受火温度对压力容器用JFE-HITEN610U2L力学性能影响研究.pdf

试试试试试试试试试试试试试试试试试试验验验验验验验验验验验验验验验验验验研研研研研研研研研研研研研研研研研研究究究究究究究究究究究究究究究究究究文章编号:1009-9441(2023)04-0039-04受火温度对压力容器用JFE-HITEN610U2L力学性能影响研究 张艺潇,张巨银,王学平(甘肃省特种设备检验检测研究院,甘肃 兰州 730050)摘要:通过热模拟试验模拟火灾发生时压力容器用 JFE-HITEN610U2L 钢板组织和力学性能变化,设置 550、700、750、800、850 和 900 加热,分别保温 1 h、2 h 和 5 h,在强制水冷和空冷条件下研究钢板的组织和力学性能。结果表明:JFE-HITEN610U2L 钢板在常温时的金相组织为回火马氏体和回火索氏体,热模拟试验空冷时,随着温度的升高,马氏体分解,碳化物析出,900 完全转变为铁素体;水强制冷却时,细晶粒的回火马氏体和回火索氏体分解,在奥氏体化不完全时生成部分马氏体,奥氏体完全化后全部组织结构为板条马氏体。JFE-HITEN610U2L 钢板在 700 时硬度由200 HV 突变为150 HV,随后又有上升,700 做为硬度的突变温度在受火灾影响的 JFE-HITEN610U2L 钢制压力容器快速评估时应加以关注。关键词:热模拟试验;金相组织;硬度中图分类号:TH 49 文献标识码:A引言压力容器是现代工业最为常见的设备之一,广泛应用于冶金、化工和电力等国民经济的支柱领域。其一旦发生爆炸和泄露,往往伴生着火灾等次生灾难,会给社会经济和人民生活造成不可估量的损失1。化工厂发生火灾时,金属制压力容器直接暴露在热辐射之下,当超过金属所承受的最高允许温度就有可能发生变形或坍塌,即使外部结构完整,受火的金属组织也可能发生变化,对容器的安全运行造成不良影响,因此,通过研究压力容器金属受火灾温度影响的组织和力学性能,获取受火灾影响的基础数据,分析火灾损伤模式,找出快速评价火灾对压力容器影响的方法具有重要意义。拟选用石油化工企业乙烯球罐最常用低合金高强度 JFE-HITEN610U2L 钢板来模拟火灾损伤,研究不同热暴露温度、热暴露持续时间和冷却方式等对钢板金相组织和力学性能的影响,获取钢板受火性能,积累受火灾影响 JFE-HITEN610U2L 材料力学性能数据库,为该种材料受火后快速评价提供参考。1 试验方法将钢板加工成 210 mm100 mm24 mm 的试样,放入马沸炉进行热模拟,采用经验公式(1)推算材料的相变温度。一般而言,相变温度以下的热效应对材料的力学性能影响不大。故试验热暴露温度选择为 550、700、750、800、850 和900,升温速度为 7 min-1。AC1或 AC3=ni=1aixi+k(1)式中:xi 合金元素含量,质量百分数;ai 1%合金元素的影响效果系数,“+”表示升高临界点,“-”表示降低临界点;k 各研究者所用样品的临界点,。一般计算见式(2):A1()=726-26Si+20Cr+8W+16Mo+55V-14Cu-18Ni-12MnA3()=910-320 x782-150(y-0.4)-14Ni-12Cu-10Mu+5Cr+7W14Mo+5V+18Si(2)式中:x 钢中碳含量0.4%;y 钢中含碳量0.4%。发生火灾时,一般会持续一段时间,受火灾影响材料的损伤程度一般与热暴露温度和时间有关。此次模拟试验为小规模火灾,设定受火灾时间为 1 h、2 h 和 5 h,火灾发生后处置措施分为消防水灭火和自然熄灭,试验采用将加热保温一定时间的试块放置于流动水槽以强制冷却的方式模拟消防水灭火,将加热保温一定时间试块放置于保温砖以自然冷却的方式模拟自然熄灭。热模拟试验结束后,依据 GB/T 228.12021金属材料 拉伸试验 第 1 部分:室温试验方法进行拉伸试验,取 3 根试样平均值;根据 GB/T 22993建材技术与应用 4/2023基金项目:甘肃省市场监督管理局科技计划(SSCJG-TS-201905)。2020金属材料 夏比摆锤冲击试验方法要求进行冲击试验,冲击能量为 300600 J,以 4 根冲击试样冲击功的算术平均值为最终冲击韧性;依据 GB/T 132982015金属显微组织检验方法进行试样金相检验;依据 GB/T 4 340.12009金属材料 维氏硬度试验 第 1 部分:试验方法进行硬度测试,采用0.980 7 N 的试验力,保压 15 s,放大倍数为 400 倍。2 结果与讨论2.1 热暴露温度对硬度及金相组织的影响硬度随温度的变化如图 1 所示。在 550 以下时,硬度值变化不大;在 700 时,不论是水冷还是空冷,硬度值均突变降低,由室温时的 200 HV 降低至 150 HV 左右;继续升温,硬度值上升后降低。图 1 不同保温时间下硬度随热暴露温度的变化 空冷 1 h 材料金相组织如图 2 所示。JFE-HITEN610U2L 原始态金相组织为回火马氏体、回火铁素体以及回火索氏体,随着温度升高,马氏体组织减少,同时逐渐出现一些铁素体组织,从而使得其硬度降低;随着温度升高,保温时间延长,至 850 后,金相组织基本为铁素体,硬度持续降低。图 2 空冷 1 h 金相组织 水冷 1 h 材料金相组织如图 3 所示。由图 3 可知,JFE-HITEN610U2L 水冷时,在 550 组织为回火马氏体和回火索氏体;700 800 时,原始组织的回火马氏体等逐渐分解,铁素体含量逐渐增多,但在部分奥氏体化不完全的情况下,有部分板条马氏体和块状马氏体生成;850 和 900 金相组织全部为板条马氏体和块状马氏体。这与硬度随温度的变化情况基本一致,随着回火马氏体的分解,硬度降低,伴随板条马氏体生成硬度又逐渐提升。马氏体具有高硬度是因为碳对马氏体起到了固溶强化作用,过饱和的碳原子在铁的晶格中造成晶格畸变,阻碍位错运动;奥氏体向马氏体转变时会形成晶格缺陷密度很高的亚结构,如位错或孪晶,其会阻碍位错运动,从而提高材料的强度和硬度;马氏体在室温停留时,发生的“自回火”使碳原子和合金元素的原子向位错及其他晶体缺陷处扩散、聚集或弥散析出,扎钉位错阻碍位错运动,也可以提高材料的硬度2。04Research&Application of Building Materials图 3 水冷 1 h 金相组织2.2 保温时间对硬度的影响不同热暴露温度下材料硬度随保温时间的变化如图 4 所示。从图 4(a)可以看出,700 时,JFE-HITEN610U2L 硬度随保温时间的延长先降低而后略有升高,其原因为:在该温度下原始组织回火马氏体开始分解,硬度降低,随着保温时间的延长,会有部分的碳化物生成,使硬度上升;800 以上时,硬度随保温时间降低,在该温度以上全部奥氏体化,在空冷时转变为铁素体和珠光体,且部分碳化物分解。因而空冷时,JFE-HITEN610U2L 硬度随保温时间的延长而降低。图 4(b)可以看出,保温时间对硬度的影响不是很大。其 原 因 为:在 组 织 变 化 温 度 以 下,JFE-HITEN610U2L 硬度不随保温时间变化;700 时,回火马氏体分解,铁素体逐渐增多,但在水冷强制冷却下,晶粒会更加细小,硬度会有所提高,可以部分抵消马氏体分解造成的硬度降低。随着温度持续升高,组织全部奥氏体化,急剧冷却后转变为板条马氏体,而 板 条 马 氏 体 硬 度 高。因 而 水 冷 时,JFE-HITEN610U2L 硬度随保温时间变化不大。图 4 不同热暴露温度下硬度随保温时间的变化2.3 冷却方式对硬度及金相组织的影响两种冷却方式下硬度随热暴露温度的变化如图 5 所示。由图 5 可知,在 700 以下,空冷和水冷的硬度至接近,超过 700,水冷的硬度值大于空冷的硬度值。在同一温度和保温时间下,特别是温度750 时,水冷出现马氏体组织,使得硬度比空冷时的高。有研究表明,随着冷却速度的增大,过冷奥氏体组织由铁素体和珠光体逐渐向马氏体和贝氏体转变。这说明随着冷却速度的增大,冷却后 JFE-HITEN610U2L 硬度有增大的趋势。3 结论3.1 热暴露温度在 550 以下时,压力容器用钢板JFE-HITEN610U2L 硬度基本没有变化;700 时硬度突变,可以作为火灾后该种材料力学性能变化考核的温度点。14建材技术与应用 4/2023图 5 两种冷却方式下硬度随热暴露温度的变化3.2 550 以下时,JFE-HITEN610U2L 的金相组织为回火马氏体和回火索氏体,空冷时随着温度的升高,马氏体分解;至 850 以上时,金相组织基本为铁素体;水冷时,700 马氏体分解,850 以上又生成马氏体;材料金相组织的变化能够说明其硬度的变化。3.3保温时间对 JFE-HITEN610U2L 硬度的影响不大。3.4 冷却方式对 JFE-HITEN610U2L 硬度有很大影响。700 以下时,水冷和空冷硬度值基本一致;700 时,因为水冷时马氏体的出现,水冷的硬度大于空冷的硬度。参考文献:1 张巨银,王学平,牟龙龙,等.一种快速评价火灾后压力容器的方法研究J.建材技术与应用,2020(5):44-46.2 叶宏,仵海东,张小彬.金属热处理原理与工艺M.北京:化学工业出版社,2011.Effect of Exposure to Fire Temperature on Mechanical Properties of JFE-HITEN610U2L Used in Pressure VesselZHANG Yi-xiao,ZHANG Ju-yin,WANG Xue-ping(Gansu Province Special Equipment Inspection and Testing Institute,Lanzhou,Gansu,730050,China)Abstract:The changes of structure and mechanical properties of the JFE-HITEN610U2L steel plate used in the pressure vessel during fire were simulated by thermal simulation test.The steel plates were heated at 550,700,750,800,850 and 900 for 1 h,2 h and 5 h,respectively.The microstructure and mechanical properties of steel plates were investigated under forced water cooling and air cooling conditions.The results show that the metallurgical structure of JFE-HITEN610U2L steel plate at room temperature is tempered martensite and tempered soxhlet.In the thermal simulation test,with the increase of temperature,martensite decomposition,carbide precipitation,900 completely transformed into ferrite.When water is forced to cool,the tempered martensite and tempered sortensite of fine grains decomposes,and partial martensite is generated when austenite is incomplete.After austenite is complete,all the structure is lath martensite.The hardness of JFE-HITEN610U2L steel plate changed from 200 HV to 150 HV at 700,and then increased again.700 as the mutation temperature of hardness should be paid attention to in the rapid evaluation of JFE-HITEN610U2L steel pressure vessels affected by fire.Key words:thermal modeling test;metallographic structure;hardness作者简介:张艺潇(1988-),女,甘肃兰州人,工程师,2011 年6 月本科毕业于兰州理工大学化学工程与工艺专业,现从事承压类特种设备检验检测及安全评估方面的工作。收稿日期:2023-02-21(编辑 张晋红)以我媒介 传您美名 建材技术与应用邮发代号:224924Research&Application of Building Materials