為我國標準GB 150低溫沖擊豁免曲線的確定提供了數據支持［13］。

在進行各類材料系列沖擊試驗和步冷試驗的基礎上，通過分析大量的國內外CrMo鋼步冷試驗數據，提出了采用Burr函數，確定加權函數權值選取辦法，為統一系列低溫沖擊試驗數據和步冷試驗數據分析方法奠定了基礎［8］。

新近頒布實施的“大容規”中對石墨材料增加了滲透率的規定，但國內尚無石墨滲透率試驗的相關標準。因此，在參考ASME以及ASTM相關標準的基礎上，研制了石墨滲透率測試裝置，經過大量試驗，使用運轉良好。該套裝置和試驗技術已準備轉讓給地方特檢院以解決行業燃眉之急。同時，在測試過程中，我們發現了ASME相應試驗方法標準中的錯誤，并已向相應的ASME規范委員會提交了修改建議。

4 科研型試驗室已見雛形

4.1 團隊情況

特種設備材料性能研究與評價試驗室現有專業人員17人，包括6名博士，形成了材料、力學、腐蝕、機械、焊接、計算機等專業領域互相交叉，相互支持的技術特點。近3年在國內外期刊、會議上發表論文40余篇，申請16項發明專利（詳見表2）和28項實用新型專利，其中已獲發明專利授權3項，實用新型專利授權20項。

表2 2014～2016年申請的發明專利一覽表

序號 名稱 申請號/專利號14 一種適用于腐蝕試驗試樣的磨樣機 201510514570.7 15 一種微型試樣及一種液壓鼓脹試驗方法 201610284659.3 16 一種脆性材料拉伸試驗夾具 201610204300.0

4.2 國際合作平臺

ASME美國機械工程師學會鍋爐壓力容器規范第II卷（材料卷）中國國際工作組（ASME BPV-II CIWG）成立于2012年12月，秘書處設立在本實驗室。該工作組現有成員26名，宗旨是成為一個由中國承壓設備行業廣泛參與的開放式平臺，直接參與ASME規范標準建設活動，向中美標準化委員會提出材料標準的建議和提案，促進中美雙方的材料標準互認，該工作組成員來自工程公司、鋼材制造企業、承壓設備設計單位和制造企業、標準制修訂機構、安全監察機構及大專院校等20余家單位。三年半以來，工作組召開了9次會議，向ASME BPVC標準委員會提交了多項議案，包括12Cr1MoVG進入ASME規范案例申請等，并促成了SA 516 Gr.70等3個ASME材料牌號進入GB 150。從實質上推進了中美材料標準的互認。

2016年7月成立美國防腐蝕工程師協會亞太遠東區域中國承壓設備技術顧問委員會（NACE STAG Pressure Equipment Industries—China for the East Asia Pacifc Rim （EAPR） Area），秘書處設立在本實驗室。該委員會共有成員14名，致力于加強承壓設備行業的腐蝕信息匯集和交流，提高對承壓設備行業整體的安全認識，制定國際標準、行業標準和試驗方法，以解決行業關注的熱點問題，普及行業內有關材料和腐蝕問題的工程解決方案，建立具有腐蝕相關檢驗技術能力的區域性行業資質體系，并鼓勵行業內前沿性的防腐蝕方法的實施。

5 發展方向

5.1 近期工作計劃

本實驗室的主要研究方向是材料適用性可靠性評價、微損測試技術、腐蝕與老化模擬與評價、焊接工藝評價和熱處理研究。近期工作重點包括：圍繞十三五科研項目，開展材料高溫損傷早期診斷技術的研究以及防低溫脆斷的斷裂韌性研究，同時繼續氫能儲運技術相關研究，并逐步拓展嚴苛環境下組合載荷的交互作用的研究；解決微損測試技術中試樣加工對手工操作的依賴；研制具備環境場的液壓鼓脹試驗裝置；解決基于液壓鼓脹試驗方法的材料斷后伸長率、沖擊韌性、斷裂韌性測試技術；研發效率更高的取樣裝置；爭取在露點腐蝕研究方面取得突破；以大型球罐焊后熱處理問題為切入點，從現場焊后熱處理的溫度范圍、升溫速度，保溫時間的選擇等方面研究大型厚壁球罐裂紋產生的根本原因，優化相應的焊接工藝以及焊后熱處理工藝的技術要求。

進一步推進中國材料牌號國際化的工作。將已列入ASME鍋爐壓力容器規范的鋼板材料所配套的鋼管、鍛件、棒材材料標準推薦到ASME規范中使用，以便于承壓設備制造企業能夠在設計和建造中真正采用這些材料牌號。按照國際標準的規則和要求積累系統成套的材料化學成分、物理性能、拉伸性能、沖擊性能、金相組織、高溫蠕變、持久強度、疲勞強度等，以及抗腐蝕性、加工性、焊接性等性能數據，爭取將更多的中國材料牌號推薦到ASME、ISO等國際廣泛采用的技術規范和標準中，為中國標準與國際標準的互認鋪路。

在整理匯總材料試驗室完成的各類試驗的數據的同時，收集材料生產企業和承壓設備制造單位技術評審和復驗等的數據，以及國內外高校、研究機構和協會學會組織公布的各種材料數據。在現有的36個牌號10700爐化學成分、35個牌號42500組拉伸數據、13個牌號41300組沖擊功數據的基礎上，繼續擴充“承壓設備常用材料數據庫”的數據量；并充分利用數據統計方法分析我國常用特種設備材料質量狀況；通過挖掘數據研究材料性能規律關系，為我國標準和規范的制修訂提供技術支持。

5.2 國內外合作

立足于中國特檢院的公益性服務性事業，試驗室向社會開放，充分發揮“承壓設備材料實驗室聯盟”的作用，以科研項目為紐帶，積極組織聯盟成員單位的合作，包括與合肥通用院、北航等國內機構和高校以及BASF等境外企業開展失效分析合作，并對材料在高壓、強腐蝕、氫損傷等條件下材料的劣化狀況進行研究分析；與上海成套院、寶山鋼鐵股份以及上海鍋爐廠等開展材料高溫損傷的試驗工作，爭取實現高溫持久、蠕變、蒸汽氧化等數據的共享，積累試驗經驗并發展新的分析方法；與鋼研總院開展材料性能評價和材料試驗方法研究方面的合作，爭取在評價方法和試驗方法上有新的突破；與哈焊所建立焊接接頭評定的合作，細化承壓部件焊接接頭性能合格指標要求等。

借助ASME中國國際工作組與NACE中國承壓設備技術顧問委員會的平臺，與國際著名專家學者近距離周期性開展技術研討；開展同國外一流大學、國際知名研究機構和企業合作研究；選派實驗室骨干國內外進修交流，拓展視野提高研究技能；搭建中外聯合試驗室，提高實驗室建設水平和提升人員的科研水平。

5.3 擬增加的能力

●5.3.1 搭建焊接研究平臺

焊接是承壓類特種設備最重要、最基礎、最普遍的制造工藝之一，材料可焊性評價的重要性不言而喻。只有深入了解焊接工藝、焊接工藝評定、焊后熱處理等規范標準要求的內容，通過實驗室模擬等手段，深入研究不同焊接工藝和熱處理控制工藝對各類材料的影響規律和特征，建立典型焊接結構制造和高溫服役下焊接接頭性能評價方法和殘余應力評測方法，探索焊接工藝和焊后熱處理工藝對性能的關聯規律，從而判斷材料的適用性以及評價焊后熱處理效果。因此，我們將搭建焊接研究平臺列為本實驗室今后優先增加的能力，并擬與哈焊所建立聯合實驗室，同時歡迎業內同行加入。

●5.3.2 提升高溫、深冷試驗能力

為了定量表征高溫設備的蠕變損傷，需要在實驗室環境中模擬高溫蠕變損傷，而即使是加速試驗，通常每一次試驗都需要一年甚至更長的時間，因此，僅有1臺大噸位高溫持久裝置還不夠，需要增加臺數，以滿足不同鋼種、母材和焊接接頭等的試驗需求。

隨著新型耐熱鋼的發展，鍋爐用材可用性評價中不能避免蒸汽氧化狀況的評價。搭建蒸汽氧化評價試驗平臺，研究耐熱鋼的蒸汽氧化膜的形成機理，蒸汽氧化動力學行為，為建立耐熱鋼抗蒸汽氧化腐蝕性能評價方法及建立基于高溫蒸汽氧化腐蝕的選材準則提供技術條件；同時，為我國的鍋爐設計標準中明確提出材料蒸汽氧化的容限值做好數據支持。

在深冷方面，需建立液氫H2（沸點-252.7℃，冰點-259.1℃），液氧O2（沸點-182.96℃冰點-218.8℃）環境下的試驗平臺，研究液氫等低溫液體儲運裝備的結構設計和加工工藝對金屬和非金屬內膽以及非金屬復合材料纏繞層的技術需求，研究深冷用材料的本構關系、韌性特征以及腐蝕和老化特征等，為深冷承壓裝備的應用做好技術儲備。

●5.3.3 搭建組合工況研究平臺

熱壁加氫反應器內表面堆焊不銹鋼層在高溫、高壓條件下與H2S直接接觸。硫化氫對不銹鋼的腐蝕隨溫度的升高而惡化，而且當有氫共同存在時腐蝕更為嚴重。研究組合工況下，鉻鉬鋼母材和焊接接頭的適用性是個極具挑戰性的課題。搭建高溫高壓環境下，氫氣硫化氫混合條件下的研究平臺將是先決條件。

新型耐熱鋼及其焊接接頭在高溫循環載荷作用下的疲勞蠕變損傷特征，一直是電力行業的研究熱點。特別是異種鋼焊接接頭高溫長時性能的研究以及蠕變損傷分級評價，由于試驗時間長，數據分散度大，仍然沒有很好的進展。只有搭建起疲勞蠕變交互作用研究平臺，系統積累材料數據，并開展深度數據挖掘工作，從機理上解釋疲勞蠕變交互作用下的統治機制，為更高參數鍋爐的設計提供可靠分析方法和試驗數據，為高溫循環載荷承壓設備長時間使用提供可靠的剩余壽命估算技術。

纖維纏繞瓶式容器以其重量輕而受到蓬勃發展的氣體裝備行業重視。纖維纏繞瓶式容器以內膽和纏繞層組成，國內的產品內膽以金屬為主，主要是起到氣密的作用，并要耐蝕、高強度、高韌度；而纏繞層則是纖維和樹脂所構成的復合材料，是復合瓶式容器的主要承載體。過去我們對金屬材料的研究很多，但復合材料在承壓設備中的適用性并未進行廣泛的鉆研，例如雙相拉伸和扭轉等載荷下的本構關系，以及在疲勞載荷下的響應等。搭建雙向拉伸、扭轉等復合材料研究平臺不僅可以研究復合材料的本構關系，還可以進行雙相拉伸、扭轉、疲勞等條件材料損傷的無損檢測等級劃分方法研究，也將對在役設備檢驗起到很重要的作用。

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Establishment and Development of Special Equipment Laboratory on Research and Evaluation of Material Properties

Xu Tong Zhang Xuetao Gui Lele Wang Hankui Sun Chao Zhao Bo Song Ming Zhai Jianming
（ China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029）

In this paper， construction background， facilities and test capacities， as well as the formation of research ability of laboratories on special equipment material research and evaluation of CSEI were briefy introduced， especially focus on completed and ongoing studies， such as mini-invasive testing technology， high temperature damage evaluation technology， hydrogen environment suitability analysis， material fracture toughness testing and estimation method， and material performance data accumulation and mining. Experience on establishment of scientifc research laboratories was summarized， and development prospects in the future are also pointed out.

Scientifc laboratory Material property evaluation Data

X924

B

1673-257X（2016）10-0069-10

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.10.018

徐彤（1967～），女，碩士，副主任，從事材料性能評價，微損測試技術和材料適用性分析等工作。

2016-10-11）