采用不同温度的高温拉伸、冲击试验,对比经历3种不同热状态的304H不锈钢管的高温力学性能,并通过固溶处理前后的微观组织的对比,对其高温力学性能进行了分析。

304H是一种被普遍使用的耐热奥氏体不锈钢,晶粒度大于等于7,它具备良好的抗腐蚀能力,优良的ㄨ力学强度、韧性,同时还有良好的制造和焊接性能。由于304H中的碳含量控制在下限,这使得⊙它具备了在高温环境中工作的能力,广泛应用于石化行业。

某〇公司苯乙烯脱氢系统材料304H,正常操作温度619,最高649℃。在高∞温服役4年中反复开停→机40,设备出现多条穿透和未穿透性裂纹。为保证→设备正常使用,减少裂纹,有必要研究高温运行对其性能的影响。

1试验材料与方法

试验材▲料为∏3304H不锈钢(厚度10mm,化学成分如表1所示)。分别为经历Ψ4年高温使用♀的钢板。靠近焊缝附近使用后的304H不锈钢管板和未使用过的新︽板。参照现场操作温度,新板高温试验温度水平选取18620640660680750℃。旧板和焊缝附∏近钢板温度640℃。

高温拉伸试验在电子万能试验机CSS-2220型试验机上¤进行、高温试验装置CSS275G,拉伸应变速率为10-2mm/s。参照国家标准GB2975GB/T4338-1995、制备拉伸试验圆形比例试样,规格是GR2d0=5mm、试样标距为25mm

高温↓冲击试验在JBG2300高温冲击试验机上进行。参照GB/T229-1994夏比V型缺口冲击试验标准,新板试样大小为55mm×7.5mm×10mm、旧板试样规格为55mm×10mm×10mm,缺口深度2mm,冲击能量300J

2试验结果及分∞析

2.1304H高温拉伸数据分析

304H新板在620750℃试验温度下,高温拉伸试验数据卐见表2

(1)304H奥氏体〇不锈钢屈服强度和抗拉强度从常温时270MPa725MPa,减小到620℃时的127MPa366MPa,减小一半左右。而』伸长率从59.5%减小到38%。表明在高温下304H不锈钢强度和↑塑性明显降低。

(2)断后伸长率【:620750℃试验温度下的断后伸长率在34%46%之间,断后⌒伸长率最低点在640℃处为34%,最高点在750℃值为46%。在620750℃之间,断后伸长率先减小后增大。

(3)断面收缩率:304H奥氏体不锈钢在620750℃试验温度下的断面收缩率在59%78%之间。收缩∑ 面积最大相差19%。在620750℃之间,断面收缩率随温度升高而变大。

(4)屈服强度:620750,屈服强度变化趋势分2个阶段。从620℃时127.33MPa减小到660℃时95.33MPa。在660℃以上屈服强度微弱增大,750℃的屈服强度102.33MPa,并且均大于标准值119.3MPa99.2MPa,见图2,显示出该板材▲在高温下仍有较高的强度。

(5)抗拉强度:在试验温度下随温度的升高而减小,640680℃之间减弱趋势不明显,见图2

(6)屈强比:常温的屈服强度和640℃之前没有明显变化,660℃比常温♀减小了7%之后,随温度增加而明显增大。

从以上拉伸性能各指标对比可知,304H奥氏体不锈钢从高温下的屈服强度、抗拉强度、伸长率对比常温指标有大幅减小,塑性减∴弱明显,而且随着温度增大有加速减弱趋势。在640680℃之间,尤其是660℃附近,各项性能形成拐点。断后伸长率、收缩率、屈服强度、屈强比急速减小,而抗拉强度却没有明显变化。说明在该温度区间段钢材的塑性加速降低后又迅速回弹,属于该材料的敏感温度区※间。

2.2不同材料高温拉伸数据分析

640℃温度条件下,304H不锈钢☆新板、304H旧板、304H焊缝材料的高温拉伸试验结果见表3

304H旧板、靠近焊缝的母材经过619℃的长期高温硬化,屈服强度、伸长率、收缩率明显小于新板,抗拉强〗度大于新板,而且焊缝周围的硬化现象更为明显。

2.3冲击试验数据分析

620750℃时,304H新板的冲击吸收功有先下降后上升的趋势,见表4

冲击吸收功在660680℃之间(试验中为670℃附近)达到阶段最低点。说明304H奥氏体不锈钢在试验温度下韧◆性程先下降后上升的趋势,660℃附近韧性最◎小。

2.4金相试验分析

根据现场4年中设备反复加热冷却的工况,304H新板反复加热冷却】试验。

金相试验分析,微观形貌呈奥氏体及少量铁素体,晶界和晶粒上有」不同程度碳化物和σ相析出,详细结论如下。

(1)304H在反复高温加热之后,晶界熔合呈正火态组织,相比较而言,固溶█处理以后,晶界碳化物和轧制带明显减少,晶粒中有大量的孪晶出现,如图4(b)5(b)所示。

(2)304H新旧板在620750℃温△度区域铁素体析出σ相,σ相的w(Cr)42%50%之间,是一种硬度很高(7001000HV)的脆性相,从而降ㄨ低钢的韧度和耐腐蚀疲劳性能。

(3)在经过1065℃保温30min,水淬固溶处理后,晶界析出的碳化物重新溶解于基体组织中,呈现出原始奥氏体形态,见图4(b)5(b)

(4)相比固溶处理前的新板,304H旧板的晶粒粗大,轧制带◣消失,这是高温服役4年设备材料高温性能恶化,导致出现裂纹的组织原因。

3结论及分析

(1)620℃及以上¤温度时304H材料的强度较常温时下降一半以上,塑性有明显降低。

(2)640680℃是304H材料的敏感温度区间◆,在该区间内材料ζ强度、塑性、韧性最差,脆性最大。

(3)金相对♀比分析说明,反复加热过的新板和304H不锈钢管都存在不同程度的碳化物和σ相析出,但是固溶处理后材料晶界碳化物和σ相析出相对较少。这表明热历史对304H材料的微观组织产▼生了影响,进而会影响材料的力学性能;固溶处理后的金相组织晶界呈直条状,等轴奥氏体晶粒形态,无轧制带出现√,晶界无明█显碳化物析出。

(4)根据位错理论,金属的塑性变形实质上是位错运动和增殖的结果△,而金属的强度,是表征材料对位错运动和增殖的阻力。在450850℃敏化区间沿晶界析出碳化物碳〖化物,阻碍位错的运动,引起位错的塞积←,宏观上表现出材料的强度、硬度上升,塑性、韧性下降,使304H不锈钢管性能变差。

4建议

(1)严格控制使用温度,避免落入640680℃温度敏化〗区。

(2)对已脆化的304H不锈钢管可采用固溶处理工〒艺,恢复其力学性能。