受火温度对压力容器用Q345R组织与硬度的影响研究①
时间：2023-06-16 22:40:02 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
□□ 张巨银，王学平，张艺潇 (甘肃省特种设备检验检测研究院，甘肃 兰州 730050)
压力容器是现代工业中最为常见的设备之一，已广泛应用于冶金、化工和电力等国民经济的支柱产业领域。但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和灾难[1]。压力容器一旦发生火灾，容器金属暴露在热的直接影响下，当超过金属所能承受的最高允许温度时，理论上可能发生整体或局部的变形，这些变形有可能影响压力容器的继续服役；
也可能通过判识和评定确定维修或继续使用从而节省大量的资金。因而通过研究火灾后压力容器受火灾温度的影响，尤其是其材料组织和性能的变化，结合受火灾影响的基础数据，总结材料火灾损伤模式，对快速准确评判火灾对受火压力容器的影响具有十分重要的意义。现拟选用石油化工企业最常用低合金高强度Q345R钢板进行模拟火灾损伤研究，通过试验找出不同热暴露温度、热暴露持续时间和冷却方式对其微观组织和硬度性能的影响规律，得到其受火性能，建立其受火灾影响材料性能数据库，为该种材料压力容器受火后快速检验和评价提供指导。
在钢板上以电火花切割的方式切割出210 mm×100 mm×24 mm的钢板，留足加工余量，热模拟在马沸炉中进行。由AP1579得知低碳钢在0～425 ℃的组织和性能不发生变化；
并通过式(1)、(2)和(3)确定Q345R的相变温度，材料的性能变化一般发生在相变温度后，故选择设定的试验温度为室温、550 ℃、700 ℃、750 ℃、800 ℃、850 ℃和900 ℃，升温速度为7 ℃·min-1。
(1)
式中：xi——合金元素含量，质量%；
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——为各研究者所用样品的临界点，℃。A1(℃)=723-26Si+20Cr+8W+16Mo+55V-
14Cu-18Ni-12Mn
(2)
10Mn+5Cr+7W+14Mo+5V+18Si
(3)
式中：x——钢中碳含量≤0.4%；
y——钢中含碳量为≥0.4%。
火灾发生后并会持续一段时间，火势的大小决定了热暴露持续时间的长短，试验基于小范围火灾模拟，故取最长的热暴露时间为5 h，最短为1 h，增设1组2 h试验；
由于火灾中常用消防水灭火，故冷却方式采用空冷和水冷，以模拟在灭火过程中被消防水淋到和未淋到两种状态。
热模拟试样经打磨抛光后，用4%硝酸酒精溶液腐蚀，腐蚀后在金相显微镜上观察金相组织，在工程检验中，压力容器的金相检测在其表面进行，故试验所研究的金相组织为钢板表面的金相组织。硬度按照GB/T 4340.1—2009《金属材料 维氏硬度试验 第1部分：试验方法》[2]进行测定，在硬度试样表层间隔均匀取3个点测定数值后取平均值进行分析。
2.1 硬度分析
硬度随热暴露温度的变化如图1所示。<550 ℃时，硬度变化不大，维持175HV以下；
700 ℃空冷时，出现硬度变急剧变化，硬度由163HV降低至142HV，降幅11%；
继续升温，硬度值升高后降低，但基本维持在原始态硬度值附近；
水冷时硬度急剧提升在750 ℃，随着温度上升硬度回落后又上升；
750 ℃时硬度值由原始态163HV上升至375HV，硬度值增加1倍。
图1 不同保温时间下硬度随热暴露温度的变化
GB/T 35013—2018《承压设备合于使用评价》[3]给出Q345R的硬度范围在128～178HB，换算为维氏硬度约为130～180HV。在<700 ℃时，硬度值均符合GB/T 35013—2018的要求。这说明在工程应用中压力容器受<700 ℃火灾时，可认为不影响压力容器的安全使用。
2.2 空冷金相组织分析
不同温度下空冷1 h的金相组织如图2所示。图2(a)显示原始态Q345R金相组织为铁素体加珠光体，铁素体、珠光体呈现明显的带状组织分布。图2(b)～(g)可以看出，随着温度的升高，珠光体分解，带状组织缓解。珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，当加热温度在Ac1以上并保温一定时间，铁素体完全奥氏体化，但渗碳体的分解因保温时间不足而没有完全溶解，在冷却后作为硬质相存在，对金属材料硬度的变化起到了关键的作用；
850 ℃空冷1 h时，带状组织消失，珠光体与铁素体均匀分布；
900 ℃空冷1 h时，珠光体完全分解。由金相组织分析可知：700 ℃空冷时带状组织减轻，珠光体分解，硬度降低；
温度上升至750 ℃珠光体进一步分解但由于晶粒更加细化，硬度值提高并维持原始态硬度值附近。
图2 不同温度下空冷1 h的金相组织
2.3 水冷金相组织分析
不同温度下水冷1 h的金相组织如图3所示。在水冷条件下，550～700 ℃时，金相组织为铁素体加珠光体；
750 ℃时，因为有较高的过冷度，晶粒更加细小，硬度显著增高；
800 ℃时，在珠光体位置仅显示珠光体分解留下碳化物的痕迹；
>850 ℃时，铁素体和珠光体全部转化为奥氏体后在较大的过冷度下，转变为马氏体。马氏体的主要特征是高硬度、高强度，这是因为在马氏体转变时不均匀切变以及界面附近的塑形变形在马氏体晶体内造成大量位错、孪晶以及层错等缺陷[4]，这些缺陷的增加起到强化马氏体的作用，使其硬度增高，强度增大。
图3 不同温度下水冷1 h金相组织
不同保温时间下硬度的变化趋势为：空冷时，硬度随着保温时间延长基本呈现下降趋势；
水冷时，硬度随保温时间的变化不大。750 ℃水冷时，硬度突然升高与晶粒细化有关系；
800 ℃水冷时，随着碳化物的分解，硬度逐渐减小；
850 ℃水冷时，转化为马氏体硬度值增大；
900 ℃水冷时，具有更大的过冷度，其硬度高于850 ℃时水冷的硬度。
在不同的温度和保温时间下，水冷时的硬度均高于空冷时的硬度。在同一温度和保温时间下，特别是在850 ℃时，水冷时出现了马氏体使得硬度比空冷时的硬度高，随着冷却速度增大，硬度也随之增大。其可能的原因是，水冷比空冷具有更大的过冷度，奥氏体的转变温度更低，析出铁素体的的量更少且铁素体硬度更低，所以硬度值较大；
另一可能是铁素体无方向，并且更为细小，碳的饱和度大，位错密度高，弥散度大，因而硬度值更高。总之，金相组织中组成相及其硬度值决定了材料的硬度大小[5]。
3.1 通过热模拟试验获得了空冷(自然冷却)和水冷(强制冷却)条件下Q345R钢板的金相组织和硬度的变化趋势。<700 ℃时，Q345R硬度值在GB/T 35013—2018《承压设备合于使用评价》的范围内，即压力容器受此温度火灾将不影响材料的正常使用；
<550 ℃时，无论水冷还是空冷硬度的变化值幅度较小。
3.2 空冷时随着温度的升高，金相组织由带状组织、晶粒细化、带状组织分解和珠光体分解转化，700～750 ℃存在硬度突然变化点；
水冷时，金相组织由带状组织、带状组织分解、珠光体分解、马氏体生成转化，700～750 ℃为硬度突然变化点。火灾后硬度突变的温度区间对火灾后压力容器快速评估具有十分重要的意义。
3.3 相同的保温时间和温度下，水冷时的硬度总高于空冷时的硬度；
保温时间不同时，空冷后Q345R硬度随保温时间的延长而降低，水冷后Q345R硬度随保温时间的变化不大。
