特种设备材料性能研究与评价试验室建设与发展

徐 彤 张雪涛 桂乐乐 王汉奎 孙 超 赵 博 宋 明 翟建明

（中国特种设备检测研究院 北京 100029）

特种设备材料性能研究与评价试验室建设与发展

徐 彤 张雪涛 桂乐乐 王汉奎 孙 超 赵 博 宋 明 翟建明

（中国特种设备检测研究院 北京 100029）

本文简要介绍了中国特种设备检测研究院特种设备材料性能研究与评价试验室的建设背景，装备和试验情况，以及形成的研究能力。对已经完成的和正在进行的微损测试技术、材料高温损伤评价技术、氢环境材料适用性研究、材料断裂韧性测试和估算方法研究、材料性能数据积累和挖掘等科研工作进行了重点介绍。总结归纳了搭建科研型试验室的经验，并展望了今后的发展方向。

科研型试验室 材料性能评价 数据

1 需求背景

特种设备安全是全寿命周期的管理，从本质安全到风险防控，都离不开材料性能研究与评价的支撑。设计过程，要考虑材料的强度和韧性，必要时还要考虑断裂韧性、高温持久蠕变、疲劳等力学性能、抗腐蚀性能以及高温、高压、强腐蚀、深冷等严苛环境的适用性、可靠性等问题；制造过程，要考虑材料的可加工性、可焊性和热处理影响等问题；在役设备的检验评价、风险评估、寿命预测等要考虑材料的劣化、腐蚀等问题。长期以来，我国在特种设备材料性能研究与评价方面积累甚少，而且随着我国经济和国际化的发展，这种需求更加迫切，主要体现在：我国特种设备标准需要的材料数据亟待补充、材料国际化需要的性能数据亟待填补、特殊环境下的材料适用性评价和材质劣化评价的试验研究亟待开展等方面。

1.1 标准需要的材料数据亟待补充

由于历史原因，我国特种设备标准所列材料性能很多直接照搬国外相类似材料的性能数据，例如GB 150的外压应力系数曲线、低温冲击豁免曲线以及JB 4732材料高温性能数据等均缺乏我国材料牌号的性能数据作为支撑。特别是，当借鉴国外先进思路和技术，制修订我国承压设备建造标准时，最困难的不是国际领先技术的消化吸收和再创新，而是局限在缺乏相应的试验数据支持。

众所周知，压力容器用碳钢和低合金钢的材料许用应力［σ］是根据材料力学性能进行选取，取下列各值中的最小值［1］：

式中：

Rm——材料抗拉强度下限值；

Rel——材料室温下的下屈服强度；

确定不同材料不同温度下的许用应力，需要有相应温度下各个材料的力学性能数据来支撑。材料标准中的每个性能值的确定，需要不同炉批不同规格的材料数据综合分析才能获得。当设备的设计温度在蠕变范围，也就是说在时间相关的范围内时，材料的许用应力通常并不是由材料的强度所决定，而是由持久或蠕变性能确定。但是获得10万小时的材料性能数据谈何容易。2012年GB 2039《金属材料 单轴拉伸蠕变试验方法》改版，将蠕变持久试验的数据外推方法从“一推十”改成了“一推三”，也就是说，如果要获得耐热高温材料的10万小时蠕变持久性能，仅仅做1万小时的试验已经远远不够，必须进行3.4万小时试验，也就是需要4年不间断的实验数据。很明显，标准中材料数据的确定，需要进行大量的试验，而且相当耗时。

1.2 材料国际化需要的性能数据亟待填补

2013年，习近平主席提出了“一带一路”的国家发展战略，为我们国家工程装备整体走出国门提供了新的机遇。承压设备做为石化、能源的核心装备，其设计、生产、制造的国际化需求日益强烈。采用境外材料制造承压设备，原材料采购成本高、供货周期长、项目风险大，极大降低了我国工业装备的国际竞争力，采用国外材料经常是工程公司不得已而为之。另外，出口产品采用中国承压设备材料制造的只占很小的比例，造成了我国承压设备出口产品技术含量低、经济附加值少。而当国内材料标准得到国际上认可后，可以使得我国标准中的材料可用于国外产品的建造，从而对于国内承压设备相关单位提高生产水平，降低生产成本，缩短生产周期有重要的实际意义，可以提升我国承压设备的国际化竞争力。若能正常发展，必将带来巨大的经济效益，促进中国材料走向世界，也促进中国承压设备标准走向世界［2］。

标准互认，首先就是要有足够的材料性能数据。以进入ASME锅炉压力容器规范为例，申请纳入ASME BPVC的新材料，需要提供大量系统性数据，其中包括至少三个炉批号的化学成分、物理性能、拉伸性能、冲击性能等。若材料用于特殊环境，如高温、低温或循环载荷等工况，还需要提供高温蠕变、持久强度、疲劳强度等大量的基础实验数据［3］。而我们国家材料研制中基础数据缺失、数据系统性较差，特别是缺乏长时试验数据，极大阻碍了我国承压设备用材料的国际化进程，亟待开展试验研究填补急需数据。

1.3 材料适用性评价和材质劣化评价的试验研究亟待开展

随着经济的迅猛发展，特种设备向高参数化大型化升级；而产业调整和新型可再生能源技术的发展，如太阳能、氢能等新能源的利用，也使得对新材料的需求也逐渐增多，高强钢、新型耐热钢、双相钢、复合材料以及非金属材料的需求逐渐扩大。新型材料的性能评价，特别是在特种设备行业的适用性，显得尤为重要。同时，特种设备行业建造技术的发展，从基于强度的设计制造，提升到基于失效模式的设计、基于可靠性的制造和基于风险的检验［4］，使得材料数据的需求从材料拉伸强度、冲击韧性和晶间腐蚀，扩展到材料的持久蠕变性能、疲劳性能、断裂韧性、应力腐蚀敏感性以及组合工况下的材料性能等。材料在液氨、液氢，甚至液氦条件下的韧性和强度评价，材料在高温、超高压、氢气等环境中的裂纹敏感性评价等等，都需要实验数据的支持，需要定量的评价方法。

另外，随着时间的推移，上世纪八、九十年代建造的石化装置、电站锅炉逐渐步入老年期，设备是否还合于使用？可靠性如何？剩余寿命多久？回答这些问题必须靠数据说话，因此材料性能退化状况的测试和评价尤为重要。

在此背景下，中国特种设备检测研究院（以下简称：中国特检院）以满足行业需求为目标，在原有材料实验室基础上，加大投入，致力于建设我国特种设备材料性能研究与评价试验室，经过将近10年的投入和积累，目前已初具规模。

2 具备的设备和能力

2.1 设备购置

2007年以来，中国特检院累计投入3500多万元，购置了100余台单价万元以上的设备，包括：万能试验机、摆锤冲击试验机、疲劳试验机、蠕变持久试验机、金相显微镜、扫描电镜、光电直读光谱仪、碳硫仪、天平、电化学工作站等试验设备以及金相切割机、金相抛磨机、小型磨床等试样制备装置。实践中发现，购置了设备和装备并等于具备了试验研究能力，要想切实开展行业需要的材料性能试验与评价研究，必需围绕试验研究的特殊要求，比如：温度环境、热处理控制、腐蚀与老化、特殊环境下的测量等，开发配套装备，进行升级改造。

2.2 升级改造

●2.2.1 温度环境

随着国家的产业转型和新能源需求，液化天然气液化石油气等工业气体装备发展加快，低温绝热环境下材料的强度、韧性以及材料与介质的相容性都需要进行深入分析。为了确立低温环境下服役的压力容器对材料强度、韧性指标的要求，需要大量的实验数据来支持法规标准对低温使用条件的规定。因此，对部分拉伸试验、摆锤冲击试验、疲劳试验装置先后进行了改造，分别增加了低温试验环境，通过液氮喷淋技术实现温度从室温到-196℃的无极调温，以便进行材料的低温性能测试。经过改造，已能完成低温拉伸、低温冲击、低温CTOD断裂韧性等试验。图1显示了材料高低温拉伸应力应变曲线。同时，研制了低温金相分析试验装置（见图2），观察低温环境下材料金相组织的变化情况［5］。

针对耐热钢长时数据的需求，对蠕变持久试验机的系统调平、温控、变形测量、数据传输与储存等，也分别进行了升级改造，实现了长时高温条件下，试验数据的稳定性和可靠性。

（a）

图1 （a） 30408系列低温拉伸应力应变曲线

●2.2.2 热处理控制

承压设备在建造过程中，一般都不能避免焊接，消除应力的焊后热处理的控制极为关键。钢材通过调质处理，可以提高强度，但是也增加了材料焊接冷裂纹、再热裂纹以及对腐蚀的敏感性。在此条件下，焊后热处理工艺的控制就显得更为重要。购置的热处理炉虽可以设定升温时间和目标温度，但没有升温曲线，不能记录热处理过程的温度变化过程；虽然有炉子的温度，但是试样上的温度也没有记录；降温条件也仅仅能满足炉冷、空冷2种方式，而且降温速度不可调，因而不能满足科研工作的需求。通过技术改造，不仅解决了温度记录的问题，还增加了中央控制系统，实现了热处理过程升温速度可控；增加了快速循环冷却装置，保证冷却温度，改变了只能进行空冷、炉冷的状况，可以对试件进行温度可控的油冷、水冷等，而且空冷速度在一定程度上可控。使得热处理研究的能力从正火、退火拓展到可淬火、可回火。

●2.2.3 腐蚀与老化

腐蚀历来是承压设备安全关注的焦点问题，也是影响其使用寿命的重要因素。特别是近年来由于原料的劣质化趋势，使得部分承压设备运行环境的苛刻性增加；而新材料的不断发展，也对承压设备既有的腐蚀与安全经验构成了巨大冲击。承压设备的腐蚀问题，广泛受到了企业、学界和工程界的关注。虽然购置了电化学工作站等试验仪器，但完成腐蚀试验还需要更多的辅助装备。为此我们研制了适应科研需求的试样挂架、腐蚀试样加工装置、腐蚀废气回收装置等。另外，针对以圆管为主要产品形式的非金属材料，发明了一种适用于管状试样的老化箱。现已搭建了温度、腐蚀介质形态和介质成分可控的露点腐蚀模拟研究平台，可利用电化学等测量手段研究介质成分对露点腐蚀反应进程的影响规律，从而研究腐蚀速率对各影响因素的敏感程度，在腐蚀试验室模拟试验的基础上，为解决硫酸露点腐蚀机理、防腐、电化学测试研究等问题提供基础。

●2.2.4 非接触式测量

图3 奥氏体不锈钢焊缝应变全场测量

通常，较精细的材料单轴拉伸试验是要在拉伸试样的平行段放置引伸计，这样不仅可以得到材料的屈服强度和抗拉强度，还可以得到试验过程材料的应力-应变曲线。在高温环境下使用高温引伸计；低温环境下使用低温引伸计，而这些引伸计都是单方向，得不到试样在其他方向的变形。非接触式测量使得变形场和应变场的测量成为可能。现在我们拥有非接触式视频测量、散斑测量等，可以在高温、低温、腐蚀等严苛环境下开展材料性能试验，这意味着当常规的接触式变形测量方式不适用时，非接触式测量成为必不可少的手段。图3显示了在室温蠕变试验中焊接接头的应变场测试情况。另外，非接触式测量还可以减少在常规测量方式中的人为误差。图4显示的是我们自行研发的侧向膨胀量光学投影测试平台。该装置正在进行再次改造，以同时用于断面纤维率的测量。

图4 侧膨胀量光学投影自动测量

2.3 试验能力

在设备购置和升级改造的基础上，我们形成了如表1所列的实验研究能力。

表1 中国特检院材料试验与分析能力一览表

试验室类型 试验和分析项目常规力学性能、材料疲劳与断裂、材料高温持久蠕变性能实验室示波冲击试验（-190℃~常温）4J~600J摆锤冲击试验（-196℃~常温）落锤冲击试验（-190℃~常温）断裂韧性试验（-129℃~常温）布氏、洛氏、维氏、邵氏硬度及显微硬度测试高温蠕变及持久试验高周疲劳试验（-180~300℃）低周疲劳试验（-129~1300℃）步冷试验高压氢环境恒载荷拉伸试验热膨胀系数测试（室温~1200℃）气体渗透率测试磁性法铁素体测量微损技术实验室液压鼓胀试验小冲杆试验微损法残余应力测试微损取样常规腐蚀、腐蚀模拟实验室腐蚀电化学分析腐蚀失重晶间腐蚀点腐蚀试验恒载荷应力腐蚀试验慢应变速率应力腐蚀（室温~350℃，常压~35MPa）试验非金属材料失效实验室盐雾、湿热、周期浸润等环境加速腐蚀试验氙灯老化试验管状试样紫外老化试验涂层性能表征焊接试验室应变场测试金属热处理

3 试验研究初见成效

近年来，我们发明了微试样液压鼓胀试验技术［6-7］，为在役设备材料退化状况的评估提供了新的材料性能试验方法；开展了大量的12Cr1MoVG和P91等材料的高温持久蠕变试验，为材料的组织演化研究打下基础，并为中国材料牌号国际化提供数据支持；探索氢环境下材料的适用性研究，为清洁能用储运中的储氢容器设计制造以及相关标准制修订提供支持；比较和研究不同断裂韧性试验和估算方法，为防脆断设计准则的制定做好数据积累；深度挖掘实验数据，提出了步冷试验的数据处理方法［8］；研制了石墨渗透率测试装置，解决了我国安全技术规范对石墨有渗透率规定而国内尚无试验标准的难题。现就我们开展的实验研究及其成效简单介绍如下。

3.1 微损测试技术

微损测试技术的研究目标是提出材料在严苛环境下劣化程度评估方法。从2008年开始，中国特检院从小冲杆试验入手，逐渐开展微型试样测试技术的研究。在归纳总结研究过程中所遇到的各种问题基础上，提出了微损测试技术这一概念，目的是说明微试样试验技术并不是简单的小试样试验，而是汇集取样技术、制样方法、试验装置设计、试验过程控制、以及试验数据解读等成套的技术。

在取样技术方面，研制了线切割取样机，采用铜丝作为电极，已在试验室环境进行了取样，取样效率高于日本产电火花取样装置。

在实验技术发展方面，我们在小冲杆试验的研究中，通过大量的试验研究和有限元分析计算，在研究的基础上提出了国家标准GB/T 29459.1—2012 《在役承压设备金属材料小冲杆试验方法 第1部分：总则》［9］和GB/T 29459.2—2012 《在役承压设备金属材料小冲杆试验方法 第2部分：室温下拉伸性能的试验方法》［10］。另外，借助于小冲杆实验研究的经验，并参考爆破片制造的原理，发明了一套微试样液压鼓胀试验装置［6，7］（详见图5），用于测量材料力学性能。现阶段已可以在微试样试验测量结果基础上解算大部分的低碳钢、低合金钢、奥氏体不锈钢等材料的屈服强度和抗拉强度，并提出了断后伸长率的结算思路。

图5 液压鼓胀实验测试系统

微损测试技术研究得到过国家863计划、十二五科技支撑计划、质检公益性行业科研专项、以及中国特检院内部科研项目的支持，并于最近获得国家重点研发计划项目“质量基础NQI”的支持。

3.2 高温损伤表征与分级

目前，我国能源结构仍以燃煤为主，2020年我国火电能源占比仍将在60%以上。当前我国在役超超临界机组超过380台，其建造涉及世界上几乎全部主流的耐热钢。我国早期在耐热钢方面主要依靠进口，随着技术进步，部分材料实现了国产化，但对这些材料的高温蠕变性能缺乏长期积累。当国际上提出降低T/ P91许用应力的问题时，我国已经使用大量该材料建造了高参数锅炉，却没有积累相应的长时数据，可这些装置的安全运行和剩余寿命不得不进行重新的评估。因此，在役设备高温部件的蠕变损伤、材料性能劣化研究以及开发损伤诊断与评估方法迫在眉睫。为此，我们定制了600kN材料持久试验装置，逐步开展耐热钢蠕变持久试验，研究材料的组织演变、硬度演变与性能寿命之间关联，并探索高温损伤的无损探伤定量评价技术，研制高温蠕变损伤的标准尺寸蠕变损伤分级试块，建立以金相、硬度、无损检测等多手段综合的损伤定量评价与分级方法。高温材料早期损伤的研究工作得到过中国特检院内部科研项目的支持，并于最近获得国家重点研发计划项目“公共安全风险防控与应急技术装备”的支持。

3.3 氢环境材料的适用性评价技术

近年来氢能源的利用进入了公众视野，氢能的储存与运输也成为研究热点。对不能铺设输气管道的氢能运输，一般应采用管式气瓶拖车输运技术，高压储氢气瓶是最常用的储氢方式之一。但是在当前储氢气瓶的应用现状中，我国尚缺乏相关的气瓶氢脆评价标准，尤其是在高压氢环境中气瓶用钢的适用性评价。为此，在中国特检院内部科研项目和国家公益性行业科研专项的支持下，我们建立了99MPa高压氢环境的试验研究平台，设计了适用于应力敏感环境的恒载荷拉伸试验加载装置，试验研究并评估了气瓶和瓶式容器常用材料4130X在不同温度、压力下材料氢损伤敏感性，取得了一定的成果［11］，对氢气瓶相关技术标准的制定进行了前期技术储备。

3.4 材料断裂韧性评价

随着承压设备大型化高参数化的发展，高强钢在大型储罐、长输管道中的使用也越来越多。原有的仅通过材料夏比摆锤冲击功来评估材料韧性的方法也逐渐受到质疑。冲击功数值的大小不仅反映了材料韧性的强弱，也反映了材料强度的高低。高强度低韧性材料的冲击功值与低强度高韧性材料的冲击功值可能一样。换而言之，材料的韧性不能够仅仅由冲击功数值大小来评价。特别是用于深冷环境的承压设备，例如LNG储罐、石油气深冷分离设备等，低温钢的最低设计温度的确定不得不通过基于断裂力学理论的防脆断方法来确定。另外，在役含缺陷承压设备安全评定，也需要断裂韧性的数据支撑。我们在中国特检院内部科研项目的支持下，开展了系列冲击试验、落锤试验，CTOD试验以及单温度法和多温度法Master Curve分析等，比较了ASME，API以及BS等规范和标准中断裂韧性估算公式的异同［12］，积累了一定量的断裂韧性数据。本研究最近也获得了国家重点研发计划项目“公共安全风险防控与应急技术装备”的支持。

3.5 室温应变强化材料性能评价

早在1959年，瑞典Avesta Sheffeld公司成功研制了室温应变强化压力容器［13］，而所获得的室温应变强化技术分别在1999和2002年纳入澳大利亚和欧盟标准［14-16］。虽然我国在室温应变强化技术方面已经在跟随国外发展步伐，但如何评价应变强化的效果以及应用该技术后材料韧性变化状况仍不明确，需要通过试验研究加以解决。为了在GB/T 18442.7《固定式真空绝热深冷压力容器 第7部分：内容器应变强化技术规定》的编制中明确材料性能的试验方法和合格指标，我们针对奥氏体不锈钢S30408进行了大量试验研究，包括353组预拉伸、178组常温拉伸、384组低温拉伸、55组弯曲和960组常温和低温冲击试验，同时采用实验室试验和有限元仿真相结合的方法，模拟和研究应变强化过程的变形量和强化时间的影响因素；通过保载试验，验证了室温蠕变的存在现象，又通过有限元仿真计算，得到了材料室温应变强化的变形估算方法；并最终以试验数据为基础，确定了材料性能的合格指标，并起草了该标准的附录C：试验规则。

3.6 材料性能数据积累

开展多项力学性能试验，进行了Q370R、S31608和S31603等牌号共计62组试验常温和高温拉伸试验，为压力容器外压曲线的确定提供数据支持；开展了233组高温拉伸试验、43组冲击试验，以及相应的硬度和化学成分等测试，为分析设计标准性能数据的工程化提供了数据支持；通过传统系列冲击试验、CTOD断裂韧性试验、低温拉伸、落锤试验以及Master curve等方法，为我国标准GB 150低温冲击豁免曲线的确定提供了数据支持［13］。

在进行各类材料系列冲击试验和步冷试验的基础上，通过分析大量的国内外CrMo钢步冷试验数据，提出了采用Burr函数，确定加权函数权值选取办法，为统一系列低温冲击试验数据和步冷试验数据分析方法奠定了基础［8］。

新近颁布实施的“大容规”中对石墨材料增加了渗透率的规定，但国内尚无石墨渗透率试验的相关标准。因此，在参考ASME以及ASTM相关标准的基础上，研制了石墨渗透率测试装置，经过大量试验，使用运转良好。该套装置和试验技术已准备转让给地方特检院以解决行业燃眉之急。同时，在测试过程中，我们发现了ASME相应试验方法标准中的错误，并已向相应的ASME规范委员会提交了修改建议。

4 科研型试验室已见雏形

4.1 团队情况

特种设备材料性能研究与评价试验室现有专业人员17人，包括6名博士，形成了材料、力学、腐蚀、机械、焊接、计算机等专业领域互相交叉，相互支持的技术特点。近3年在国内外期刊、会议上发表论文40余篇，申请16项发明专利（详见表2）和28项实用新型专利，其中已获发明专利授权3项，实用新型专利授权20项。

表2 2014～2016年申请的发明专利一览表

序号 名称 申请号/专利号14 一种适用于腐蚀试验试样的磨样机 201510514570.7 15 一种微型试样及一种液压鼓胀试验方法 201610284659.3 16 一种脆性材料拉伸试验夹具 201610204300.0

4.2 国际合作平台

ASME美国机械工程师学会锅炉压力容器规范第II卷（材料卷）中国国际工作组（ASME BPV-II CIWG）成立于2012年12月，秘书处设立在本实验室。该工作组现有成员26名，宗旨是成为一个由中国承压设备行业广泛参与的开放式平台，直接参与ASME规范标准建设活动，向中美标准化委员会提出材料标准的建议和提案，促进中美双方的材料标准互认，该工作组成员来自工程公司、钢材制造企业、承压设备设计单位和制造企业、标准制修订机构、安全监察机构及大专院校等20余家单位。三年半以来，工作组召开了9次会议，向ASME BPVC标准委员会提交了多项议案，包括12Cr1MoVG进入ASME规范案例申请等，并促成了SA 516 Gr.70等3个ASME材料牌号进入GB 150。从实质上推进了中美材料标准的互认。

2016年7月成立美国防腐蚀工程师协会亚太远东区域中国承压设备技术顾问委员会（NACE STAG Pressure Equipment Industries—China for the East Asia Pacifc Rim （EAPR） Area），秘书处设立在本实验室。该委员会共有成员14名，致力于加强承压设备行业的腐蚀信息汇集和交流，提高对承压设备行业整体的安全认识，制定国际标准、行业标准和试验方法，以解决行业关注的热点问题，普及行业内有关材料和腐蚀问题的工程解决方案，建立具有腐蚀相关检验技术能力的区域性行业资质体系，并鼓励行业内前沿性的防腐蚀方法的实施。

5 发展方向

5.1 近期工作计划

本实验室的主要研究方向是材料适用性可靠性评价、微损测试技术、腐蚀与老化模拟与评价、焊接工艺评价和热处理研究。近期工作重点包括：围绕十三五科研项目，开展材料高温损伤早期诊断技术的研究以及防低温脆断的断裂韧性研究，同时继续氢能储运技术相关研究，并逐步拓展严苛环境下组合载荷的交互作用的研究；解决微损测试技术中试样加工对手工操作的依赖；研制具备环境场的液压鼓胀试验装置；解决基于液压鼓胀试验方法的材料断后伸长率、冲击韧性、断裂韧性测试技术；研发效率更高的取样装置；争取在露点腐蚀研究方面取得突破；以大型球罐焊后热处理问题为切入点，从现场焊后热处理的温度范围、升温速度，保温时间的选择等方面研究大型厚壁球罐裂纹产生的根本原因，优化相应的焊接工艺以及焊后热处理工艺的技术要求。

进一步推进中国材料牌号国际化的工作。将已列入ASME锅炉压力容器规范的钢板材料所配套的钢管、锻件、棒材材料标准推荐到ASME规范中使用，以便于承压设备制造企业能够在设计和建造中真正采用这些材料牌号。按照国际标准的规则和要求积累系统成套的材料化学成分、物理性能、拉伸性能、冲击性能、金相组织、高温蠕变、持久强度、疲劳强度等，以及抗腐蚀性、加工性、焊接性等性能数据，争取将更多的中国材料牌号推荐到ASME、ISO等国际广泛采用的技术规范和标准中，为中国标准与国际标准的互认铺路。

在整理汇总材料试验室完成的各类试验的数据的同时，收集材料生产企业和承压设备制造单位技术评审和复验等的数据，以及国内外高校、研究机构和协会学会组织公布的各种材料数据。在现有的36个牌号10700炉化学成分、35个牌号42500组拉伸数据、13个牌号41300组冲击功数据的基础上，继续扩充“承压设备常用材料数据库”的数据量；并充分利用数据统计方法分析我国常用特种设备材料质量状况；通过挖掘数据研究材料性能规律关系，为我国标准和规范的制修订提供技术支持。

5.2 国内外合作

立足于中国特检院的公益性服务性事业，试验室向社会开放，充分发挥“承压设备材料实验室联盟”的作用，以科研项目为纽带，积极组织联盟成员单位的合作，包括与合肥通用院、北航等国内机构和高校以及BASF等境外企业开展失效分析合作，并对材料在高压、强腐蚀、氢损伤等条件下材料的劣化状况进行研究分析；与上海成套院、宝山钢铁股份以及上海锅炉厂等开展材料高温损伤的试验工作，争取实现高温持久、蠕变、蒸汽氧化等数据的共享，积累试验经验并发展新的分析方法；与钢研总院开展材料性能评价和材料试验方法研究方面的合作，争取在评价方法和试验方法上有新的突破；与哈焊所建立焊接接头评定的合作，细化承压部件焊接接头性能合格指标要求等。

借助ASME中国国际工作组与NACE中国承压设备技术顾问委员会的平台，与国际著名专家学者近距离周期性开展技术研讨；开展同国外一流大学、国际知名研究机构和企业合作研究；选派实验室骨干国内外进修交流，拓展视野提高研究技能；搭建中外联合试验室，提高实验室建设水平和提升人员的科研水平。

5.3 拟增加的能力

●5.3.1 搭建焊接研究平台

焊接是承压类特种设备最重要、最基础、最普遍的制造工艺之一，材料可焊性评价的重要性不言而喻。只有深入了解焊接工艺、焊接工艺评定、焊后热处理等规范标准要求的内容，通过实验室模拟等手段，深入研究不同焊接工艺和热处理控制工艺对各类材料的影响规律和特征，建立典型焊接结构制造和高温服役下焊接接头性能评价方法和残余应力评测方法，探索焊接工艺和焊后热处理工艺对性能的关联规律，从而判断材料的适用性以及评价焊后热处理效果。因此，我们将搭建焊接研究平台列为本实验室今后优先增加的能力，并拟与哈焊所建立联合实验室，同时欢迎业内同行加入。

●5.3.2 提升高温、深冷试验能力

为了定量表征高温设备的蠕变损伤，需要在实验室环境中模拟高温蠕变损伤，而即使是加速试验，通常每一次试验都需要一年甚至更长的时间，因此，仅有1台大吨位高温持久装置还不够，需要增加台数，以满足不同钢种、母材和焊接接头等的试验需求。

随着新型耐热钢的发展，锅炉用材可用性评价中不能避免蒸汽氧化状况的评价。搭建蒸汽氧化评价试验平台，研究耐热钢的蒸汽氧化膜的形成机理，蒸汽氧化动力学行为，为建立耐热钢抗蒸汽氧化腐蚀性能评价方法及建立基于高温蒸汽氧化腐蚀的选材准则提供技术条件；同时，为我国的锅炉设计标准中明确提出材料蒸汽氧化的容限值做好数据支持。

在深冷方面，需建立液氢H2（沸点-252.7℃，冰点-259.1℃），液氧O2（沸点-182.96℃冰点-218.8℃）环境下的试验平台，研究液氢等低温液体储运装备的结构设计和加工工艺对金属和非金属内胆以及非金属复合材料缠绕层的技术需求，研究深冷用材料的本构关系、韧性特征以及腐蚀和老化特征等，为深冷承压装备的应用做好技术储备。

●5.3.3 搭建组合工况研究平台

热壁加氢反应器内表面堆焊不锈钢层在高温、高压条件下与H2S直接接触。硫化氢对不锈钢的腐蚀随温度的升高而恶化，而且当有氢共同存在时腐蚀更为严重。研究组合工况下，铬钼钢母材和焊接接头的适用性是个极具挑战性的课题。搭建高温高压环境下，氢气硫化氢混合条件下的研究平台将是先决条件。

新型耐热钢及其焊接接头在高温循环载荷作用下的疲劳蠕变损伤特征，一直是电力行业的研究热点。特别是异种钢焊接接头高温长时性能的研究以及蠕变损伤分级评价，由于试验时间长，数据分散度大，仍然没有很好的进展。只有搭建起疲劳蠕变交互作用研究平台，系统积累材料数据，并开展深度数据挖掘工作，从机理上解释疲劳蠕变交互作用下的统治机制，为更高参数锅炉的设计提供可靠分析方法和试验数据，为高温循环载荷承压设备长时间使用提供可靠的剩余寿命估算技术。

纤维缠绕瓶式容器以其重量轻而受到蓬勃发展的气体装备行业重视。纤维缠绕瓶式容器以内胆和缠绕层组成，国内的产品内胆以金属为主，主要是起到气密的作用，并要耐蚀、高强度、高韧度；而缠绕层则是纤维和树脂所构成的复合材料，是复合瓶式容器的主要承载体。过去我们对金属材料的研究很多，但复合材料在承压设备中的适用性并未进行广泛的钻研，例如双相拉伸和扭转等载荷下的本构关系，以及在疲劳载荷下的响应等。搭建双向拉伸、扭转等复合材料研究平台不仅可以研究复合材料的本构关系，还可以进行双相拉伸、扭转、疲劳等条件材料损伤的无损检测等级划分方法研究，也将对在役设备检验起到很重要的作用。

［1］ GB 150—2011 压力容器［S］.

［2］ 徐彤，寿比南，桂乐乐，等.中国承压设备材料的国际化趋势［J］.中国特种设备安全，2015，31（6）：14-18.

［3］ ASME Boiler and Pressure Vessel Code， Section II，Part D， Appendix 5［S］.

［4］ 寿比南，谢铁军，高继轩，等.我国承压设备标准化十年技术进展和展望［J］.压力容器，2012，29（12）：24-31.

［5］ 张雪涛.变形和温度因素对奥氏体不锈钢材料性能影响规律研究［D］.北京：北京工业大学，2016.

［6］ 朱兴来，徐彤，凌祥，等.基于液压鼓胀试验确定微试样的材料性能［J］.塑性工程学报，2014，21（3）：116-121.

［7］ Binan Shou， Tong Xu， Kaishu Guan， et al. Development of Miniature Testing Techniques in China［A］. The 3rd International Conference Small on Specimen Test Techniques［C］. 2014：48-55.

［8］ A Method To Evaluate the Temper Embrittlement from Step Cooling Test［A］. The ASME Symposium on Elevated Temperature Application of Materials for Fossil， Nuclear，and Petrochemical Industries［C］. 2014.

［9］ GB/T 29459.1—2012 在役承压设备金属材料小冲杆试验方法 第1部分：总则［S］.

［10］ GB/T 29459.2—2012 在役承压设备金属材料小冲杆试验方法 第2部分：室温下拉伸性能的试验方法［S］.

［11］ Zhai Jianming， Shou Binan， Wang Hongxia， et al. A Hydrogen Compatibility And Suitability Evaluation Of The Seamless Steel Tube 4130x［A］. ASME Pressure Vessels & Piping Conference （PVP 2016）［C］. Vancouver， 2016.

［12］ 桂乐乐，寿比南，徐彤，等.基于Master Curve方法的Q345R钢断裂韧性研究［J］.压力容器，2016，33（2）：10-16.

［13］ 邓阳春，陈钢，杨笑峰，等.奥氏体不锈钢压力容器的应变强化技术［J］.化工机械，2008，35（1）：54-59.

［14］ AS 1210—Supp2：1999 Pressure Vessels-Coldstretched Austenitie Stainless Steel Vessels［S］.

［15］ EN 13458—2：2002 Cryogenic Vessels-Static Vacuum Insulated Vessels-Part 2：Design，Fabrication，Inspection and Testing［S］.

［16］ EN 13530—2：2002，Cryogenic Vessels-Large Transportable Vacuum Insulated Vessels-Part7：Design，Fabrication，Inspection and Testing［S］.

Establishment and Development of Special Equipment Laboratory on Research and Evaluation of Material Properties

Xu Tong Zhang Xuetao Gui Lele Wang Hankui Sun Chao Zhao Bo Song Ming Zhai Jianming
（ China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029）

In this paper， construction background， facilities and test capacities， as well as the formation of research ability of laboratories on special equipment material research and evaluation of CSEI were briefy introduced， especially focus on completed and ongoing studies， such as mini-invasive testing technology， high temperature damage evaluation technology， hydrogen environment suitability analysis， material fracture toughness testing and estimation method， and material performance data accumulation and mining. Experience on establishment of scientifc research laboratories was summarized， and development prospects in the future are also pointed out.

Scientifc laboratory Material property evaluation Data

X924

B

1673-257X（2016）10-0069-10

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.10.018

徐彤（1967～），女，硕士，副主任，从事材料性能评价，微损测试技术和材料适用性分析等工作。

2016-10-11）