服役后20号钢在低温下的力学性能研究

王　磊

( 北京市西城区特种设备检测所，北京 100055 )

服役后20号钢在低温下的力学性能研究

王磊

( 北京市西城区特种设备检测所，北京 100055 )

[摘要]分析了20号无缝钢管的室温和低温力学性能，结合显微组织观察、晶粒度统计和断口分析，发现低温低应力工况下服役后20号无缝钢管的力学性能完全符合冷库用液氨管道的使用要求。

[关键词]服役后；20号无缝钢管；低温；力学性能；研究

引言

随着食品冷冻业的迅速发展，我国冷库的数量和容量迅速增加，而且许多旧冷库还位于人员密集地区，普遍存在安全隐患，运行事故频频发生，不仅造成严重的经济损失，更会危害公共安全，因此，必须开展冷库设备的安全性能的研究。

我国压力管道设计中常用的标准：GB50316《工业金属管道设计规范》[1]、GB/T20801-2006《压力管道规范工业管道》[2]、GB50072-2010《冷库设计规范》[3]等标准对于采用20号无缝钢管为材料的压力管道使用温度下限都不一样。以设计温度为-28℃的管道为例，采用设计标准不同会导致管道选用的材料也不一致。我国压力管道管理的时间比较短，目前我国冷库所使用的压力管道大多是由20号无缝钢管焊接而成，且使用多超过十年。鉴于20号无缝钢管在冷库业的普遍使用和一旦泄漏其危害之大，我们有必要对服役后的20号无缝钢管的低温力学性能进行研究。

1试验材料的选择

试验材料为4根具有一定服役时间的管道和1根未服役的管道，服役后的管道材料是冷库拆除时截取，管道尺寸及工作条件如表1所示。

表1试验钢管样品概况

编号标准外径D(mm)×壁厚b(mm)实测外径D(mm)×壁厚b(mm)压力状态/工作压力(MPa)介质状态使用温度(℃)使用年份176×4.576×4.405高压/1.2气态120~1302000-2010238×338×3低压/0.1液态-252000-2010376×476×4.130低压/0.25气态-151996-20064219×6220×5.631高压/1.2气态—1978-2008589×5————

表2试验钢管的化学成分

管号C(%)Si(%)Mn(%)P(%)S(%)标准值0.17~0.230.17~0.370.35~0.65≤0.035≤0.03510.20.260.480.0160.0220.180.240.440.0120.02130.20.180.40.0210.006740.130.140.430.0220.021

2试验过程及结果分析

2.1　20号无缝钢管的化学成分

由于已服役的1～4号管道使用时间长，资料无从考究，所以对其进行化学分析，确定钢管材质。

从表2的检测结果可以看出，1#、2#和3#已服役氨制冷压力管道的化学成分均符合国家规定的20号钢的化学成分；而4#管道的碳、硅含量较低，磷、硫含量则较高；3#管道的硫含量最低。

2.2　20号无缝钢管的室温力学性能

从表3管道室温力学性能可以看出，1#、2#和4#管道的屈服强度和抗拉强度虽然符合要求，但结果比其它管道明显偏低，同时断后伸长率也相对偏高。3#管道强度最高，达到标准上限，5#次之。

将试样磨制抛光后在ZeissEVO18扫描电镜下观察夹杂物，夹杂物观察完毕后用4%的硝酸酒精浸蚀试样表面，进行显微组织观察和晶粒度的评定，结果如下：

从图1可以看出，各管道显微组织均由灰黑色的铁素体和灰白色的片状珠光体组成。其中，4#管道的多边形铁素体明显增多，珠光体则相对较少，这也是其屈服强度和抗拉强度偏低的原因，故相反断后伸长率结果偏高。结合化学分析结果，认为这是由于4#管道含碳量最低，导致由奥氏体冷却至室温时，生成了更多的先共析铁素体，这样的显微组织特点使4#管道的塑性和韧性较其余各管道更高。

从表4可以看出，各管道晶粒都比较细小，晶粒度级别数均在10级以上，且差别不大。5#管道比3#具有较细的晶粒度，但其强度却比3#小近30MPa，这是因为3#管道珠光体有沿轧向分布的特点，导致3#管道沿轧向强度最大。

另外，取样方式不同，拉伸试验结果也有所不同。可以发现，横向拉伸试样的抗拉强度和屈服强度明显大于纵向试样。

产生这种差异的原因可以归结为金属材料的包辛格效应和形变硬化。无缝钢管在生产的过程中管体内外层均受压，产生少量塑性变形。横向试样在试样制备时取的是半圆管，冷压平时呈反拱形放置于工作台上，这样在冷压平的过程中管体外层受压，内层受拉，即产生同向塑性变形，材料屈服强度增大，发生了包辛格效应。另外，在冷压平的过程中，由于位错的滑移，金属会发生形变硬化，也使得强度有所增加。

表3试验钢管的室温力学性能

管号抗拉强度Rm(MPa)屈服强度ReL(MPa)规定非比例延伸强度Rp0.2(MPa)断后伸长率A(%)冲击实验V型冲击功KV2(J)标准值410~530≥24520—1纵:45631928.5横:48733328.519.32纵:45531223.5横:————3纵:54037326.8横:55038023.217.34纵:———横:45936626.824.55纵:50735323.8横:50935328.319.5

注：“纵”表示纵向试样；“横”表示横向试样。

图1　管道组织形貌

表4晶粒度统计结果

管号晶粒度(级)平均截距(μm)1#10.667.9542#10.229.2383#10.378.7854#10.937.2295#10.667.936

2.3　20号无缝钢管的低温力学性能

表5是试验钢管的低温力学性能，由于没有相关规定，我们将其与室温力学性能相比较。对比表3和表5可以发现，低温下试验钢管的抗拉强度和屈服强度均比室温下有所提高，而断后伸长率和冲击韧性则有所降低。

出现上述现象的原因可能是：随着温度的降低，柯氏气团对位错的钉扎作用有所增强，位错运动受阻，变形抗力增大。另外，20号钢的室温组织为铁素体和珠光体，随着温度的降低，铁素体对碳的溶解度不断沿铁-碳相图中PQ的延长线向下，向着碳含量减少的方向发展，于是，会有少量碳化物析出，也会使得材料低温下强度有所提高。

表5试验钢管的低温(-30℃)力学性能

管号抗拉强度Rm(MPa)屈服强度ReL(MPa)规定非比例延伸强度Rp0.2(MPa)断后伸长率A(%)冲击实验V型冲击功KV2(J)1#纵:560403—26.018.32#纵:472—38315.7—3#纵:591429—25.511.85#纵:542—383—15.0

图2　低温(-30℃)断口典型形貌

2.4　低温拉伸断口微观扫描分析

对低温拉伸后的断口进行扫描电镜分析，拉伸断口典型形貌如图2所示，扫描电镜观察倍数为500和1000倍，拍摄部位为拉伸断口中心附近。

可以发现，断口上存在大量的韧窝，有些大韧窝之间布满小韧窝，部分韧窝底部有空洞或夹杂，韧窝之间有明显的撕裂棱。等轴韧窝和抛物线形韧窝交替出现，韧窝的大小也相差很悬殊，这表明试样局部的应力状态相当复杂。当材料受拉应力时，因夹杂物或第二相粒子与基体的弹塑性不同，在它们的界面处会形成显微空洞，随着应变的增加，微空洞不断增大，相互吞并，直到材料发生缩颈和断裂。

2.5　实验结果分析

(1)随着温度的降低，20号无缝钢管的屈服强度和抗拉强度增大，断后伸长率和冲击韧性降低，这是由低温下材料中位错运动受阻，变形抗力增大和少量碳化物的析出所造成的。

(2)20号无缝钢管低温下拉伸断口有大量韧窝和少量撕裂棱存在，其断裂方式为韧性断裂。

3结论

由于各管道设计标准之间对于材料选用、无损探伤比例、压力试验、气密试验、泄漏性试验等方面的要求并不完全统一，在设计时候采用不同的设计标准和验收标准，对后期的安装监检和定期检验会造成很大的影响。因此统一、明确相关法规、标准将会对氨制冷压力管道的安全监管起到促进作用。鉴于此原因，国家质量监督检疫总局(以下简称：质检总局)下发了“质检特函[2013]61号质检总局特种设备局关于氨制冷装置特种设备专项治理工作的指导意见”[4](以下简称：61号文)。在“61号文”中明确指出：涉氨压力管道的设计文件内容应符合《压力管道安全监察规程——工业管道》[5](TSG D0001-2009)的规定。压力管道的设计应按《冷库设计规范》(GB50072-2010)执行。

在几个相关标准中《工业管道规范工业管道》GB/T20801-2006是《压力管道安全技术监察规程-工业管道篇》配套标准，因此该标准的有关条款必须严格执行。《工业管道规范工业管道 第二部分：材料》GB/T20801.2-2006中规定在低温低应力工况下，20号无缝钢管可以使用到-101℃。

关于低温低应力的问题，按照GB50316对低温低应力定义：环向应力其数值小于材料的屈服点的1/6，且不大于50MPa。而按GB/T20801-2006对低温低应力工况的定义中：管道由压力、重量及位移产生的轴向(拉)应力总和不大于10%材料标准规定最小抗拉强度(计算位移应力时，不计入应力增大系数)的要求来说，这个规定比上个标准严格了一些。不是所有液氨管道都能满足该要求[6][7]。在试验中，试验钢管轴向应力总和计算中如果以六米以上跨距进行钢管轴向应力计算，20号管就不处于低温低应力工况了。管道低温低应力工况取决于管道壁厚、支吊架的型式和位置、补偿装置的设置，我们可以通过增加管道壁厚、减小管道跨距、增加补偿装置来使管道处于低温低应力工况。因此管道是否处于低温低应力工况，设计单位应给出相应的计算书。

通过以上分析，我们得出结论：低温低应力工况下，20号无缝钢管的低温力学性能符合相关国家标准，完全可以作为液氨输送管道使用。

4参考文献

[1] 工业金属管道设计规范[S].2000

[2] 压力管道规范 工业管道[S].2006

[3] GB50072-2010冷库设计规范[S]

[4] 质检总局特种设备局关于氨制冷装置特种设备专项治理工作的指导意见(质检特函[2013]61号).[Z]

[5] 压力管道安全技术监察规程-工业管道篇[S].2009

[6] 尹侠,周剑秋,李庆生.压力管道设计中的低温低应力工况及其应用[J].化工机械,2001,28(1)：30-31

[7] 黄劲松.氨制冷系统低温压力管道材料问题的探讨[J].冷藏技术,2006,(2):17-21

After Service of 20steel Under Low Temperature Mechanical Properties Research

WANG Lei

(Xicheng Special Equipment Inspection and Testing Institute,Beijing 100055,China)

Abstract：the author analyzes the 20th at room temperature and low temperature mechanical properties of seamless steel pipe,combined with the microstructure observation,grain size statistics and fracture analysis,found 20 after he served under the working condition of low temperature and low stress,the mechanical properties of seamless steel tube completely conform to the requirements of the cold storage with the use of liquid ammonia pipeline.

Key words:Serving；20 seamless steel tube；Low temperature；Mechanical properties；Research

[中图分类号]O369[文献标示码]B

doi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.01.012

文章编号：ISSN1005-9180(2015)01-055-06

作者简介：王磊(1981-)，男，工程师，主要从事承压类特种设备检测和研究。Email：kidr@sina.com

收稿日期：2014-10-29

资助项目：国家质检总局科技计划项目(2009QK037)