動力裝置輸運管道重復使用性能變化規律研究

汪太琨，劉 科，趙可淪，李 瑩

(1.中國船舶集團有限公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015；2.河南省水下智能裝備重點實驗室，河南 鄭州 450015；3.廣州廣電計量檢測股份有限公司，廣東 廣州 510000)

0 引 言

某動力裝置使用時，金屬殼體內部有高溫、高壓、高速工質作用。工作時間小于1 s，特別是燃氣發生器，燃氣溫度接近3 000℃、壓力最高16.5 MPa；工作完成后，海水回灌進入動力裝置內部，使受熱的殼體溫度短時間迅速下降[1-2]。根據這些工作特點可知，金屬殼體內部發射時受到拉應力，殼體內壁局部短時受熱、機械應力耦合作用，發射后局部又受到海水驟冷降溫作用。

為評估某動力裝置的金屬殼體重復使用能力，保障船舶海上航行的安全性和可靠性，盡量減少更換次數，節省人力、物力和財力。選取使用前和重復使用不同次數后的輸運管道殼體材料進行金相分析、晶粒度和力學性能等衰變規律的驗證試驗，確定金屬殼體使用前及重復使用不同次數后材料性能的變化規律，評估殼體重復使用能力。

1 金屬殼體重復使用能力研究方案

本文擬通過在使用前、首次使用后、重復使用1次后和重復使用2次后的輸運管道殼體上開展材料形貌結構、沖擊韌性和斷裂韌性等性能研究，分析殼體材料隨著使用次數增加各性能指標下降情況，研究殼體性能變化規律，同時結合某動力裝置安全系數不降低的原則，確定某動力裝置殼體的材料性能滿足其服役要求的臨界值，評價殼體重復使用能力[3-4]。進而為其重復利用或繼續服役提供理論支撐。試驗項目主要包括：

1）金相組織與晶粒形貌演變。采用定量金相學原理，由二維金相試樣顯微組織的測量和計算確定合金組織的三維空間形貌，從而建立合金成分、組織和性能間的定量關系，并與材料的機械性能建立內在聯系。通過對樣品進行金相分析來考核合金鋼試樣微觀組織結構和晶粒形貌的變化特征，以及沿殼體的徑向方向，從樣件內壁表層到外壁且距離內壁表層為1/4，1/3和1/2壁厚各層的金相組織、晶粒形貌尺寸和晶粒度的變化趨勢；

2）儀器化沖擊韌性測試。常規沖擊斷口形貌多為剪切和解理混合斷面，其評定往往帶有一定的主觀性，而沖擊韌性是材料發生脆性破壞時截面單位面積所消耗的能量，即發生脆性破壞單位截面面積所需做的功，因此，儀器化沖擊斷口韌性斷面率反映了金屬材料對外來沖擊負荷的抵抗能力。其中，通過開缺口試樣夏比沖擊測試可衡量材料抵抗三軸應力斷裂的能力，因此有必要分析斷裂位置的壓縮變形量，本試驗采用斷面相對側的膨脹量來代表壓縮變形量；夏比沖擊試樣的斷口表面常用剪切/韌性斷面率評定，剪切斷面率越高，其材料韌性越好。韌性斷面率的數值變化，利用力－位移特征曲線中面積積分獲取沖擊能量特征值，再通過經驗公式計算出相應的韌性斷面率，并進行沖擊斷口的斷裂模式分析以及側膨脹量的測試；

3）儀器化斷裂韌性測試。斷裂韌性表征材料阻止裂紋擴展的能力，也是度量材料的韌性好壞的一個定量指標。當加載速度和溫度一定的條件下，對某種材料而言它是一個常數，它和裂紋本身的大小、形狀及外加應力大小無關；它是材料固有的特性，只與材料本身、熱處理及加工工藝有關。當裂紋的尺寸一定時，材料的斷裂韌性值愈大，其裂紋失穩擴展所需的臨界應力就愈大；當給定外力時，若材料斷裂韌性值愈高，其裂紋達到失穩擴展時的臨界尺寸就愈大。斷裂韌度常用斷裂前物體吸收能量或外界對物體所作的功表示，如應力-應變曲線下的面積。韌性材料因具有較大的斷裂伸長值，所以有較大的斷裂韌性，而脆性材料一般斷裂韌性較小。盡管高壓容器用鋼已按屈服強度準則進行了高強度材料的安全結構設計，但由于其構件中某種原因或有缺陷或產生裂紋，甚至也會發生不穩定斷裂造成致命的損傷。因此，根據合金鋼構件的服役條件對高壓容器合金構件進行安全評定和耐久性評估時，合金鋼材料的延性斷裂韌度是重要的性能指標。斷裂韌度的數值變化，斷裂韌度值采用裂紋尖端張開位移（CTOD）評定技術按照標準流程測試計算，主要測試裂紋擴展量。

2 實驗驗證

2.1 取樣信息

分別選取使用前、首次使用、重復使用1次和重復使用2次的輸運管道毛坯樣品，再根據相應試驗項目的要求加工制備出標準規格的試樣。取樣方向和具體位置詳見圖1。

圖1 輸運管道處合金鋼毛坯典型取樣位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of typical sampling locations of alloy steel blanks at transportation pipelines

2.2 試驗儀器

金相顯微鏡，型號BX53M；電子天平，型號AUW320；顯微維氏硬度計，HVS-1000；擺錘沖擊試驗機，YSL37；高低溫濕熱箱，CH250C；高頻動態力學性能試驗機，MTS Landmark2。

2.3 實驗方法及步驟分析

2.3.1 金相分析

依據GB/T 13298-2015[5]中7.1～7.3節，對所有樣品進行取樣，然后在橫截面進行磨拋、微蝕，在100×和500×倍率下進行金相觀察。沿殼體的徑向方向，分別逐層表征、分析從樣品的內壁表層到外壁且距離內外壁表層為1/4，1/3和1/2厚度處的各層金相組織、晶粒形貌尺寸和晶粒度的變化趨勢。金相分析樣品切割示意圖如圖2所示，觀察位置示意圖如圖3所示。

圖2 金相分析樣品切割示意圖Fig.2 Schematic diagram of metallographic analysis sample cutting

圖3 切割面顯微組織觀察位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the observation position of the microstructure of the cut surface

依據GB/T 13298-2015中第7.4.1～7.4.2節、GB/T 10561-2005[6]中附錄A、GB/T 6394-2017[7]中第8.3節及附錄C的內容，分別對樣品進行物相組成、晶粒形貌變化趨勢的分析和平均晶粒度的測定評級，并比較分析其變化趨勢；依據GB/T 224-2008[8]中第4.2節金相法，在內表面的顯微組織圖（100×）進行脫碳層的觀察并測量脫碳層的深度。

不同狀態樣品的顯微組織如表1所示。通過組織形貌可以看出輸運管道材料12Cr1MoVG在使用前、首次使用、重復使用1次、重復使用2次后，內表面顯微組織結構為鐵素體+珠光體+回火貝氏體，隨著使用次數的增加顯微組織結構無明顯變化。

表1 顯微組織形貌（輸運管道材料12Cr1MoVG）Tab.1 Microstructure morphology (transportation pipeline material 12Cr1MoVG)

續表 1

續表 1

輸運管道材料在不同使用次數后內表面的晶粒大小對比分別如表2所示。

表2 內表面顯微組織圖500×（晶粒度）Tab.2 Microstructure of the inner surface 500× (grain size)

放大倍數500×視野內，輸運管道的晶粒度測試結果如表1所示，重復使用2次的樣品晶粒度比重復使用1次的晶粒度再次降低，并與使用前的接近。近表面層晶粒度變化趨勢表現為：隨著使用次數增加，呈晶粒粗化、晶界淡化，晶粒度逐漸降低的趨勢，并且內表面晶粒度比芯部晶粒度降低幅度更大。

表3 輸運管道（12Cr1MoVG）晶粒度檢測結果Tab.3 Grain size test results of transportation pipeline(12Cr1MoVG)

輸運管道脫碳層典型對比圖如表4所示。可知，重復使用1次后，內表面脫碳層深度比首次使用的增大了1倍左右；復使用2次后，內表面脫碳層深度與重復1使用次后相比，再次增大約0.5倍。

表4 輸運管道材料12Cr1MoVG平行樣1內表面的顯微組織對比（脫碳層）Tab.4 Comparison of the microstructure of the inner surface of the 12Cr1MoVG parallel sample 1 of the transportation pipeline material (decarburized layer)

2.3.2 沖擊韌性

依據GB/T 19 748-2005[9]對標準樣品進行沖擊韌性測試。輸運管道沖擊韌性測試結果如表5所示，沖擊曲線如圖4所示，斷口微觀形貌如圖5所示。

表5 輸運管道12Cr1MoVG的沖擊韌性檢測結果Tab.5 Test results of impact toughness of 12Cr1MoVG transportation pipeline

圖4 輸運管道沖擊曲線Fig.4 Impact curve of transportation pipeline

圖5 輸運管道樣品斷口圖Fig.5 Fracture diagram of transport pipeline sample

未使用的樣品斷裂模式為剪切斷裂，韌性斷面率為100%；而其他樣品的斷裂模式均為剪切+解理斷裂，其中重復使用1次后樣品的韌性斷面率降到了77.4%，重復使用2后樣品的韌性斷面率降到了63.5%，韌性斷面率隨著使用次數的增加逐漸降低。

2.3.3 斷裂韌性

依據GB/T 21 143-2014[10]對樣品進行斷裂韌性測試，輸運管道12Cr1MoVG的沖擊韌性測試結果如表6所示。

表6 輸運管道材料12Cr1MoVG的斷裂韌性檢測結果Tab.6 Fracture toughness test results of transportation pipeline material 12Cr1MoVG

重復使用后的輸運管道材料12Cr1MoVG的塑性分量Vp和張開位移δ的數值均低于使用前的和首次使用的測試數值；其中，重復使用1次后，塑性分量Vp數值約為使用前的79%，張開位移δ數值約為使用前的86%；重復使用2次后的塑性分量Vp數值約為使用前的73%，張開位移δ數值約為使用前的80%。

2.4 實驗結果分析

通過第2.3節的結果可分析得出輸運管道材料的金相組織、晶粒度、脫碳層深度隨使用次數的增加，性能變化不明顯。

結合使用前樣品沖擊試驗的結果發現，輸運管道材料的韌性隨著使用次數的增加逐漸降低，結合脫碳層的測試結果表明內表面脫碳深度增大可能導致鋼材料沖擊韌性變差，可見輸運管道材料在重復使用工況下存在脆性失效的風險。

輸運管道材料的強度、沖擊韌性和斷裂韌性在首次使用后均開始降低，變化規律表現為隨著重復使用次數的增加而降低。其中重復使用1次后，輸運管道材料的韌性斷面率降到了77.4%；斷裂韌性的塑性分量Vp數值約為使用前的79%，張開位移δ數值約為使用前的86%。該數值可能降低到臨界值以下。故定義臨界值如表7所示。

表7 輸運管道材料12Cr1MoVG的臨界值Tab.7 Critical value of 12Cr1MoVG for transportation pipeline material

3 結 語

本文通過對使用前和使用不同次數后的金屬殼體輸運管道材料12Cr1MoVG的金相組織、脫碳層深度和力學性能衰變規律進行比對研究，確定某動力裝置殼體的材料性能滿足其服役要求的臨界值見表4，實驗結果表明，重復使用1次后輸運管道材料的機械性能可能降低到臨界值以下，某動力裝置的安全性和可靠性將受到影響。