2.25Cr-1Mo-0.25V钢锻件持久性能试验

(青岛兰石重型机械设备有限公司，山东青岛 266426)

0 引言

加氢反应器长期在高温、高压及临氢的环境下运行，由于使用环境苛刻，在高温下长期运行会产生回火脆化倾向，焊层易出现氢致剥落等问题[1]。高温持久性能是评价加氢反应器运行寿命的重要参考依据。本文针对国内某厂生产的2.25Cr-1Mo-0.25V钢加氢反应器筒体锻件，对其在482 ℃温度下的持久性能进行试验，并外推该筒体锻件运行3×104h的持久应力大小，为2.25Cr-1Mo-0.25V钢锻件筒体持久性的设计提供参考依据。

1 材料理化性能检测

加氢锻件用钢2.25Cr-1Mo-0.25V是在原有 2.25Cr-1Mo 钢基础上加入具有强化作用的钒元素的改进型Cr-Mo钢，由于钒的加入，使该钢不仅有更高的高温强度，还具有更好的抗氢脆、抗氢腐蚀等特性[2-3]。由于铬、钼等合金元素可溶入基体金属中，起到固溶强化的作用，提高材料的淬透性和韧性[4]。本次试验用材料在反应器内径为4 000 mm、厚度300 mm工件本体上所取，其化学成分如表1所示；工件热处理工艺如图1所示，试样经705 ℃×26 h的模拟焊后热处理。

表1 2.25Cr-1Mo-0.25V钢的化学成分 %

(a)

(b)

图1 热处理工艺曲线

本次试验依据GB/T 2039—1997《金属拉伸蠕变及持久试验方法》、EN 10291《金属材料 拉伸同轴蠕变试验 试验方法》进行。持久拉伸试样为直径∅10 mm、标距50 mm的试棒，根据标准要求加工至规定尺寸，试棒的形状及尺寸如图2所示。

图2 试样结构尺寸

材料的高温持久强度即为测定材料在某一温度下受恒定载荷作用时，在规定的持续时间内不引起断裂的最大应力[5]。故可参考高温屈服强度值[6]作为持久性能测试应力水平选取依据。2.25Cr-1Mo-0.25V钢锻件482 ℃高温瞬时性能试样取自本体厚度T/2处，其检测结果见表2。

表2 482 ℃高温瞬时性能检测结果

2 高温持久试验

高温持久试验[7]设备采用RDL50型电子蠕变试验机，试验力精度0.5级，引伸计精度0.5级，试验温度偏差±1 ℃。参考高温屈服强度选取不同温度下持久强度的初始值[8]，由482 ℃高温屈服强度可知，初始持久试验应力值应小于434 MPa。本次试样在482 ℃温度下，采用7个应力水平进行持久性能测试，试样取自本体厚度T/2处。试验结果见表3。

表3 482 ℃高温持久试验测试结果

3 持久试验外推分析

按照表3试验数据进行等温外推[9]，根据White和Clarke理论模型双对数外推公式：

τ=Aσ-B

(1)

式中τ——试样断裂时间，h；

A,B——与材料和试验温度有关的常数;

σ——试验应力，MPa。

将式(1)两端取对数，即可得到：

lgτ=lgA-Blgσ

(2)

令：y=lgσ，x=lgτ，a=lgA/B，b=-1/B，则式(2)可化成典型的直线方程：

y=a+bx

(3)

用最小二乘法处理得：

(4)

(5)

其中：

(6)

图3 试验时间-应力曲线

4 持久断口分析

使用扫描电子显微镜观察持久试样的断口，断口形貌见图4～6。

(a)290 MPa持久强度6 020.72 h

(b)320 MPa持久强度1 842.95 h

(c)360 MPa持久强度235.55 h

(d)395 MPa持久强度74.6 h

(a)290 MPa持久强度6 020.72 h

(b)320 MPa持久强度1 842.95 h

(c)360 MPa持久强度235.55 h

(d)395 MPa持久强度74.6 h

(a)290 MPa持久强度6 020.72 h

(b)320 MPa持久强度1 842.95 h

(c)360 MPa持久强度235.55 h

(d)395 MPa持久强度74.6 h

由图4～6可以看出，持久断口形貌较规则、变形均匀，属正常断口，试验数据没有受到异常情况干扰，说明该材料具有良好的持久塑性，能避免蠕变脆断现象[10]，从而也说明该材料在制造中，其成分内部优化设计科学[11]，性能热处理合理[12]。

5 结论

(1)2.25Cr-1Mo-0.25V钢在482 ℃的高温持久试验中，随着应力水平的降低，持久时间明显延长；试样的断口形貌较规则、均匀，说明该材料可避免蠕变脆断。

(2)根据2.25Cr-1Mo-0.25V钢持久性能的试验数据和数学模型进行外推计算，该材料在482 ℃温度下的3×104h持久强度极限值为267.8 MPa，可作为设计选材的参考依据。