25Cr2MoVA和15CrMo鋼的高溫蠕變特性

喻九陽，王明伍，張紅才，鄭小濤，桑 聰

1.武漢工程大學機電工程學院，湖北 武漢 430205；2.中石化湖北化肥分公司，湖北 枝江 443200

0 引 言

某煉化廠延遲焦化裝置中高溫法蘭連接系統(tǒng)長期處在高溫高壓工況下，因材料發(fā)生蠕變，出現(xiàn)應力松弛現(xiàn)象，致使法蘭發(fā)生泄漏失效（如圖1所示）.常用于高溫螺栓法蘭連接系統(tǒng)中的螺栓材料為25Cr2MoVA鋼，15CrMo鋼也以其優(yōu)良的材料性能成為工業(yè)上重要的高溫管道及法蘭材料用鋼，兩者在蠕變載荷下的力學性能顯得尤為重要.

很多學者對15CrMo鋼和25Cr2MoVA的高溫性能進行了研究，南京工業(yè)大學沈軼［1］對25Cr2MoVA在550℃下的蠕變行為進行了部分研究.江國棟等［2］分析了汽輪機螺栓材料25Cr2Mo1V在高溫長時間工作條件下的脆化機理.楊瑞成［3］綜合研究了15CrMo鋼的蠕變強度、持久強度及其老化行為.袁超［4］、程宏輝等［5］解釋了15CrMo高溫過熱器彎管的失效機制.本文通過化學成分分析、高溫拉伸試驗、高溫蠕變實驗對兩種材料的特性進行了實驗分析，對得到的實驗數(shù)據(jù)進行了分析、擬合及討論，最終給出了材料在500℃條件下的蠕變本構方程.兩者的蠕變力學行為是保證高溫螺栓法蘭連接緊密性和高溫管道連接可靠性的基礎，具有重要的工程價值.

圖1 高溫管法蘭連接泄漏失效Fig.1 The leakage failure of pipe flange connection

1 實驗條件

1.1 化學成分分析

根據(jù)標準 GB／T3077－1999《合金結構鋼》［6］對25Cr2MoVA鋼進行化學成分分析.同時，根據(jù)GB／T9938－2006《石油裂化用無縫鋼管》［7］對15CrMo鋼的成分進行評價.表1、表2中，兩材料各元素的質量分數(shù)均在相應標準給出的標準值范圍內.兩材料化學成分分析對后續(xù)試驗結果的可靠性提供了依據(jù).

表1 25Cr2MoVA鋼的化學成分Table 1 Chemical composition of 25Cr2MoVA steel %

表2 15CrMo鋼的化學成分Table 2 Chemical composition of 15CrMo steel %

1.2 試驗設備

本實驗采用長春機械科學研究院有限公司生產的RPL50高溫電子蠕變疲勞試驗機（圖2所示）.該試驗機最大加載能力為50kN，量程為滿量程的1%～100%.在滿量程的1%～100%范圍內，測量誤差為示值的±0.5%.拉桿速度區(qū)間是0.01～50mm／min，拉桿最大行程為180mm.高溫爐溫度范圍是300℃～900℃，其測量誤差為≤（±2）℃.該試驗機功能完善，不僅具備基本的蠕變、松弛試驗功能，還能進行拉壓過零、低周疲勞試驗、蠕變疲勞等復雜的試驗.

圖2 RPL50高溫電子蠕變疲勞試驗機Fig.2 RPL50type high－temperature creep fatigue testing machine

1.3 試樣制備

根據(jù)國標 GB／T2039－2012［8］的規(guī)定和試驗機要求，采用螺紋夾持的圓棒試樣，且標距段用金相砂紙沿軸向打磨拋光.試樣尺寸和實物如圖3所示，試樣標距長度為100mm，直徑為10mm.

圖3 單軸蠕變試樣示意圖Fig.3 Sketch of the uniaxial creep specimen

2 高溫性能試驗

2.1 高溫拉伸試驗

利用RPL50高溫電子蠕變疲勞試驗機的持久試驗功能對2種材料進行高溫拉伸試驗.試驗時，預加載荷0.5kN，試驗溫度500℃，保溫時間30min，溫度波動不超過（±2）℃，采用負荷斜坡加載控制模式，加載速率12kN／min.由圖4可知25Cr2MoVA鋼在500℃下的屈服應力約為310MPa.2種材料拉伸斷裂試樣如圖5所示.由圖6可知15CrMo鋼在500℃下的屈服應力約為292MPa.25Cr2MoVA及15CrMo鋼的高溫拉伸試驗對后續(xù)兩種材料的高溫蠕變實驗的預緊、加載、分析等提供依據(jù).

圖4 500℃時25Cr2MoVA鋼的應力應變曲線Fig.4 Stress－strain curve of 25Cr2MoVA steel at 500 ℃

圖5 500℃時15CrMo鋼的拉伸試樣Fig.5 Tension specimen for 15CrMo steel at 500℃

圖6 500℃時15CrMo鋼的應力應變曲線Fig.6 Stress－strain curve of 15CrMo steel at 500 ℃

2.2 高溫蠕變試驗

螺栓材料25Cr2MoVA和法蘭材料15CrMo的高溫蠕變試驗可利用RPL50試驗機的蠕變試驗功能進行測試.試驗時預加載荷0.5kN，試驗溫度500℃，保溫時間30min，溫度波動不超過（±2）℃.25Cr2MoVA鋼的試驗載荷為300MPa，15CrMo鋼的試驗載荷設定為250MPa.采用負荷斜坡加載控制模式，加載速率12kN／min.500℃時25Cr2MoVA鋼在300MPa拉伸載荷下的靜態(tài)蠕變曲線如圖7所示，且蠕變速率隨時間的變化關系如圖8所示.500℃時15CrMo鋼在250MPa拉伸載荷下的靜態(tài)蠕變曲線如圖9所示，且蠕變速率隨時間的變化關系如圖10所示.

圖7 500℃時25Cr2MoVA鋼在300MPa拉伸載荷下的靜態(tài)蠕變曲線Fig.7 Static creep curve of 25Cr2MoVA steel corresponding to 300MPa tension load at 500℃

圖8 500℃時25Cr2MoVA鋼在300MPa拉伸載荷下的靜態(tài)蠕變速率Fig.8 Creep strain rate of 25Cr2MoVA steel corresponding to 300MPa tension load at 500℃

圖9 500℃時15CrMo鋼在250MPa拉伸載荷下的靜態(tài)蠕變曲線Fig.9 Static creep curve of 25Cr2MoVA steel corresponding to 250MPa tension load at 500℃

圖10 500℃時15CrMo鋼在300MPa拉伸載荷下的靜態(tài)蠕變速率Fig.10 Creep strain rate of 15CrMo steel corresponding to 250MPa tension load at 500℃

3 數(shù)據(jù)分析及討論

工程中的蠕變是指工作溫度高于構件熔點0.4倍時，金屬在持續(xù)應力的作用下（即使小于彈性極限），隨時間增長均會產生緩慢的塑性變形.蠕變分三個階段：瞬態(tài)階段、穩(wěn)態(tài)階段、加速蠕變階段.本文依據(jù)時間硬化理論［9］，認為蠕變率降低顯示出材料硬化的主要因素是時間.故研究在溫度一定時，在特定應力條件下，蠕變率與時間的關系，后期將研究蠕變率與時間、應力的關系.

實驗結果表明，在初始的時間段內，兩種材料試樣均處于瞬態(tài)階段，蠕變應變隨時間延長迅速增加，而蠕變速率隨時間延長而快速減小，直至蠕變速率恒定，進入穩(wěn)態(tài)蠕變階段.此后蠕變應變隨時間延長而近似線性增長，而蠕變速率隨時間基本保持在較小的穩(wěn)定值，直至加速蠕變階段.

3.1 25Cr2MoVA蠕變數(shù)據(jù)分析

500℃時25Cr2MoVA鋼在300MPa拉伸載荷下的靜態(tài)蠕變曲線如圖11所示.設備在使用的過程中主要涉及到瞬態(tài)蠕變、穩(wěn)態(tài)蠕變，不考慮加速蠕變階段的情況.觀察蠕變數(shù)據(jù)的變化趨勢，結合Akli Nechache［10］對螺栓法蘭連接中螺栓材料蠕變的研究，可將其蠕變演化方程定義為

其中，A1、A2、A3和n為蠕變材料常數(shù)，可通過擬合靜態(tài)蠕變曲線獲得，曲線擬合結果如圖11所示，蠕變參數(shù)如表3所示.

圖11 500℃時25Cr2MoVA鋼在300MPa拉伸載荷下的蠕變擬合曲線Fig.11 Creep fitting curve of 25Cr2MoVA steel corresponding to 300MPa tension load at 500℃

表3 500℃時25Cr2MoVA鋼在300MPa拉伸載荷下的蠕變參數(shù)Table 3 Creep parameters of 25Cr2MoVA steel corresponding to 300MPa tension load at 500℃

3.2 15CrMo蠕變數(shù)據(jù)分析

500℃時15CrMo鋼在250MPa拉伸載荷下的靜態(tài)蠕變曲線如圖12所示.此處只涉及蠕變的第一階段和第二階段，不考慮蠕變第三階段.觀察蠕變數(shù)據(jù)的變化，結合Akli Nechache［10］對法蘭材料蠕變的研究，將其蠕變演化方程定義為

其中，B1，B2，B3和m 為蠕變材料常數(shù)，可以通過擬合靜態(tài)蠕變曲線獲得，曲線擬合結果如圖12所示，蠕變參數(shù)如表4所示.值得注意的是，方程（2）中前兩項為瞬態(tài)蠕變項，而第三項為穩(wěn)態(tài)蠕變項.

圖12 500℃時15CrMo鋼在250MPa拉伸載荷下的蠕變擬合曲線Fig.12 Creep fitting curve of 15CrMo steel corresponding to 250MPa tension load at 500℃

表4 500℃時15CrMo鋼在250MPa拉伸載荷下的蠕變參數(shù)Table 4 Creep parameters of 15CrMo steel corresponding to 250MPa tension load at 500℃

4 總結與展望

通過實驗方法對螺栓法蘭連接系統(tǒng)中常用螺栓材料（25Cr2MoVA）和法蘭材料（15CrMo）進行了高溫拉伸試驗和高溫蠕變實驗，結合實驗數(shù)據(jù)分析兩材料的高溫特性.

a.25Cr2MoVA鋼在500℃下的屈服應力約為310MPa；15CrMo鋼在500℃下的屈服應力約為292MPa.

b.在500℃高溫300MPa拉伸載荷作用下，對25Cr2MoVA鋼高溫蠕變實驗獲得的實驗數(shù)據(jù)進行擬合推算得到其蠕變率表達式為

c.500℃高溫及250MPa拉伸載荷共同作用下，對15CrMo鋼高溫蠕變實驗獲得的實驗數(shù)據(jù)進行擬合推算得到其蠕變率表達式為

對兩種材料擬合的蠕變演化方程進行驗證，25Cr2MoVA鋼的線性回歸值與實驗值平均相對誤差為2.01%，15CrMo鋼的線性回歸值與實驗值平均相對誤差為1.35%，證明了兩材料高溫高壓條件下蠕變應變、時間二者變化規(guī)律的數(shù)學模型的可靠性，具有一定的工程應用價值.

d.依據(jù)對數(shù)據(jù)分析、擬合，研究對象作為優(yōu)質的螺栓和法蘭材料依然存在較大的蠕變損傷，這不利于法蘭連接系統(tǒng)的緊密性.后期將通過添加碟形彈簧等元件來改善法蘭連接的軸向韌性，克服蠕變松弛，并給出具體泄露控制方法.

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［2］江國棟，陳彤.25Cr2Mo1V鋼高溫下工作的脆化機理研究［J］.礦山機械，2003（7）：93－95.JIANG Guo－dong，CHEN Tong.Embrittlement mechanism of 25Cr2Mo1Vsteel under high temperature［J］.Mining and Processing Equipment.2003（7）：93－95.（in Chinese）

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［4］袁超，胡正飛，吳細毛.熱電廠15CrMo鋼管高溫蒸汽氧化腐蝕機理研究［J］.材料熱處理學報，2012（33）：90－95.YUAN Chao，HU Zheng－fei，WU Xi－mao.Investigation of high－temperature steam oxidation for 15CrMo steel tube in thermal power plant［J］.Transactions of Materials and Heat Treatment，2012（33）：90－95.（in Chinese）

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［9］聶桂平.2Cr11NiMoVNbNB鋼的高溫蠕變特性實驗研究［D］.北京：華北電力大學，2002.NIE Gui－ping.An experimental study on creep behaviors of 2Cr11NiMoVNbNB steel［D］.Beijing：North China Electric Power University，2002.（in Chinese）

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