GB/T 150.2和GB/T 16507.2中高溫拉伸試驗要求的探討

敬仕煜，曾 輝，鄧錢元，楊華春

(1.東方電氣集團 東方鍋爐股份有限公司，四川自貢 643001；2.機械工業高溫耐熱材料與焊接實驗室，四川自貢 643001)

0 引言

GB/T 150.2—2011《壓力容器 第2部分：材料》中4.1.10和6.1.4條、GB/T 16507.2—2013《水管鍋爐 第2部分：材料》中4.7和6.6條規定，設計溫度高于300 ℃(Q370R為200 ℃以上)的鋼板和鍛件(GB/T 150.2僅限Q370R/18MnMoNbR/13MnNiMoR/12Cr2Mo1VR四種鋼板和20MnMoNb/20MnNiMo/12Cr2Mo1V/12Cr3Mo1V四種Ⅲ級或Ⅳ級鍛件,GB/T 16507.2則包括所有材料牌號)，應在設計計算溫度下進行高溫拉伸試驗，屈服強度滿足標準要求。工程實踐中，常存在材料代用現象，或者剩余材料應用于另一設備制造，當兩次設計計算溫度不同時，按原先設計計算溫度檢驗合格的材料，必須重新取樣并在另一溫度下補充高溫拉伸試驗。經驗表明，重新試驗結果鮮有或幾乎沒有發生過不合格現象，但重新試驗卻增加了成本和時間周期。為此，本文在調查實測試驗數據基礎上，探討標準中有關高溫拉伸試驗規定，希望對進一步完善標準有所裨益。

1 鍋爐及壓力容器用常見材料的實測高溫屈服強度數據調查

研究材料為鋼板13MnNiMoR，14Cr1MoR，15CrMoR和鍛件20MnMoNb，屬GB/T 150.2和GB/T 16507.2及其協調標準中的鋼號，常使用于300 ℃以上，是鍋爐和壓力容器用常見材料，用量較大。該4種材料均涉及高溫拉伸試驗要求，具有較好的代表性，適宜于用來討論和分析GB/T 150.2和 GB/T 16507.2中相關高溫拉伸試驗規定。

表1匯總了4種材料的高溫拉伸試驗要求值。

表1 4種材料的高溫拉伸試驗要求值

(a)13MnNiMoR鋼板 (b)14Cr1MoR鋼板

圖1示出了4種材料的實測數據統計結果，時間跨度約為10年，圖中每一散點代表一個批次材料某一溫度下的高溫拉伸試驗結果，即各批次試樣所對應的屈服強度；圖中橫線為該材料300 ℃的屈服強度要求值參考線。其中，圖1(a)為621批次13MnNiMoR鋼板高溫拉伸試驗結果，試驗溫度為300～400 ℃，鋼板厚度為30～100 mm；圖1(b)為184批次14Cr1MoR鋼板，試驗溫度為300～460 ℃，鋼板厚度為20～60 mm；圖1(c)為44批次15CrMoR鋼板，試驗溫度為300～480 ℃，鋼板厚度為20～60 mm；圖1(d)為220批次20MnMoNb鍛件，試驗溫度300～350 ℃，公稱厚度為300～500 mm。4種材料共計1 000余批次。

2 分析和討論

2.1 數據分析

由圖1可以看出，4種材料在300 ℃以上的實測屈服強度均高于300 ℃對應的要求值，證明這些材料的高溫屈服強度均有較大裕度，這也是前文提到的從未發現過重新試驗不合格現象的原因。

高溫條件下，材料的變形機制增多、形變強化現象減弱[1]。隨著溫度升高，材料強度呈降低趨勢[2-4]。GB/T 150.2和GB/T 16507.2及其協調標準的相關規定體現了這一規律：試驗溫度升高，屈服強度要求值降低，如表1所示。對某材料，當較高溫度下屈服強度實測值高于較低溫度對應的要求值時，則可推斷其較低溫度下的試驗結果也將滿足要求。例如：13MnNiMoR鋼板400 ℃下實測屈服強度為360 MPa，高于300 ℃下要求值345 MPa，則可推斷其300～400 ℃范圍內屈服強度必然合格，因為隨試驗溫度降低，屈服將提高至360 MPa以上，而其在300～400 ℃范圍內的屈服強度要求值僅在305～345 MPa之間。顯然，屈服強度富裕量為材料的代用創造了條件，當這種富裕量足夠時，其向較低溫度用途的代用是安全的，補充試驗沒有必要性。但是，逆向代用則存在風險，較低溫度下屈服強度有一定富裕，并不意味著在較高溫度下仍滿足要求，因為對于不同材料，其強度隨溫度的變化趨勢并不一樣，可能在稍高溫度時急劇下跌，這需要重新補充試驗予以驗證。

2.2 時效硬化(藍脆)的影響

碳鋼和低合金存在時效硬化現象，這可能干擾屈服強度隨溫度升高而降低的規律，從而引發材料代用顧慮。文獻[1]認為，時效硬化主要影響抗拉強度，使某一溫度范圍內出現一個反常 “凸起”，峰值溫度與藍脆溫度相當，約為200～300 ℃，如圖2[1]所示。時效硬化同樣影響屈服強度，但峰值不明顯，如圖3[1]所示。

圖2 碳鋼、低合金鋼和不銹鋼的Rm-T曲線

圖3 碳鋼、低合金鋼和不銹鋼的Rp0.2-T曲線Fig.3 Rp0.2-T curves of carbon steel,low alloy steel and stainless steel

時效硬化往往與溶質原子在位錯線附近聚集形成各種氣團有關，氣團擴散速度隨溫度而變，在適當的溫度下，其擴散速度與位錯運動速度接近，這時氣團可以被位錯拖著一起運動，增大了位錯運動的阻力，強度曲線就呈現出一個峰值[1]。可以推測，由于材料屈服時塑性變形量很小，位錯源剛剛開動不久，氣團對屈服強度的影響有限。考慮到本文討論的溫度范圍主要在300 ℃以上，可忽略時效硬化對屈服強度的影響，至少其影響尚不足以導致屈服強度明顯反常。

2.3 高溫拉伸試驗的意義

承壓設備用鋼的許用應力由室溫抗拉強度、溫度下屈服強度(包括室溫和高溫)和蠕變強度分別除以各自安全系數所得到的最小值確定[5]。通常，蠕變溫度之上由蠕變強度控制，蠕變溫度之下主要由室溫抗拉強度控制，中溫時可能由屈服強度控制[6-10]。

對于13MnNiMoR等鋼板和鍛件，其許用應力通常由室溫抗拉強度或者高溫屈服強度控制，圖4示出這類材料的許用應力確定方法(圖中,水平橫線為抗拉強度除以安全系數2.7的計算結果，傾斜下滑線為屈服強度除以安全系數1.5的計算結果，二者較小值為許用應力)。可見，對于不同材料，屈服強度起控制作用的溫度范圍各有不同，由圖4可看出，15CrMoR約在175～450 ℃范圍，而13MnNiMoR則在350～400 ℃左右。顯然，當安全系數取值調整時，決定許用應力的關鍵力學性能指標及其影響范圍將發生改變。例如，美國ASME規范中對常溫(20 ℃)抗拉強度的安全系數取3.5(按常規設計)，計算結果通常更低，因此屈服強度對于許用應力確定基本不起作用。

圖4 確定許用應力方法示意Fig.4 Schematic diagram of method for determining allowable stress

高溫屈服強度決定了一定溫度范圍內材料的許用應力，而許用應力是強度設計的基礎，事關設備安全，這使材料的高溫拉伸試驗具有一定意義。GB/T 150.2和GB/T 16507.2在綜合考慮材料許用溫度和應用經驗的基礎上，對高溫拉伸試驗提出了明確要求，其邏輯合理性即基于此。

2.4 標準探討

GB/T 150.2規定，13MnNiMoR等4種鋼板和20MnMoNb等4種Ⅲ級或Ⅳ級鍛件，設計溫度高于300 ℃(Q370R為200 ℃)時，應按批次進行設計計算溫度下的高溫拉伸試驗，屈服強度按標準要求。GB/T 16507.2規定，對協調標準范圍內任何鋼板和鍛件，設計溫度高于300 ℃時，可附加進行設計計算溫度下的高溫拉伸試驗，屈服強度按標準要求。

按GB/T 150.2和GB/T 16507.2，高溫拉伸試驗均應在設計計算溫度下進行。但是，從圖1以及相關分析可知，由于實測數據具有明顯富裕量，且屈服強度隨溫度升高呈現降低趨勢，兩標準強制性要求在設計計算溫度下進行高溫拉伸試驗的規定有待商榷。筆者認為，應允許在高于設計溫度下進行試驗，但所得結果仍應滿足設計計算溫度對應的屈服強度要求值。因此，則可用較高溫度覆蓋較低溫度高溫拉伸試驗，減少補充試驗頻次，方便材料代用。對壓力容器設備制造廠來說，可以在材料初估時，根據既有經驗審慎提高采購材料的高溫拉伸試驗溫度，以增強材料通用性，降低成本。

對比兩個標準還發現，GB/T 150.2僅對部分鋼種進行高溫拉伸，而GB/T 16507.2則包含所有鋼種。此外，GB/T 150.2對符合條件材料的高溫拉伸試驗是強制性的，而GB/T 16507.2則是選擇性，由設計人員決定。由圖4可以看出，許用應力與屈服強度的關聯程度，是考量是否附加高溫拉伸試驗的關鍵。當高溫屈服強度決定許用應力時，考慮附加高溫拉伸試驗更有意義；如果不是，則可豁免。比較而言，GB/T 16507.2的規定更加合理，GB/T 150.2應向其靠攏。具體說，建議兩個標準中有關高溫拉伸試驗要求統一，將是否附加試驗的決定權交由設計人員，而適用材料范圍應包含所有鋼板和鍛件。

3 結語

GB/T 150.2和GB/T 16507.2中“高溫拉伸試驗應在設計計算溫度下進行”的規定可予放寬，允許在高于設計計算溫度下進行高溫拉伸試驗，當試驗結果仍滿足較低溫度對應的要求值時，則可覆蓋較低設計計算溫度的高溫拉伸試驗要求。因此，可疏通材料代用障礙，增強材料通用性，降低成本。

GB/T 150.2和GB/T 16507.2有關高溫拉伸試驗規定存在差異，建議GB/T 150.2向GB/T 16507.2 靠攏，并將是否附加高溫拉伸試驗交由設計者決定。