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管用20钢应变时效的演化规律及无损检测方法

李梦丽  
【摘要】:高压管道是氨合成、石油加氢裂化和发电等行业中大型工业装置的重要组成部分,管用20钢是其中使用最广泛的钢种之一。近年发生了多起应变时效脆化导致的高压管失效甚至爆炸事故,造成了巨大的经济损失和人员伤亡。据调查,我国目前用于化肥企业的大量管用20钢高压管与事故钢管的制造工艺完全相同,也就是说这些管道存在着与事故管道同样的危险因素。据统计,全国仅氨合成和甲醇这一行业就有管用20钢高压管十万米,这些高压管都潜伏着因管子制作时标准缺陷或要求低和工艺控制不严等所带来的应变时效脆化问题,它们在服役过程中将进一步对材料的服役性能产生影响,所以这些高压管在运行中存在不可预知的风险。因此,对管用20钢制造服役条件与微观组织结构和力学性能三者之间的规律关系与影响机理进行研究,在此基础上提出在役管用20钢钢管应变时效的无损检测方法,对于优化高压管的生产工艺和提高其使用安全性有重要意义。 高压管应变时效与钢的热处理、冷变形量、时效时间和温度以及钢中的碳氮含量(尤其是氮含量)等有直接关系。通过对管用20钢应变时效的各影响因素分析,提出了模拟可能发生应变时效制造条件的试验方案和不存在应变时效制造条件的试验方案。采用OM、SEM和TEM原位以及非原位多点观察管用20钢应变时效的微观组织演化。根据相关标准均沿钢管轴线方向取样并制备试验试样,测试材料的硬度、室温冲击吸收能量和拉伸性能等力学性能。为完成试样同一观察点加热前后微观组织的原位观察,自制了一套制备原位观察试样时难以加热氧化的氩气保护设备,通过真空泵多次对试样保护罐抽真空和充氩气操作,使罐内达到高纯氩状态。除此而外,还对部分在役管用20钢的力学性能进行了研究和分析。 对随机抽取的四种氮含量显著不同的管用20钢取样分别进行正火、退火、不完全退火和热轧状态下的显微组织观察,珠光体以层片状为主,且片间距、晶粒等大小不同,极少部分长条状珠光体是由于过冷度过大使得材料在远离共析点处析出。管用20钢在不同前热处理态下分别进行不同应变量的塑性变形或者在此基础上的250℃1h时效,或者无塑性变形时效,微观组织无明显变化。正火前热处理试样原位观察可发现塑性变形时铁素体晶粒上的滑移线和滑移带,珠光体无明显变化,表明塑性变形不均匀。使用TEM观察正火应变时效试样发现衍射图像上氮化铁的超点阵,说明间隙原子呈现长程有序分布,即应变时效会使材料由无序或短程有序变为长程有序态。所研究各种前热处理状态下,发生应变时效材料去应力退火后珠光体中都会有不同程度的球粒化,转化程度取决于前热处理状态和塑性变形程度,尤以正火前热处理状态发生球化的程度最大。前热处理为正火时,即使材料不发生应变时效,去应力退火后珠光体中也会发生球粒化。热轧态去应力退火的珠光体无明显变化。 在金相观察试样上进行显微维氏硬度测试,获得各种热处理和塑性变形的硬度,对硬度数据的深入分析揭示了硬度的演化规律。分别正火、退火和不完全退火的管用20钢硬度相差较大,冷却速度对硬度的影响明显,氮含量影响较小。塑性变形后材料的硬度会在前热处理态基础上升高,时效后的硬度比塑性变形状态又大幅升高,随应变量和氮含量增大而增大,同时晶粒度对硬度值也有一定影响。而无塑性变形仅时效时硬度与有前热处理状态基本相同,表明时效仅在有应变时对材料硬度有影响;热轧态进行时效后硬度提高表明热轧态存在冷变形,冷变形在热轧态存在则说明钢管的终轧温度低于正火温度。去应力退火使材料应变时效升高的硬度大幅降低,退火温度越高,硬度降低程度越大;去应力退火的硬度、硬度应变时效敏感性系数和退火回复偏差系数与材料氮含量和应变量成正比,而前热处理工艺对硬度几乎无影响。 对前述各种热处理和塑性变形的管用20钢几乎全部进行了室温夏比V型缺口冲击韧性测试,使用SEM对冲击断口进行观察,部分试样进行了常温拉伸性能测试。试验结果表明,正火态和完全退火态材料都能满足40J的韧度标准要求,热轧态和不完全退火态在温度较低时韧性不能满足标准要求。材料塑性变形后冲击吸收能量与化学成分有关,其值比前热处理态有所降低,仍可能满足标准要求。应变时效后材料几乎都无法满足冲击吸收能量的要求;各种前热处理下10%应变量时效材料都极度脆化;应变时效后随应变量增大屈服强度增加显著,屈强比与塑性变形基本呈线性关系,随应变量变大导致塑性储备变小。时效不单独对材料的强度升高起作用,只有在冷变形后时效材料的强度才会进一步提高。去应力退火后材料的冲击吸收能量都可回复到标准要求的韧度;退火后屈强比下降幅度较大,前热处理对屈服强度有明显影响,而抗拉强度基本不受前热处理影响。各种状态冲击断口启裂区和瞬断区形貌相差甚大,反映了各种状态下力学性能的差异。 分析说明了材料的微观组织和力学性能以及硬度与冲击和拉伸性能之间存在对应关系,因而可以通过硬度值和微观组织显现的特征来推断其他力学性能,进而对钢管是否应变时效脆化做出判断。根据应变时效的演化规律,对无塑性加工直管、应变脆化钢管和应变时效脆化钢管以及塑性加工后去应力退火回复的弯管各自微观组织特征、硬度和对应的力学性能分析和推论基础上,提出了基于硬度和微观组织变化的在役钢管应变时效脆化的无损检测方法,在两种钢管上的验证结果表明提出的无损检测方法是准确可靠的。 通过文中的试验结果以及作者所掌握的管用20钢的各种数据,对照我国现行的相关国家标准,对标准中关于氮含量、轧后热处理、弯后热处理和冲击试验等的规定提出了修改建议。 制造条件、微观组织与力学性能之间的对应关系可对提高高压管用钢冶金质量、改进高压管轧制和成形工艺条件提供参考和指导;文中所提出的检测方法可直接用于在役钢管的检测,可防止由于应变时效脆化以及伴随的氢脆和应力腐蚀等引发的事故,消除了生产中的安全隐患,保证工人的生命和物质财产安全;文中对标准的各项修改建议可完善我国高压管标准,从源头上避免和减少应变时效安全隐患。作者所做工作对金属构件的制备与加工、材料与环境交互作用、材料损伤与失效机制等方面的基础性研究具有重大的理论参考意义和价值。作者提出的无损检测方法可对在役钢管进行定性和半定量分析,但做到定量的判别钢管状态还需要更丰富的数据支持以及更广泛的实践验证。


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