压力容器高温损伤后的疲劳行为研究范文

压力容器是指盛装气体或者液体，承载一定压力的密闭设备。压力容器按在生产工艺过程中的作用原理，分为反应压力容器、换热压力容器、分离压力容器、储存压力容器等。早期主要用于化学工业，压力主要在10MPa以下，而后逐渐上升到要求压力达100MPa以上。随着化工和石油化工等工业的发展，压力容器的性能的要求不断提高，尤其是在核电领域用压力容器。压力容器所用的全部金属材料必须具备较高的力学性能、耐腐蚀性、耐高温性等。根据以往的经验，在相同的条件下，压力容器的事故率要比其他机械设备高得多，这主要是由于压力容器经常会承受高周期反复载荷而容易发生疲劳失效，并不像一般转动机械那样容易因过度磨损而失效。本文以高温损伤后的压力容器为研究对象，通过对影响压力容器疲劳性能的要素出发，研究了引起压力容器疲劳失效的原因。

1实验材料与方法

目前国内压力容器用钢的标准都遵从GB19189-2003《压力容器用调质高强度钢板》的要求。实验选取的高温损伤后的压力容器用钢为07MnCrMoVR，这种钢材在国内压力容器中应用较为广泛，其化学成分w(%)为：0.06C、1.30Mn、0.26Si、0.004S、0.006P、0.23Ni、0.20Cr、0.21Mo、0.04V，余量为Fe。在高温损伤后的压力容器中截取常温拉伸与V型冲击试样，分别进行拉伸与冲击试验，拉伸力学性能在电子万能拉伸仪上进行，每组试样测量3个，以其平均值作为最终测试结果。-20℃冲击试样在冲击试验机上进行。金相试样经过打磨、抛光与腐蚀后，置于金相显微镜下观察。表面形貌采用扫描电子显微镜观察。

2实验结果与分析

在高温损伤压力容器上截取3根常温拉伸试样，按照GB/T2002标准进行常温力学性能测试，并测量了3根冲击试样-20℃冲击功的平均值，测量结果如表1。可以看出，调质态压力容器的抗拉强度为710MPa，屈服强度为560MPa，断后伸长率为21%，-20℃冲击功为60J。结合化学成分测试结果可知，虽然压力容器在高温下发生损伤，但是其拉伸性能、冲击性能和化学成分都符合国标GB19189-2003标准要求。图1为压力容器横截面的金相组织。可以看出，调质态的压力容器的组织都为板条马氏体组织，晶界处有一定数量的未溶碳、氮化物。对比截面边部与心部金相组织可以发现，二者虽然都为回火马氏体组织，但是弥散析出的碳化物的大小与数量仍然存在一定的差异，这种组织上的差异有可能是引起压力容器疲劳损伤的原因之一。

图2为压力容器前端和后端的典型疲劳损伤形貌。可以看出，压力容器的失效模式是典型的疲劳损伤失效，疲劳裂纹清晰可见，在前端和后端的疲劳形貌中都可以发现主裂纹和分布在主裂纹周围的微裂纹，这是因为疲劳裂纹在萌生后发生了进一步地扩展，前端和后端的主裂纹较长，而且表面龟裂比较严重，且呈放射纤维状分布在主裂纹两侧。在实际工作状态下，由于主裂纹释放了较大的应力，因此，次裂纹的扩张程度得到减缓，相应的由于次裂纹的形成，主裂纹的扩展速度也会减小，直至次裂纹在整个断面形成完整的网络状。此外，还可以发现，压力容器前端和后端的疲劳裂纹周围都可以发现一定数量的白色析出物，这是由于在疲劳扩张过程中发生高温氧化的缘故。

图3为压力容器疲劳损伤裂纹源的典型形貌。可以看出，在晶界处的第二相是疲劳裂纹源的发源地之一，这是因为在压力容器疲劳损伤过程中，在第二相与基体连接处容易形成应力集中，从而导致局部失效，当应力集中到达一定程度后第二相将会脱离基体而形成微裂纹，进而产生疲劳裂纹萌生与扩展。氧化后也会产生疲劳损伤裂纹，其主要是由于表面氧化层的开裂或者剥落会形成疲劳裂纹源。此外，随着氧化过程的加剧，这种疲劳损伤会不断扩展，其原理是由于氧化使得缺陷处的应力增大，使得抗疲劳性能降低。另一种疲劳损伤裂纹源是点腐蚀。调质压力容器中形成的碳化物会使得基体局部部位发生点腐蚀，从而在高温高压下，由于氧气介质和热应力的作用而形成大量点腐蚀坑，形成疲劳裂纹源。

在对疲劳损伤压力容器进行扫描电镜显微组织观察过程中，还可以发现一定数量的夹杂物，且在夹杂物周围可见明显的疲劳裂纹形貌，典型形貌如图4所示。可以看出，在疲劳裂纹宏观形貌中，在夹杂物周围呈现发射性的二次裂纹，且随着裂纹扩展的进行，以夹杂物为中心逐步形成了较宽和较长的疲劳裂纹；局部放大可以发现，这种夹杂物虽然还没有脱离，但是裂纹扩展已经较为明显。这是因为压力容器中的夹杂物对疲劳性能的影响较大，主要是由于夹杂物的弹性模量与基体材料存在显著差异，容易造成应力集中。此外，在高温工作状态冷却过程中还会由于热收缩反应的不同而形成"嵌镶应力"，在这两种因素下使得夹杂物容易形成裂纹源，并随着时间的延长而发生裂纹扩展和断裂。综上所述，在压力容器中，如果存在较大尺寸的第二相，发生高温氧化形成高温氧化层，以及在腐蚀介质中形成点腐蚀坑，或者在原始浇铸状态下形成的夹杂物缺陷，都有可能诱发形成裂纹核心，并在反复的热冷作用力作用下产生应力集中，最终形成疲劳裂纹。

3结论

(1)调质态压力容器的抗拉强度为710MPa，屈服强度为560MPa，断后伸长率为21%，-20℃冲击功为60J，其拉伸性能、冲击性能和化学成分都符合GB19189-2003的要求。(2)调质态的压力容器的组织都为板条马氏体组织，晶界处有一定数量的未溶碳、氮化物，但是边部与心部析出的碳化物的大小与数量仍然存在一定的差异。(3)较大尺寸的第二相、高温氧化、点腐蚀坑和夹杂物都有可能诱发形成裂纹核心，并在反复的热冷作用力作用下产生应力集中，最终形成疲劳裂纹。

作者：王悦 单位：南京化工职业技术学院 机械技术系