奥氏体不锈钢应变强化螺柱的扩展应用

郭雪华,许 蕾,崔民红

(1.中国石化工程建设有限公司,北京 100101; 2.山东美陵化工设备股份有限公司,山东 淄博 255000)

奥氏体不锈钢螺柱经常作为承压法兰连接结构的紧固件,尤其是当容器设计温度低于-100 ℃时,更是成为了主要的螺柱选材。螺柱一旦失效,将严重影响法兰的密封性能和设备的本质安全。仅做固溶处理的奥氏体不锈钢螺柱强度较低,如GB/T 150.2—2011(以下简称GB/T 150.2)【1】中规定S31608和S30408在室温下的屈服强度Rp0.2仅为205 MPa。将奥氏体不锈钢螺柱进行应变强化处理是提高螺柱强度的有效措施,并可明显改善法兰的密封效果。但目前GB/T 150.2中,奥氏体不锈钢应变强化螺柱的应用范围很窄,如何在国标框架下扩展此类螺柱的应用范围并提供确定许用应力的准则,是工程中迫切需要解决的问题。

1 国内标准对奥氏体不锈钢应变强化螺柱的规定

HG/T 20634—2009 规定,紧固件0Cr17Ni12Mo2 (316)和0Cr18Ni9(304)为低强度螺柱【2】;HG/T 20635—2009中第3.3.7条规定“低强度紧固件仅用于公称压力小于或等于Class300、采用非金属平垫片的法兰接头,不应使用于剧烈循环的工况”,且在该标准的表3.3.10中指出,缠绕垫仅可匹配中、高强度螺柱【3】。GB/T 150.2仅规定了S30408不锈钢应变强化螺柱在设计温度不超过50 ℃、螺柱规格不大于M27时的强度指标,即材料标准抗拉强度下限值(Rm,以下简称抗拉强度)、室温屈服强度(Rp0.2,以下简称屈服强度)和断后伸长率,如表1所示。表1限制的应用范围很窄,不能满足实际工程中对不锈钢螺柱的需求。

表1 GB/T 150.2 对应变强化处理的螺柱用钢要求

2 ASME规范对奥氏体不锈钢应变强化螺柱的规定

ASME BPVC.II—2023 (以下简称ASME)【4】在SA-193/SA-193M中规定了高温用合金钢不锈钢螺柱的材料性能,在SA-320/SA-320M中规定了低温用合金钢和奥氏体不锈钢螺柱的性能。本文以常用的304、316奥氏体不锈钢螺柱做为研究对象。因为GB/T 1220—2007(以下简称GB/T 1220)【5】对奥氏体不锈钢304、316螺柱的化学成分的规定与ASME【5】中对SA-193/SA-320 B8和SA-193/SA-320 B8M化学成分的规定是一致的,因此可以认为S30408与SA-193/SA-320 B8、S31608与SA-193/SA-320 B8M材料类似。

SA-193/SA-193M和SA-320/SA-320M中Class1对应仅做固溶处理的不锈钢螺柱,Class2对应固溶+应变强化的不锈钢螺柱。表2为SA-193 B8 经过应变强化处理的不锈钢螺柱和未经应变强化处理的不锈钢螺柱的许用应力对比。从表2中可以看出:经过应变强化处理的不锈钢螺柱的抗拉强度和屈服强度明显高于未经应变强化处理(固溶状态)的螺柱。此外,对于未经应变强化处理的不锈钢螺柱,ASME没有区分螺柱直径规格;但是对于经过应变强化处理的不锈钢螺柱,不仅区分出了不同直径对应的许用应力,而且还限制了直径上限(M36);SA-320 B8 Class2的螺柱直径上限为M40。

表2 SA-193 B8 Class1与SA-193 B8 Class2许用应力对比

ASME的这一规定主要与不锈钢螺柱应变强化的工艺特点相关。不锈钢螺柱的应变强化是一种在低于再结晶温度(冷加工)的温度下由于塑性变形造成的强度和硬度升高的现象。这种效应是依靠冷拔或其他工艺将尺寸较大的棒或丝材减小到所需求的最终尺寸时产生的。不锈钢螺柱越大,需要的不锈钢棒材尺寸就越大,此时应变强化的效果就会弱化,因此ASME规定了应变强化的不锈钢螺柱的直径上限。从表2中可以看出:ASME中规格较小的螺柱,其许用应力值较大;规格较大的螺柱,其许用应力值较小。这是由于大直径钢棒的塑性变形主要发生在棒的外侧区域,因此仅在靠近棒料的表面达到应变强化后的强度和硬度;而对于小直径的棒料来说,应变强化的穿透深度较深,棒料内部也可达到应变强化后的强度和硬度,所以小直径经过应变强化处理的螺柱的许用应力值比大直径的大。

对比表1中 GB/T 150.2规定的S30408(固溶+应变强化)螺柱的许用应力取值可知:室温下螺柱规格不大于M20时,ASME规范中SA-193 B8 Class2和S30408许用应力取值相近;但对于规格为M27的螺柱,常温下GB/T 150.2规定的许用应力值为170 MPa,而ASME规定的许用应力值为不大于130 MPa,两者差异较大。

3 奥氏体不锈钢应变强化螺柱的许用应力确定方法

直接将ASME规范和GB/T 150.2中螺柱的许用应力进行对比有不妥之处,这是因为ASME对螺柱许用应力的取值方法和GB/T 150.2对螺柱的许用应力的取值方法不一样。ASME螺柱许用应力的取值规则见表3(表中符号含义同ASME)。从表3中可以看出:ASME中,应变强化的不锈钢螺柱室温条件下的应力值取“室温下最小抗拉强度/5”和“室温下屈服强度下限/4”之小者;高于室温时,其应力值与室温下最小抗拉强度和屈服强度、指定温度下的抗拉强度和屈服强度、断裂应力、产生0.01%/1 000 h蠕变率的平均应力等有关。

表3 ASME螺柱许用应力值的确定准则

ASME对于奥氏体不锈钢应变强化螺柱的许用应力取值规则,有两处值得探讨:

1) 螺柱的作用是对法兰进行密封时压紧垫片,提供足够的垫片压紧力;当螺柱发生屈服后密封就会失效,因此材料的抗拉强度并无用途,无需将抗拉强度作为许用应力的判据之一。在GB/T 150.1—2011(以下简称GB/T 150.1)中,螺柱的许用应力仅与设计温度下材料的屈服强度有关(低于蠕变温度条件下),这更为合理。

2) ASME规范中基于屈服强度的材料安全系数,在室温下是4.0,高于室温时是1.5。安全系数4.0远大于1.5。查看奥氏体不锈钢应变强化螺柱在高温下的屈服强度值可知,即便在500 ℃时的屈服强度仍高于室温下屈服强度的 0.375(即1.5/4)倍。这使得高于室温情况下螺柱的屈服强度值在确定螺柱许用应力时无应用场合,但该值对于判断螺柱是否能够提供足够的有效密封载荷是至关重要的。

GB/T 150.1对不锈钢螺柱的许用应力取值规则见表4(表中符号含义同GB/T 150.1)。表4显示:经固溶处理的不锈钢螺柱在蠕变温度范围以内,许用应力取值由屈服强度控制;直径不超过M22的螺柱,其许用应力值为Rp0.2/1.6;M24～M48螺柱的许用应力值为Rp0.2/1.5。

表4 GB/T 150.1奥氏体高合金钢螺柱材料许用应力取值

对于经过应变强化处理的不锈钢螺柱许用应力的取值方法,GB/T 150.1暂未说明。笔者认为,可以把经过应变强化的不锈钢螺柱视为低合金钢、马氏体合金钢螺柱。因为奥氏体不锈钢螺柱在应变强化过程中,原奥氏体组织由于应变诱发产生了马氏体组织,从而提高了不锈钢螺柱的强度及硬度【6】。目前的GB/T 150.2亦参考低合金钢、马氏体合金钢螺柱材料的许用应力的取值方法(见表2),其中规格为M22的经过应变强化处理后的S30408螺柱,室温屈服强度为600 MPa,其许用应力值为600/3.5=171.4 MPa;规格为M22～M27的经过应变强化处理后的S30408螺柱,室温屈服强度为510 MPa,许用应力值为510/3.0=170 MPa。

不管是服务于理论探究的基础性研究，还是应用性导向的综合性研究，生产新的知识是学科发展的基本任务。加州大学伯克利分校校长克拉克·科尔在其《大学的功能》一书指出，对大学来说最基本的现实是，人们普遍认识到新知识是经济发展和社会进步最重要的因素。大学的无形产品是知识，是我们文化中最有力量的部分，它影响职业、社会，甚至国家兴衰。对高深学问的探究，是现代大学存在的合法性基础。

按照GB/T 150.2制造的S30408和S31608应变强化螺柱,当设计温度超过50 ℃或直径超过M27时,建议采用如下方法确定其许用应力值:通过高温拉伸试验测出屈服强度值,或参考ASME提供的应变强化之后的不锈钢螺柱的屈服强度值,然后按照GB/T 150.1中“低合金钢、马氏体合金钢”螺柱许用应力的取值方法(见表4)计算出其许用应力值。即在设计温度未进入蠕变范围时,奥氏体不锈钢应变强化螺柱的许用应力[σ]t取值为:

上述基于屈服强度的材料安全系数在3.0～3.5之间,考虑到经应变强化处理的奥氏体不锈钢螺柱仍具有较好的塑性储备(断面收缩率和断后伸长率仍较高),认为该安全系数是足够保守的。

4 国家标准中关于S30408和S31608应变强化螺柱的性能要求

在实际工程中经常用到直径超过M27的奥氏体不锈钢应变强化螺柱,将GB/T 150.2对应的适用范围拓展到更大直径是必要的。在设计中经常遇到不锈钢螺柱同时需要考虑低温和高温工况的情况,将GB/T 150.2中应变强化不锈钢螺柱的设计温度扩展到50 ℃以上也是必要。目前国内很多研究和设计单位也认识到了提高应变强化螺柱温度上限的必要性。

表5为ASME提供的经过应变强化的SA-193 B8 Class2(304)材料的屈服强度。表6是按照GB/T 150.2中马氏体合金钢螺柱材料的许用应力取值方法计算后得到的S30408的许用应力值。对于公称直径>M30的大直径奥氏体不锈钢螺柱,由于应变强化的程度较弱,以固溶状态计算出的许用应力(安全系数1.5)可能比应变强化状态更高(安全系数3.0),此时应按固溶状态计算出的许用应力取值。

表5 SA-193 B8 Class2(304)屈服强度

奥氏体不锈钢螺柱经应变强化处理后,需保证材料仍具有较充足的塑性储备。因此可参考ASME的规定,对室温拉伸后的断后伸长率和断面收缩率的最小值进行限定。本文认为这2个塑性指标中,断后伸长率更具代表性且更容易在试验时测量,GB/T 150.2中仅采用断后伸长率这一项指标。需要注意的是,GB/T 228.1—2021《金属材料 拉伸试验 第1部分 室温试验方法》(以下简称GB/T 228.1)【7】中试验的原始标距L0和ASME规范中使用的原始标距L0=4d0(d0为试件的平行长度的原始直径)不同,需要根据GB/T 17600.2—1998《钢的伸长率换算 第2部分 奥氏体钢》进行换算。

ASME规范中要求了奥氏体不锈钢螺柱在应变强化后的最高允许硬度值,即321 HBW或35 HRC,目的是避免钢棒的过度硬化。硬度指标同样应该在国标的奥氏体不锈钢应变强化螺柱的性能要求中有所体现。

表7为ASME提供的经过应变强化处理的SA-193 B8M Class2(316)螺柱的屈服强度。表8是按照国标马氏体合金钢螺柱材料的许用应力取值方法计算后得到的S31608应变强化螺柱的许用应力值。

表7 SA-193 B8 Class2(316)屈服强度

表8 S31608许用应力值(国标化处理)

由表7可知,将S31608螺柱进行应变强化处理后,同样可以有效提高强度指标,获得较高的许用应力。ASME规范给出了应变强化螺柱SA-193 B8M Class2(316)在450 ℃以下的许用应力,最大螺柱直径为M36。低温用应变强化螺柱SA-320 B8M Class2的最高使用温度亦为450 ℃,最大螺柱直径为M40。SA-193 B8 Class2和SA-320 B8 Class2的最高使用温度均为550 ℃,最大螺柱直径分别为M36和M40。

经对比可知,未经应变强化处理的奥氏体不锈钢螺柱(固溶态),S31608的强度总是高于S30408。但公称直径≤M20的经过应变强化处理的S31608螺柱,强度指标明显低于经应变强化处理的S30408螺柱。再对螺柱直径较大时(公称直径≥M22)的情况进行对比,发现应变强化后的S31608螺柱强度指标又会高于S30408应变强化螺柱。这是由于S31608的Ni含量比S30408的高,而Ni属于稳定奥氏体相的元素所致。有研究表明,Ni、Cu含量的提高会降低变形时马氏体的诱发。在相同应变量下,S31608不锈钢变形诱发的马氏体量比S30408少,但是对于大直径的S31608来说(中心区域的应变强化程度低),其稳定化元素又起了主要作用【6】。

有学者进行了腐蚀试验研究,结果显示:在10%的应变范围内,应变强化对奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能影响很小【8】;在氧化性和非氧化性的腐蚀溶液中,室温应变强化几乎未对奥氏体不锈钢的耐均匀腐蚀和晶间腐蚀性能产生不利影响。因此不必担心S31608和S30408经应变强化处理后耐蚀性能下降的问题。

公称直径>M30时,对照GB/T 150.2中固溶状态的S30408、S31608螺柱,虽然经应变强化后许用应力值降低了,但本质上其已经由低强度螺柱升级为中强度螺柱,屈服强度和抗拉强度值均有了很大的提高。室温下屈服强度由205 MPa提高到345 MPa。

表6和表8中,按照国标制造的S30408和S31608不锈钢应变强化螺柱的最大直径限制均为M36。鉴于前文所述原因,直径超过M36的经应变强化处理的奥氏体不锈钢虽然也可以使用,但是由于横截面上力学性能的不均匀度较大,因此许用应力更加不容易确定。

对于S30408和S31608不锈钢应变强化螺柱的设计温度,本文认为应限制在450 ℃以内。因为这种应变强化是经过冷拔加工实现的,而奥氏体不锈钢本身就容易在高温下发生应力松弛,当使用温度超过450 ℃后,螺柱内的应变强化效果难以长时间维持。此时,若根据试验室内高温拉伸而确定的力学性能指标来确定应变强化螺柱长期使用的许用应力,显然不够安全。

此外,经应变强化处理的S30408和S31608螺柱还应符合GB/T 150.2第7.2.5条的有关要求,应进行拉伸和冲击试验(使用温度低于-100 ℃时)。

5 奥氏体不锈钢应变强化螺柱的拉伸试验

5.1 S31608螺柱经应变强化的拉伸试验对照

对S31608(固溶)和S31608(固溶+应变强化)的φ27 mm钢棒进行了室温拉伸试验。图1与图2 分别为两者的负荷-变形曲线,拉伸的钢棒符合GB/T 1220要求。表9为2个试件的拉伸试验结果。从表9可以看出,经过应变强化处理的S31608钢棒比仅做固溶处理钢棒的屈服强度显著提高,提高率达到(492.7-336.7)/336.7=46.3%,其屈服强度值(492.7 MPa)也高于ASME规范中SA-193 B8M Class2的规定值(450 MPa)。

图1 S31608(固溶)钢棒负荷-变形曲线

图2 S31608(固溶+应变强化)钢棒负荷-变形曲线

表9 φ27 mm直径S31608钢棒的室温拉伸试验结果

5.2 S30408螺柱直径与应变强化效果的关系

对直径分别为φ20.25和φ30.00 mm的S30408(固溶+应变强化)原始棒料(未加工螺纹之前)进行了室温拉伸试验。图3与图4分别为两者的负荷-变形曲线,表10为这2个试件的拉伸试验结果。GB/T 150.2规定,S30408固溶处理的螺柱的屈服强度下限为205 MPa。从表10可以看出:经过固溶+应变强化处理的不锈钢螺柱和应变强化之前相比,屈服强度显著提高,且均高于SA-193 B8 Class2在室温下的屈服强度值;但是φ30.00 mm钢棒屈服强度明显低于φ20.25 mm钢棒。这说明经过应变强化处理的不锈钢大直径螺柱,屈服强度虽然有一定程度的改善,但是改善程度较小。

图3 S30408(固溶+应变强化)φ20.25 mm钢棒负荷-变形曲线

图4 S30408(固溶+应变强化)φ30.00 mm钢棒负荷-变形曲线

表10 S30408(固溶+应变强化) 钢棒的拉伸试验结果

5.3 奥氏体不锈钢应变强化螺柱的高温拉伸试验

为了考察经过固溶+应变强化处理的奥氏体不锈钢螺柱高温力学性能,本文对经过固溶+应变强化处理的S31608试件分别进行了20,100,200,300,400和500 ℃共6个温度下的拉伸试验。试验按GB/T 228.2—2015《金属材料 拉伸试验 第2部分 高温试验方法》【9】进行。

试件采用原始直径为φ21.9 mm的钢棒(M24螺柱的滚丝前直径),切削到φ16 mm,即d0=φ16 mm。试件的原始标距为5×16=80 mm。这种切削是因为试件制备的需要,但是由于经冷拔钢棒的应变强化部分更偏于表面,表面硬化层被部分切削后会导致强度降低。因此实际用于加工螺柱的钢棒的高温表现会优于拉伸试验数据。

表11为S31608(固溶+应变强化)φ16 mm试件的高温拉伸试验数值。图5为上述试件的高温拉伸试验结果与ASME规定值的对比曲线。以S31608(固溶+应变强化)φ16 mm试件在200 ℃下拉伸试验为例绘制的负荷-变形曲线见图6,其拉伸试验设备见图7。

图7 S31608(固溶+应变强化)钢棒高温拉伸试验设备

表11 S31608(固溶+应变强化)φ16 mm试件的高温拉伸试验数值

从图5中可以看出,S31608高温抗拉强度值总体上低于ASME提供的抗拉强度值,但高温屈服强度高于ASME的规定值。试件的断后伸长率均高于ASME规定的室温下最小断后伸长率(15%)。

此外,对经过固溶+应变强化处理的S30408试件分别进行了20,100,200,300,400和500 ℃共6个温度下的拉伸试验。试件采用原始直径为φ21.9 mm的钢棒(M24螺柱的滚丝前直径),切削到φ16 mm,即d0=φ16 mm。试件的原始标距为5×16=80 mm。表12为经应变强化处理的S30408试件的高温拉伸试验数值。由表12可见,其抗拉强度值总体上低于ASME提供的抗拉强度值,但高温屈服强度远高于ASME的规定值。

表12 S30408(固溶+应变强化)φ16 mm试件的高温拉伸试验数值

对于不同材料、不同规格的固溶+应变强化处理的奥氏体不锈钢螺柱进行更多的室温和高温下的力学性能试验是非常有必要的,可以填补国标在这方面的空白,并提高国标制定依据的可靠性。

6 结语

本文对比了国内标准和ASME规范关于奥氏体不锈钢螺柱的相关规定,同时,通过不锈钢螺柱的室温和高温拉伸试验更加直观地介绍了经过应变强化不锈钢螺柱和未经应变强化处理的不锈钢螺柱的强度区别,并提出了确定奥氏体不锈钢应变强化螺柱的许用应力的方法。主要结论如下:

1) 将奥氏体不锈钢螺柱进行应变强化处理,是提高螺柱强度的有效措施。

2) 根据各温度下的屈服强度,按照GB/T 150.1中马氏体合金钢螺柱许用应力的取值方法可合理确定奥氏体不锈钢应变强化螺柱的许用应力值。通过高温拉伸试验,可以更准确地得到不锈钢应变强化螺柱的强度指标并确定不同温度下的许用应力取值。

3) 为保证经应变强化处理的奥氏体不锈钢螺柱具有足够的塑性储备,应对螺柱的断后伸长率最小值和硬度最高值提出限制要求。

4) 参照ASME规范,可扩展GB/T 150.2中奥氏体不锈钢应变强化螺柱的材质类型、公称直径和适用温度范围;经应变强化处理的S31608螺柱可在工程中发挥积极作用。