壓力容器高溫損傷后的疲勞行為研究范文

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壓力容器是指盛裝氣體或者液體，承載一定壓力的密閉設備。壓力容器按在生產工藝過程中的作用原理，分為反應壓力容器、換熱壓力容器、分離壓力容器、儲存壓力容器等。早期主要用于化學工業，壓力主要在10MPa以下，而后逐漸上升到要求壓力達100MPa以上。隨著化工和石油化工等工業的發展，壓力容器的性能的要求不斷提高，尤其是在核電領域用壓力容器。壓力容器所用的全部金屬材料必須具備較高的力學性能、耐腐蝕性、耐高溫性等。根據以往的經驗，在相同的條件下，壓力容器的事故率要比其他機械設備高得多，這主要是由于壓力容器經常會承受高周期反復載荷而容易發生疲勞失效，并不像一般轉動機械那樣容易因過度磨損而失效。本文以高溫損傷后的壓力容器為研究對象，通過對影響壓力容器疲勞性能的要素出發，研究了引起壓力容器疲勞失效的原因。

1實驗材料與方法

目前國內壓力容器用鋼的標準都遵從GB19189-2003《壓力容器用調質高強度鋼板》的要求。實驗選取的高溫損傷后的壓力容器用鋼為07MnCrMoVR，這種鋼材在國內壓力容器中應用較為廣泛，其化學成分w(%)為：0.06C、1.30Mn、0.26Si、0.004S、0.006P、0.23Ni、0.20Cr、0.21Mo、0.04V，余量為Fe。在高溫損傷后的壓力容器中截取常溫拉伸與V型沖擊試樣，分別進行拉伸與沖擊試驗，拉伸力學性能在電子萬能拉伸儀上進行，每組試樣測量3個，以其平均值作為最終測試結果。-20℃沖擊試樣在沖擊試驗機上進行。金相試樣經過打磨、拋光與腐蝕后，置于金相顯微鏡下觀察。表面形貌采用掃描電子顯微鏡觀察。

2實驗結果與分析

在高溫損傷壓力容器上截取3根常溫拉伸試樣，按照GB/T2002標準進行常溫力學性能測試，并測量了3根沖擊試樣-20℃沖擊功的平均值，測量結果如表1。可以看出，調質態壓力容器的抗拉強度為710MPa，屈服強度為560MPa，斷后伸長率為21%，-20℃沖擊功為60J。結合化學成分測試結果可知，雖然壓力容器在高溫下發生損傷，但是其拉伸性能、沖擊性能和化學成分都符合國標GB19189-2003標準要求。圖1為壓力容器橫截面的金相組織。可以看出，調質態的壓力容器的組織都為板條馬氏體組織，晶界處有一定數量的未溶碳、氮化物。對比截面邊部與心部金相組織可以發現，二者雖然都為回火馬氏體組織，但是彌散析出的碳化物的大小與數量仍然存在一定的差異，這種組織上的差異有可能是引起壓力容器疲勞損傷的原因之一。

圖2為壓力容器前端和后端的典型疲勞損傷形貌。可以看出，壓力容器的失效模式是典型的疲勞損傷失效，疲勞裂紋清晰可見，在前端和后端的疲勞形貌中都可以發現主裂紋和分布在主裂紋周圍的微裂紋，這是因為疲勞裂紋在萌生后發生了進一步地擴展，前端和后端的主裂紋較長，而且表面龜裂比較嚴重，且呈放射纖維狀分布在主裂紋兩側。在實際工作狀態下，由于主裂紋釋放了較大的應力，因此，次裂紋的擴張程度得到減緩，相應的由于次裂紋的形成，主裂紋的擴展速度也會減小，直至次裂紋在整個斷面形成完整的網絡狀。此外，還可以發現，壓力容器前端和后端的疲勞裂紋周圍都可以發現一定數量的白色析出物，這是由于在疲勞擴張過程中發生高溫氧化的緣故。

圖3為壓力容器疲勞損傷裂紋源的典型形貌。可以看出，在晶界處的第二相是疲勞裂紋源的發源地之一，這是因為在壓力容器疲勞損傷過程中，在第二相與基體連接處容易形成應力集中，從而導致局部失效，當應力集中到達一定程度后第二相將會脫離基體而形成微裂紋，進而產生疲勞裂紋萌生與擴展。氧化后也會產生疲勞損傷裂紋，其主要是由于表面氧化層的開裂或者剝落會形成疲勞裂紋源。此外，隨著氧化過程的加劇，這種疲勞損傷會不斷擴展，其原理是由于氧化使得缺陷處的應力增大，使得抗疲勞性能降低。另一種疲勞損傷裂紋源是點腐蝕。調質壓力容器中形成的碳化物會使得基體局部部位發生點腐蝕，從而在高溫高壓下，由于氧氣介質和熱應力的作用而形成大量點腐蝕坑，形成疲勞裂紋源。

在對疲勞損傷壓力容器進行掃描電鏡顯微組織觀察過程中，還可以發現一定數量的夾雜物，且在夾雜物周圍可見明顯的疲勞裂紋形貌，典型形貌如圖4所示。可以看出，在疲勞裂紋宏觀形貌中，在夾雜物周圍呈現發射性的二次裂紋，且隨著裂紋擴展的進行，以夾雜物為中心逐步形成了較寬和較長的疲勞裂紋；局部放大可以發現，這種夾雜物雖然還沒有脫離，但是裂紋擴展已經較為明顯。這是因為壓力容器中的夾雜物對疲勞性能的影響較大，主要是由于夾雜物的彈性模量與基體材料存在顯著差異，容易造成應力集中。此外，在高溫工作狀態冷卻過程中還會由于熱收縮反應的不同而形成"嵌鑲應力"，在這兩種因素下使得夾雜物容易形成裂紋源，并隨著時間的延長而發生裂紋擴展和斷裂。綜上所述，在壓力容器中，如果存在較大尺寸的第二相，發生高溫氧化形成高溫氧化層，以及在腐蝕介質中形成點腐蝕坑，或者在原始澆鑄狀態下形成的夾雜物缺陷，都有可能誘發形成裂紋核心，并在反復的熱冷作用力作用下產生應力集中，最終形成疲勞裂紋。

3結論

(1)調質態壓力容器的抗拉強度為710MPa，屈服強度為560MPa，斷后伸長率為21%，-20℃沖擊功為60J，其拉伸性能、沖擊性能和化學成分都符合GB19189-2003的要求。(2)調質態的壓力容器的組織都為板條馬氏體組織，晶界處有一定數量的未溶碳、氮化物，但是邊部與心部析出的碳化物的大小與數量仍然存在一定的差異。(3)較大尺寸的第二相、高溫氧化、點腐蝕坑和夾雜物都有可能誘發形成裂紋核心，并在反復的熱冷作用力作用下產生應力集中，最終形成疲勞裂紋。

作者：王悅 單位：南京化工職業技術學院 機械技術系