2.25Cr-1Mo-0.25V 鋼鍛件高溫持久試驗(yàn)

◎唐計(jì)龍 孫丹丹 劉明亮

加氫反應(yīng)器是石油煉化裝置關(guān)鍵設(shè)備之一，長期在高溫、高壓及臨氫的環(huán)境下運(yùn)行。目前，國內(nèi)加工的原油劣質(zhì)化越發(fā)嚴(yán)重，渣油加氫裝置大量新建，渣油加氫反應(yīng)器日趨大型化，導(dǎo)致反應(yīng)器的壁厚增加，重量增大，這給加氫反應(yīng)器的制造及運(yùn)輸均帶來了較大的挑戰(zhàn)。通過提高2.25Cr-1Mo-0.25V 鋼的許用應(yīng)力進(jìn)而實(shí)現(xiàn)加氫反應(yīng)器的輕量化設(shè)計(jì)成了行業(yè)發(fā)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(biāo)準(zhǔn)內(nèi)并將鋼號(hào)確定為12Cr2Mo1V，其在454℃時(shí)的許用應(yīng)力為188.2Mpa。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，該材料在設(shè)計(jì)溫度≥450℃時(shí)許用應(yīng)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(jù)TSG 21-2016 規(guī)定，碳素鋼和低合金鋼設(shè)計(jì)溫度下持久強(qiáng)度極限值RtD的安全系數(shù)取值1.5 時(shí)是指材料105h 持久強(qiáng)度極限值。

由于國內(nèi)尚無2.25Cr-1Mo-0.25V 鋼在454℃下10 萬小時(shí)的蠕變極限強(qiáng)度和持久強(qiáng)度數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)在選用該材料在454℃下的許用應(yīng)力時(shí)為保證安全往往低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，因此，本文針對中國一重自主開發(fā)的2.25Cr-1Mo-0.25V 鋼筒體鍛件開展高溫持久試驗(yàn)，外推該材料在105 小時(shí)454℃下的持久強(qiáng)度，為加氫反應(yīng)器輕量化設(shè)計(jì)提供材料基礎(chǔ)性能數(shù)據(jù)。

一、2.25Cr-1Mo-0.25V 鋼鍛件常規(guī)性能檢測

高溫持久試驗(yàn)用料在內(nèi)直徑為5613mm，壁厚為320mm 的加氫反應(yīng)器筒節(jié)一端切取。該筒節(jié)采用實(shí)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(jī)上完成筒坯預(yù)鍛造及鍛造擴(kuò)孔后在筒節(jié)成形機(jī)上對鍛坯內(nèi)外圓表面進(jìn)行熱精整，得到壁厚均勻、圓度好的筒節(jié)鍛件，其主截面的鍛造比≥3。5，隨后筒節(jié)鍛件采用噴淋裝置進(jìn)行正火（加速冷卻）處理，正火溫度為920～960℃，在電爐內(nèi)進(jìn)行回火處理。

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筒節(jié)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(jí)，按GB/T10561 法測定的A、B、C、D、Ds 類夾雜物等級(jí)如表2 所示：

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筒節(jié)鍛件T/2 處切向及縱向常溫及高溫力學(xué)性能表3 所示：

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二、2.25Cr-1Mo-0.25V 鋼鍛件高溫持久試驗(yàn)

2.25Cr-1Mo-0.25V 鋼鍛件高溫持久試驗(yàn)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(shù)當(dāng)量法進(jìn)行加速外推試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備采用RDL100 型高溫電子蠕變持久試驗(yàn)機(jī)，準(zhǔn)確度等級(jí)0.5 級(jí)，最大載荷100KN，計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)。

高溫持久試驗(yàn)試樣取樣位置為T/2，試驗(yàn)取樣方向?yàn)榍邢颍嚇舆M(jìn)行Min。PWHT（熱處理工藝規(guī)范：700±5℃×8h），試驗(yàn)選擇8 個(gè)試驗(yàn)條件，試驗(yàn)條件及測試結(jié)果如表4 所示。

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三、高溫持久強(qiáng)度試驗(yàn)外推

理想情況下，應(yīng)力σ 和TTP 參數(shù)之間的主曲線為線性關(guān)系，但實(shí)際上主曲線很可能不是一條直線，而是一條曲線。因此，當(dāng)基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合主曲線時(shí)，可表示為多項(xiàng)式：

式中：σ--施加應(yīng)力（MPa）；

a、b、c、…--擬合系數(shù)；

P 為Larson-Miller 參數(shù)。

根據(jù)ASTM E139，Larson-Miller 參數(shù)P 計(jì)算公式如下：

式中：T-- 華氏溫度（表示為 ℉）；

t--斷裂時(shí)間（表示為h）。

采用表4 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用ORIGIN 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)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(shù)COD 為0.9966，說明擬合曲線與數(shù)據(jù)之間有良好的相關(guān)性。

454℃下10 萬小時(shí)的Larson-Miller 參數(shù)P=32.73，將參數(shù)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(shí)持久強(qiáng)度為297.4Mpa。

四、結(jié)論

中國一重自主研發(fā)的2.25Cr-1Mo-0.25V 鋼鍛件按照ASTM E139 標(biāo)準(zhǔn)中的回火參數(shù)當(dāng)量法外推其在454℃下10 萬小時(shí)的持久強(qiáng)度為297.4Mpa。該數(shù)據(jù)可作為設(shè)計(jì)選用該材料進(jìn)行加氫反應(yīng)器輕量化設(shè)計(jì)的參考數(shù)據(jù)。

圖1Larson-Miller 參數(shù)-應(yīng)力曲線