2.25Cr-1Mo-0.25V 鋼鍛件高溫持久試驗

◎唐計龍 孫丹丹 劉明亮

加氫反應器是石油煉化裝置關鍵設備之一，長期在高溫、高壓及臨氫的環境下運行。目前，國內加工的原油劣質化越發嚴重，渣油加氫裝置大量新建，渣油加氫反應器日趨大型化，導致反應器的壁厚增加，重量增大，這給加氫反應器的制造及運輸均帶來了較大的挑戰。通過提高2.25Cr-1Mo-0.25V 鋼的許用應力進而實現加氫反應器的輕量化設計成了行業發展的必然趨勢。

GB 150.2-2011 《壓 力 容 器 第 2 部 分： 材 料》將2.25Cr-1Mo-0.25V 鋼鍛件納入標準內并將鋼號確定為12Cr2Mo1V，其在454℃時的許用應力為188.2Mpa。根據標準規定，該材料在設計溫度≥450℃時許用應力取下列各值中的最小值：（Rm/2.7、ReL/1.5、RteL/1.5、RtD/1.5、Rtn/1.0）。根據TSG 21-2016 規定，碳素鋼和低合金鋼設計溫度下持久強度極限值RtD的安全系數取值1.5 時是指材料105h 持久強度極限值。

由于國內尚無2.25Cr-1Mo-0.25V 鋼在454℃下10 萬小時的蠕變極限強度和持久強度數據，設計在選用該材料在454℃下的許用應力時為保證安全往往低于標準規定，因此，本文針對中國一重自主開發的2.25Cr-1Mo-0.25V 鋼筒體鍛件開展高溫持久試驗，外推該材料在105 小時454℃下的持久強度，為加氫反應器輕量化設計提供材料基礎性能數據。

一、2.25Cr-1Mo-0.25V 鋼鍛件常規性能檢測

高溫持久試驗用料在內直徑為5613mm，壁厚為320mm 的加氫反應器筒節一端切取。該筒節采用實芯鋼錠鍛造，鋼錠采用電爐粗煉鋼水，精煉爐采用真空碳脫氧工藝精煉（LVCD），澆注采用真空碳脫氧鑄錠（VCD）。鋼錠在15000 噸鍛造水壓機上完成筒坯預鍛造及鍛造擴孔后在筒節成形機上對鍛坯內外圓表面進行熱精整，得到壁厚均勻、圓度好的筒節鍛件，其主截面的鍛造比≥3。5，隨后筒節鍛件采用噴淋裝置進行正火（加速冷卻）處理，正火溫度為920～960℃，在電爐內進行回火處理。

?

筒節鍛件T/2 處的金相組織為100%貝氏體回火組織，按照GB/T6394 測定的晶粒度為6.5 級，按GB/T10561 法測定的A、B、C、D、Ds 類夾雜物等級如表2 所示：

?

筒節鍛件T/2 處切向及縱向常溫及高溫力學性能表3 所示：

?

二、2.25Cr-1Mo-0.25V 鋼鍛件高溫持久試驗

2.25Cr-1Mo-0.25V 鋼鍛件高溫持久試驗按照ASTM E139《Standard Test Methods for Conducting Creep，Creep-Rupture，and Stress-Rupture Tests of Metallic Materials》選擇采用回火參數當量法進行加速外推試驗，試驗設備采用RDL100 型高溫電子蠕變持久試驗機，準確度等級0.5 級，最大載荷100KN，計算機采集數據。

高溫持久試驗試樣取樣位置為T/2，試驗取樣方向為切向，試樣進行Min。PWHT（熱處理工藝規范：700±5℃×8h），試驗選擇8 個試驗條件，試驗條件及測試結果如表4 所示。

?

三、高溫持久強度試驗外推

理想情況下，應力σ 和TTP 參數之間的主曲線為線性關系，但實際上主曲線很可能不是一條直線，而是一條曲線。因此，當基于試驗數據擬合主曲線時，可表示為多項式：

式中：σ--施加應力（MPa）；

a、b、c、…--擬合系數；

P 為Larson-Miller 參數。

根據ASTM E139，Larson-Miller 參數P 計算公式如下：

式中：T-- 華氏溫度（表示為 ℉）；

t--斷裂時間（表示為h）。

采用表4 的試驗數據，利用ORIGIN 軟件進行數據擬合（擬合曲線如圖1 所示）得出：σ=1743.06-54.166P+0.30546P2，擬合方程的決定系數COD 為0.9966，說明擬合曲線與數據之間有良好的相關性。

454℃下10 萬小時的Larson-Miller 參數P=32.73，將參數P 代入上述擬合公式，得出2.25Cr-1Mo-0.25V 鍛件454℃下的10 萬小時持久強度為297.4Mpa。

四、結論

中國一重自主研發的2.25Cr-1Mo-0.25V 鋼鍛件按照ASTM E139 標準中的回火參數當量法外推其在454℃下10 萬小時的持久強度為297.4Mpa。該數據可作為設計選用該材料進行加氫反應器輕量化設計的參考數據。

圖1Larson-Miller 參數-應力曲線