GB/T 150.2和GB/T 16507.2中高温拉伸试验要求的探讨

2021-06-24敬仕煜邓钱元杨华春

压力容器 2021年5期

敬仕煜，曾辉，邓钱元，杨华春

(1.东方电气集团东方锅炉股份有限公司，四川自贡 643001；2.机械工业高温耐热材料与焊接实验室，四川自贡 643001)

0 引言

GB/T 150.2—2011《压力容器第2部分：材料》中4.1.10和6.1.4条、GB/T 16507.2—2013《水管锅炉第2部分：材料》中4.7和6.6条规定，设计温度高于300 ℃(Q370R为200 ℃以上)的钢板和锻件(GB/T 150.2仅限Q370R/18MnMoNbR/13MnNiMoR/12Cr2Mo1VR四种钢板和20MnMoNb/20MnNiMo/12Cr2Mo1V/12Cr3Mo1V四种Ⅲ级或Ⅳ级锻件,GB/T 16507.2则包括所有材料牌号)，应在设计计算温度下进行高温拉伸试验，屈服强度满足标准要求。工程实践中，常存在材料代用现象，或者剩余材料应用于另一设备制造，当两次设计计算温度不同时，按原先设计计算温度检验合格的材料，必须重新取样并在另一温度下补充高温拉伸试验。经验表明，重新试验结果鲜有或几乎没有发生过不合格现象，但重新试验却增加了成本和时间周期。为此，本文在调查实测试验数据基础上，探讨标准中有关高温拉伸试验规定，希望对进一步完善标准有所裨益。

1 锅炉及压力容器用常见材料的实测高温屈服强度数据调查

研究材料为钢板13MnNiMoR，14Cr1MoR，15CrMoR和锻件20MnMoNb，属GB/T 150.2和GB/T 16507.2及其协调标准中的钢号，常使用于300 ℃以上，是锅炉和压力容器用常见材料，用量较大。该4种材料均涉及高温拉伸试验要求，具有较好的代表性，适宜于用来讨论和分析GB/T 150.2和 GB/T 16507.2中相关高温拉伸试验规定。

表1汇总了4种材料的高温拉伸试验要求值。

表1 4种材料的高温拉伸试验要求值

(a)13MnNiMoR钢板 (b)14Cr1MoR钢板

图1示出了4种材料的实测数据统计结果，时间跨度约为10年，图中每一散点代表一个批次材料某一温度下的高温拉伸试验结果，即各批次试样所对应的屈服强度；图中横线为该材料300 ℃的屈服强度要求值参考线。其中，图1(a)为621批次13MnNiMoR钢板高温拉伸试验结果，试验温度为300～400 ℃，钢板厚度为30～100 mm；图1(b)为184批次14Cr1MoR钢板，试验温度为300～460 ℃，钢板厚度为20～60 mm；图1(c)为44批次15CrMoR钢板，试验温度为300～480 ℃，钢板厚度为20～60 mm；图1(d)为220批次20MnMoNb锻件，试验温度300～350 ℃，公称厚度为300～500 mm。4种材料共计1 000余批次。

2 分析和讨论

2.1 数据分析

由图1可以看出，4种材料在300 ℃以上的实测屈服强度均高于300 ℃对应的要求值，证明这些材料的高温屈服强度均有较大裕度，这也是前文提到的从未发现过重新试验不合格现象的原因。

高温条件下，材料的变形机制增多、形变强化现象减弱[1]。随着温度升高，材料强度呈降低趋势[2-4]。GB/T 150.2和GB/T 16507.2及其协调标准的相关规定体现了这一规律：试验温度升高，屈服强度要求值降低，如表1所示。对某材料，当较高温度下屈服强度实测值高于较低温度对应的要求值时，则可推断其较低温度下的试验结果也将满足要求。例如：13MnNiMoR钢板400 ℃下实测屈服强度为360 MPa，高于300 ℃下要求值345 MPa，则可推断其300～400 ℃范围内屈服强度必然合格，因为随试验温度降低，屈服将提高至360 MPa以上，而其在300～400 ℃范围内的屈服强度要求值仅在305～345 MPa之间。显然，屈服强度富裕量为材料的代用创造了条件，当这种富裕量足够时，其向较低温度用途的代用是安全的，补充试验没有必要性。但是，逆向代用则存在风险，较低温度下屈服强度有一定富裕，并不意味着在较高温度下仍满足要求，因为对于不同材料，其强度随温度的变化趋势并不一样，可能在稍高温度时急剧下跌，这需要重新补充试验予以验证。

2.2 时效硬化(蓝脆)的影响

碳钢和低合金存在时效硬化现象，这可能干扰屈服强度随温度升高而降低的规律，从而引发材料代用顾虑。文献[1]认为，时效硬化主要影响抗拉强度，使某一温度范围内出现一个反常 “凸起”，峰值温度与蓝脆温度相当，约为200～300 ℃，如图2[1]所示。时效硬化同样影响屈服强度，但峰值不明显，如图3[1]所示。

图2 碳钢、低合金钢和不锈钢的Rm-T曲线

图3 碳钢、低合金钢和不锈钢的Rp0.2-T曲线Fig.3 Rp0.2-T curves of carbon steel,low alloy steel and stainless steel

时效硬化往往与溶质原子在位错线附近聚集形成各种气团有关，气团扩散速度随温度而变，在适当的温度下，其扩散速度与位错运动速度接近，这时气团可以被位错拖着一起运动，增大了位错运动的阻力，强度曲线就呈现出一个峰值[1]。可以推测，由于材料屈服时塑性变形量很小，位错源刚刚开动不久，气团对屈服强度的影响有限。考虑到本文讨论的温度范围主要在300 ℃以上，可忽略时效硬化对屈服强度的影响，至少其影响尚不足以导致屈服强度明显反常。

2.3 高温拉伸试验的意义

承压设备用钢的许用应力由室温抗拉强度、温度下屈服强度(包括室温和高温)和蠕变强度分别除以各自安全系数所得到的最小值确定[5]。通常，蠕变温度之上由蠕变强度控制，蠕变温度之下主要由室温抗拉强度控制，中温时可能由屈服强度控制[6-10]。

对于13MnNiMoR等钢板和锻件，其许用应力通常由室温抗拉强度或者高温屈服强度控制，图4示出这类材料的许用应力确定方法(图中,水平横线为抗拉强度除以安全系数2.7的计算结果，倾斜下滑线为屈服强度除以安全系数1.5的计算结果，二者较小值为许用应力)。可见，对于不同材料，屈服强度起控制作用的温度范围各有不同，由图4可看出，15CrMoR约在175～450 ℃范围，而13MnNiMoR则在350～400 ℃左右。显然，当安全系数取值调整时，决定许用应力的关键力学性能指标及其影响范围将发生改变。例如，美国ASME规范中对常温(20 ℃)抗拉强度的安全系数取3.5(按常规设计)，计算结果通常更低，因此屈服强度对于许用应力确定基本不起作用。

图4 确定许用应力方法示意Fig.4 Schematic diagram of method for determining allowable stress

高温屈服强度决定了一定温度范围内材料的许用应力，而许用应力是强度设计的基础，事关设备安全，这使材料的高温拉伸试验具有一定意义。GB/T 150.2和GB/T 16507.2在综合考虑材料许用温度和应用经验的基础上，对高温拉伸试验提出了明确要求，其逻辑合理性即基于此。

2.4 标准探讨

GB/T 150.2规定，13MnNiMoR等4种钢板和20MnMoNb等4种Ⅲ级或Ⅳ级锻件，设计温度高于300 ℃(Q370R为200 ℃)时，应按批次进行设计计算温度下的高温拉伸试验，屈服强度按标准要求。GB/T 16507.2规定，对协调标准范围内任何钢板和锻件，设计温度高于300 ℃时，可附加进行设计计算温度下的高温拉伸试验，屈服强度按标准要求。

按GB/T 150.2和GB/T 16507.2，高温拉伸试验均应在设计计算温度下进行。但是，从图1以及相关分析可知，由于实测数据具有明显富裕量，且屈服强度随温度升高呈现降低趋势，两标准强制性要求在设计计算温度下进行高温拉伸试验的规定有待商榷。笔者认为，应允许在高于设计温度下进行试验，但所得结果仍应满足设计计算温度对应的屈服强度要求值。因此，则可用较高温度覆盖较低温度高温拉伸试验，减少补充试验频次，方便材料代用。对压力容器设备制造厂来说，可以在材料初估时，根据既有经验审慎提高采购材料的高温拉伸试验温度，以增强材料通用性，降低成本。

对比两个标准还发现，GB/T 150.2仅对部分钢种进行高温拉伸，而GB/T 16507.2则包含所有钢种。此外，GB/T 150.2对符合条件材料的高温拉伸试验是强制性的，而GB/T 16507.2则是选择性，由设计人员决定。由图4可以看出，许用应力与屈服强度的关联程度，是考量是否附加高温拉伸试验的关键。当高温屈服强度决定许用应力时，考虑附加高温拉伸试验更有意义；如果不是，则可豁免。比较而言，GB/T 16507.2的规定更加合理，GB/T 150.2应向其靠拢。具体说，建议两个标准中有关高温拉伸试验要求统一，将是否附加试验的决定权交由设计人员，而适用材料范围应包含所有钢板和锻件。