25Cr2MoVA和15CrMo钢的高温蠕变特性

喻九阳，王明伍，张红才，郑小涛，桑 聪

1.武汉工程大学机电工程学院，湖北 武汉 430205；2.中石化湖北化肥分公司，湖北 枝江 443200

0 引 言

某炼化厂延迟焦化装置中高温法兰连接系统长期处在高温高压工况下，因材料发生蠕变，出现应力松弛现象，致使法兰发生泄漏失效（如图1所示）.常用于高温螺栓法兰连接系统中的螺栓材料为25Cr2MoVA钢，15CrMo钢也以其优良的材料性能成为工业上重要的高温管道及法兰材料用钢，两者在蠕变载荷下的力学性能显得尤为重要.

很多学者对15CrMo钢和25Cr2MoVA的高温性能进行了研究，南京工业大学沈轶［1］对25Cr2MoVA在550℃下的蠕变行为进行了部分研究.江国栋等［2］分析了汽轮机螺栓材料25Cr2Mo1V在高温长时间工作条件下的脆化机理.杨瑞成［3］综合研究了15CrMo钢的蠕变强度、持久强度及其老化行为.袁超［4］、程宏辉等［5］解释了15CrMo高温过热器弯管的失效机制.本文通过化学成分分析、高温拉伸试验、高温蠕变实验对两种材料的特性进行了实验分析，对得到的实验数据进行了分析、拟合及讨论，最终给出了材料在500℃条件下的蠕变本构方程.两者的蠕变力学行为是保证高温螺栓法兰连接紧密性和高温管道连接可靠性的基础，具有重要的工程价值.

图1 高温管法兰连接泄漏失效Fig.1 The leakage failure of pipe flange connection

1 实验条件

1.1 化学成分分析

根据标准 GB／T3077－1999《合金结构钢》［6］对25Cr2MoVA钢进行化学成分分析.同时，根据GB／T9938－2006《石油裂化用无缝钢管》［7］对15CrMo钢的成分进行评价.表1、表2中，两材料各元素的质量分数均在相应标准给出的标准值范围内.两材料化学成分分析对后续试验结果的可靠性提供了依据.

表1 25Cr2MoVA钢的化学成分Table 1 Chemical composition of 25Cr2MoVA steel %

表2 15CrMo钢的化学成分Table 2 Chemical composition of 15CrMo steel %

1.2 试验设备

本实验采用长春机械科学研究院有限公司生产的RPL50高温电子蠕变疲劳试验机（图2所示）.该试验机最大加载能力为50kN，量程为满量程的1%～100%.在满量程的1%～100%范围内，测量误差为示值的±0.5%.拉杆速度区间是0.01～50mm／min，拉杆最大行程为180mm.高温炉温度范围是300℃～900℃，其测量误差为≤（±2）℃.该试验机功能完善，不仅具备基本的蠕变、松弛试验功能，还能进行拉压过零、低周疲劳试验、蠕变疲劳等复杂的试验.

图2 RPL50高温电子蠕变疲劳试验机Fig.2 RPL50type high－temperature creep fatigue testing machine

1.3 试样制备

根据国标 GB／T2039－2012［8］的规定和试验机要求，采用螺纹夹持的圆棒试样，且标距段用金相砂纸沿轴向打磨抛光.试样尺寸和实物如图3所示，试样标距长度为100mm，直径为10mm.

图3 单轴蠕变试样示意图Fig.3 Sketch of the uniaxial creep specimen

2 高温性能试验

2.1 高温拉伸试验

利用RPL50高温电子蠕变疲劳试验机的持久试验功能对2种材料进行高温拉伸试验.试验时，预加载荷0.5kN，试验温度500℃，保温时间30min，温度波动不超过（±2）℃，采用负荷斜坡加载控制模式，加载速率12kN／min.由图4可知25Cr2MoVA钢在500℃下的屈服应力约为310MPa.2种材料拉伸断裂试样如图5所示.由图6可知15CrMo钢在500℃下的屈服应力约为292MPa.25Cr2MoVA及15CrMo钢的高温拉伸试验对后续两种材料的高温蠕变实验的预紧、加载、分析等提供依据.

图4 500℃时25Cr2MoVA钢的应力应变曲线Fig.4 Stress－strain curve of 25Cr2MoVA steel at 500 ℃

图5 500℃时15CrMo钢的拉伸试样Fig.5 Tension specimen for 15CrMo steel at 500℃

图6 500℃时15CrMo钢的应力应变曲线Fig.6 Stress－strain curve of 15CrMo steel at 500 ℃

2.2 高温蠕变试验

螺栓材料25Cr2MoVA和法兰材料15CrMo的高温蠕变试验可利用RPL50试验机的蠕变试验功能进行测试.试验时预加载荷0.5kN，试验温度500℃，保温时间30min，温度波动不超过（±2）℃.25Cr2MoVA钢的试验载荷为300MPa，15CrMo钢的试验载荷设定为250MPa.采用负荷斜坡加载控制模式，加载速率12kN／min.500℃时25Cr2MoVA钢在300MPa拉伸载荷下的静态蠕变曲线如图7所示，且蠕变速率随时间的变化关系如图8所示.500℃时15CrMo钢在250MPa拉伸载荷下的静态蠕变曲线如图9所示，且蠕变速率随时间的变化关系如图10所示.

图7 500℃时25Cr2MoVA钢在300MPa拉伸载荷下的静态蠕变曲线Fig.7 Static creep curve of 25Cr2MoVA steel corresponding to 300MPa tension load at 500℃

图8 500℃时25Cr2MoVA钢在300MPa拉伸载荷下的静态蠕变速率Fig.8 Creep strain rate of 25Cr2MoVA steel corresponding to 300MPa tension load at 500℃

图9 500℃时15CrMo钢在250MPa拉伸载荷下的静态蠕变曲线Fig.9 Static creep curve of 25Cr2MoVA steel corresponding to 250MPa tension load at 500℃

图10 500℃时15CrMo钢在300MPa拉伸载荷下的静态蠕变速率Fig.10 Creep strain rate of 15CrMo steel corresponding to 250MPa tension load at 500℃

3 数据分析及讨论

工程中的蠕变是指工作温度高于构件熔点0.4倍时，金属在持续应力的作用下（即使小于弹性极限），随时间增长均会产生缓慢的塑性变形.蠕变分三个阶段：瞬态阶段、稳态阶段、加速蠕变阶段.本文依据时间硬化理论［9］，认为蠕变率降低显示出材料硬化的主要因素是时间.故研究在温度一定时，在特定应力条件下，蠕变率与时间的关系，后期将研究蠕变率与时间、应力的关系.

实验结果表明，在初始的时间段内，两种材料试样均处于瞬态阶段，蠕变应变随时间延长迅速增加，而蠕变速率随时间延长而快速减小，直至蠕变速率恒定，进入稳态蠕变阶段.此后蠕变应变随时间延长而近似线性增长，而蠕变速率随时间基本保持在较小的稳定值，直至加速蠕变阶段.

3.1 25Cr2MoVA蠕变数据分析

500℃时25Cr2MoVA钢在300MPa拉伸载荷下的静态蠕变曲线如图11所示.设备在使用的过程中主要涉及到瞬态蠕变、稳态蠕变，不考虑加速蠕变阶段的情况.观察蠕变数据的变化趋势，结合Akli Nechache［10］对螺栓法兰连接中螺栓材料蠕变的研究，可将其蠕变演化方程定义为

其中，A1、A2、A3和n为蠕变材料常数，可通过拟合静态蠕变曲线获得，曲线拟合结果如图11所示，蠕变参数如表3所示.

图11 500℃时25Cr2MoVA钢在300MPa拉伸载荷下的蠕变拟合曲线Fig.11 Creep fitting curve of 25Cr2MoVA steel corresponding to 300MPa tension load at 500℃

表3 500℃时25Cr2MoVA钢在300MPa拉伸载荷下的蠕变参数Table 3 Creep parameters of 25Cr2MoVA steel corresponding to 300MPa tension load at 500℃

3.2 15CrMo蠕变数据分析

500℃时15CrMo钢在250MPa拉伸载荷下的静态蠕变曲线如图12所示.此处只涉及蠕变的第一阶段和第二阶段，不考虑蠕变第三阶段.观察蠕变数据的变化，结合Akli Nechache［10］对法兰材料蠕变的研究，将其蠕变演化方程定义为

其中，B1，B2，B3和m 为蠕变材料常数，可以通过拟合静态蠕变曲线获得，曲线拟合结果如图12所示，蠕变参数如表4所示.值得注意的是，方程（2）中前两项为瞬态蠕变项，而第三项为稳态蠕变项.

图12 500℃时15CrMo钢在250MPa拉伸载荷下的蠕变拟合曲线Fig.12 Creep fitting curve of 15CrMo steel corresponding to 250MPa tension load at 500℃

表4 500℃时15CrMo钢在250MPa拉伸载荷下的蠕变参数Table 4 Creep parameters of 15CrMo steel corresponding to 250MPa tension load at 500℃

4 总结与展望

通过实验方法对螺栓法兰连接系统中常用螺栓材料（25Cr2MoVA）和法兰材料（15CrMo）进行了高温拉伸试验和高温蠕变实验，结合实验数据分析两材料的高温特性.

a.25Cr2MoVA钢在500℃下的屈服应力约为310MPa；15CrMo钢在500℃下的屈服应力约为292MPa.

b.在500℃高温300MPa拉伸载荷作用下，对25Cr2MoVA钢高温蠕变实验获得的实验数据进行拟合推算得到其蠕变率表达式为

c.500℃高温及250MPa拉伸载荷共同作用下，对15CrMo钢高温蠕变实验获得的实验数据进行拟合推算得到其蠕变率表达式为

对两种材料拟合的蠕变演化方程进行验证，25Cr2MoVA钢的线性回归值与实验值平均相对误差为2.01%，15CrMo钢的线性回归值与实验值平均相对误差为1.35%，证明了两材料高温高压条件下蠕变应变、时间二者变化规律的数学模型的可靠性，具有一定的工程应用价值.

d.依据对数据分析、拟合，研究对象作为优质的螺栓和法兰材料依然存在较大的蠕变损伤，这不利于法兰连接系统的紧密性.后期将通过添加碟形弹簧等元件来改善法兰连接的轴向韧性，克服蠕变松弛，并给出具体泄露控制方法.

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