碳锰钢压力容器最低使用温度研究

·8· 宽庳板 第 4卷第 1期 · 试验研究 · 碳 ⋯ 容器 研究 (华东理工大学) (新曩鹱r山子石 f匕总厂) ■ 羹 文中对三种板厚爰不同热处理状况的16MnR’II进行丁一幕列机蕞性 斌囊．从低■试|t中{- 到了川n 、Jk、COD,Kh， 、 、E的变化，还{-到了FAD田爰真实的应力一应变曲线．摄据拭I|t量鳍暴爰试 样的斯口特点，可稃出如下结论一J 值可用俸确定C--Sn锕最低使用量度的基础．文章提出丁一种新方崔来确 定怔■压力彝■的鼍概使用量度， 龅 调 碟薯．I| 使用■魔 低■新强 - 。 — 一 — 一 ● — — — — 一 砀 Th Study of M inimum Allowable Temperature for Carbon--M anganese Steel Pressure Vessel ● Wang npei andLiu Ze．ngA；an (Technology Un／versity of East China) Qin Jiang~ang·nd Liu Yongjiaa (Dushe mfi Petro--chemical Pllnt ol Xinjian4g) Abstm~t A seriea of mechanical pr0p _嘲 tests are~dormed洫this paper for 16MnR ateel with thzee plate thklmm and d蛳 rent heat tre曩ment sxates．the variations of AKV，JIe，coD．Kh． ． ．E are obtained from te~t$at low temperature．the FAD figures and true stress一8tr|jn cure。are also obtained．According tO the：~sults of test d．ta Ind trlti~ure featti~ea of~amp]e，the conclusion m be obtained t JⅡvalue cIn be used asthe basis of~ietermirdrkl：the minimum ~llowaMe te口。哪 tu for C— Mn stee1．This p^ f yes-new methed tO de“m i e mlnimum allowable temperature for low tenaperature pressure vesse]I x．}y'州 C--Mn ateel-,A1lowable temJ~rattuve·Low teraperature Iracture ， 1 莉盲 新疆 独 山子 地 区冬 季的最 低气 温 可 达 一 40℃。“月平均最低气温的最低值 为一21．6．c， 在这样的自然环境下，璧温由环境温度决定的，普 通碳锰钢捌的压力容器可否安全使用或者说未按 低温设计的普通碳锰钢容器．在这种环境条件会 不会发生瞻性破坏，安全性如何成了企业所关心 的一个重要问题．根据我国现行的钢制压力容器 GB150--89。用于低温压力容器的钢菊在等 于或低于其使用温度下怍j巾击试验。如果j巾击功 能达到规定值时，即可在此试验温度 下使用。标 准中又规定 16MnR钢的最低j巾击试验温度为 一 20℃．照 此 规 定 16MnR钢就 不能 在低于 一 2C~的情况下使用．然而事实上，独山子石化总 厂绝大部分 l6MnR压力容器都是按常温设计。 而且一直在使用着。为了对此有一个科学的认识， 使现有在柱酌'I6MnR压力容器糖合理使用。如 有不安全的压力容器应及时采取措艟。本文对取 自新疆独山子石化总厂的 16MnR材料进行了一 系列低温性能研究．对 I6MnR在低温环境下使 ． 甩的安全性进行了较探入的研究．给出独山子石 化总厂环境温度低于一20．c时所使用的 lf~MnR 压力容器的安全性和使用限制条件。 现将试验研究结果和结论意见归纳如下。 2 试验 试板 取 自新疆 独 山子 石化 总厂，材料 为 16MnR．考虑板厚和热处理的因素．选择了三种 ． 规格，详见表 I．试板的化学成分见表 2。 、 nv 维普资讯 http://www.cqvip.com 宽厚板 ‘9· 衰 1 新一毡山子石化苴厂己撵厂16MnR取样分布寰 衰z ： 验材料的化学戚分(重量 ) 2．1 低温拉伸性能 试验概况如下： 试样：1)36ram扳编号 l 原始热轧 16MnRI 2)40ram板编号2，3是球鞋产品试板，SR处理。 低温 环境；室温 ～一70℃连续 控制，美国 MTS--810电液伺服靛氨自动控温环境箱。 试验设备tMTs一新810动静试验机，位移 E， 控制 数据弄}集 OS／2~9．2谚墨集一组、载荷、轴 向位移、径向位移 试验结果；见图l～图5。霉 l～图5分别是 抗拉强度、屈服强度、弹性模量、延伸翠、断面收昭 率与温度的关系曲线。图8、图 7是低温下载荷拉 伸的曲线及其真应力应变曲线。 2．2 系列低温冲击试验 试验温度：+60℃、+ 2 3℃、10℃、0℃、 一 10℃、一20℃ 、一30℃ 、一40℃、 一 50C、一6O℃、一7O℃ 试验结果见图8、图 9、图 10 由图 8、图 9可见，以冲击功 20J或侧向膨胀 0．38mm为转变温度特征值时两种规格板厚的转 折温度相差8℃左右。 图 l 置 芎 ■ 一 ■ ■ t座Cc) ． 图2 C--Mn钢屈服强度与温度的关系曲线 l^善 ■■帮 维普资讯 http://www.cqvip.com · 10· 1998年第1期 雷3 C-Mn铜鼻性棋量和啦度的关系曲线 ■立‘℃) 圈4 c—Mn翻硅悼率与量度的美景曲线 窟叠t 田5 C-Mn翻断时收螭率与盥度的关基曲线 田6 低量下的P—t曲线 圈7 C--Mn铜低量下的真应力应壹睹线 圈8 阿种饭厚的^ y奠量度的整化曲线 圈9 再种撮厚的■向●胀量与量度曲关系 由圈9可知J舅向膨胀量达0．38tom时的转变 温度分别为 40ram 板 R ”=一30℃、36ram板 T。 =一38℃。由图 l0可得到晶状断口为 50 时的转变温度分别为 40ram，板 FATTso=+5℃， S l 耄 田10 两种板厚晶状断口百分比 m 和 AKV 麓啦度的变化I时钱 36mm FATT。。；一IOC，两者相差 15C，随温度 的升高或降低两者之差趋于藏小在一l0℃～l0℃ 之闻晶状断口百分比两板厚粗整较大。这在 这一盈度区域处于冲击试验的臆塑性区。根据以 一 '^‘v掌 |．■ 置^蓦．o一× ■—■_■t ，^I’)^霉■ &^ )- 鼬 r ■■■■ 维普资讯 http://www.cqvip.com L 宽厚板 上试验得出结果l见衰3。 寰3 ．4A'V冲击试 性 根据系列低温AKV和温度的关系曲线得到 的各种转变温度有较大差别，由试验结果可知 16MAR的I巾击功的各种转变温度在一38℃～ 10℃之间t正好是我国C—Mn镥在北方使用的 敏感区间．特别是本次试验采用的40ram，16MnR 球罐产品试板，按 GB150—89规定的一20℃时 2oJ刚好卡边·因为独山子地区。月平均最低温 度 为--21．6℃ 按标准应采用低温设计。 2．3 低温断裂橱性试奠 考虑概辱 的髟响．分 翮取 ISmm、36mm、 40ram板加=I二试样t酣 考虑蠡处理状况的髟响， 40mm产品试扳采用了SR处理，在不同的低温 下同时嚣取 J积分和COD值．试验按照 GB一 2038(利用l|阻力曲线确定盒啊廷性断裂韧度试 验)和 GB2358(裂纹张开位移试验 法)进 行。试验结果见图 11、图 12． 圈11 三种扳年C—Mn锕J积分饨化线斟事麓沮 座变化曲钱 曩雠r—■(-_) 圈 l2 —30c三种扳厚 C—Mn锕JR阻力曲线比较 从图 11中可以看出若采用常温下的钝化线 代替低温下的值填差较大．因此在实谢低温断裂 韧性值时最好使用低温实 值．田 12表明低温下 板厚对l|阻力曲线的髟响。 从实谢中知道不同板辱破譬恫和断裂韧性麓 温度的变化情况．COD值瞳温度曲变化不嘎垦， 特别是对 18mm的扳，曲线培有竣动t。0D谢试 值本身的量级10I1nun鳜．蛔粜测量稽有误差就 会造戚波动．如果单独测试 18ram C—kln恫的 COD特征值是根难找出变化规律的．由于本次用 一 根试样同时了P一△、P—V，从而得到了一 根试样同样裂纹尺寸的 J积分和C1、。D特征值。 同时还期道J积分值较好地反映了断裂韧性随温 度的变化趋势．三种板厚J积分的转变点均 在 一 4o℃以下 ． 2．4 止裂性能 止裂试验参照 ’TM E1221-88标准进行． 试样取自18ram试扳。 止裂试验的原理是通过对试样楔力加蓑，使 试样的预制缺口尖端产生快速扩晨的裂纹。在裂 纹快建扩展的过程中，能量逐步释放．当推动力小 于裂纹扩展的阻力时．裂杖爱停止扩晨．根据止裂 时的裂皱长度粳可求出捞料的止曩}韧性K．．．试 验结果见表4． 寰 4 18mm (M Ps ) (Ih) ■度 横向 般向 盘‘ 0℃ --20E 一‘0℃ 2$4．207 183 I4I l80 158 l2‘ ll口 止裂韧性是表示捞料韧性的又一断裂力学参 量，在断裂力学的分析中．当外加曲应力强度因子 K，大于材料的新裂韧性值Klc耐，即K．》K 则 裂纹会失稳扩展．而K．．是表系遮棒的一十概念， 对于一十已经扩晨的裂纹．如果在扩晨的过程中， 外加的应力强度因子 K 小于材料的止裂韧性 K 时，即K 表格

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