陳 明，楊華春，于明明，肖東平，任曉虎

(東方電氣集團 東方鍋爐股份有限公司 材料研究所，四川 德陽 618000)

高溫用材料的短時高溫性能有短時和長時之分，使用環(huán)境是其設(shè)計選用的依據(jù)。按照ASME規(guī)范，壓力容器用碳素鋼和低合金鋼在應(yīng)用溫度下為體心立方晶格，屈強比多為0.6～0.8，在蠕變溫度以下確定許用應(yīng)力的控制因素主要是抗拉強度Rm，短時高溫抗拉強度因而被認(rèn)為是設(shè)計時需考慮的一個重要指標(biāo)[1-2]。

為了保證材料滿足高溫下的強度校核需要，通常設(shè)計文件會對材料的短時高溫抗拉強度做出規(guī)定。對多個容器項目設(shè)計文件的總結(jié)發(fā)現(xiàn)，某些規(guī)定不合理或存在爭議，主要表現(xiàn)為，直接以ASME II卷D篇表U給定的數(shù)據(jù)作為對容器材料的短時高溫抗拉強度要求、中低溫度下材料的短時高溫抗拉強度與室溫相同、材料經(jīng)模擬焊后熱處理的短時高溫抗拉強度與交貨態(tài)的相同。

上述要求未考慮到表U數(shù)據(jù)與材料實測結(jié)果的差異，以及由此衍生的室溫強度與高溫強度很難同時得到保證，部分材料在中、低溫度下存在的動態(tài)應(yīng)變時效及模擬焊后熱處理態(tài)下的強度降低導(dǎo)致設(shè)計要求難以實現(xiàn)等問題。

文中對表U數(shù)據(jù)的來源及特點進行分析，通過實例對設(shè)計文件的規(guī)定進行試驗驗證，并基于試驗驗證分析給出合理化建議。

1 ASME II卷D篇表U數(shù)據(jù)來源及特點

1.1 數(shù)據(jù)來源

ASME II卷D篇表U材料數(shù)據(jù)的處理過程為，首先按照產(chǎn)品的爐次對材料數(shù)據(jù)進行分組，接著基于材料的室溫值對每組數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，即用高溫下的強度值與室溫強度值的比值來代替強度的絕對值進行擬合[3]，然后用得到的不同溫度下的強度比對系列數(shù)據(jù)進行曲線擬合，將回歸方差不再減小，即擬合程度最高時的結(jié)果確定為最終的強度比與溫度擬合曲線。

得到擬合曲線后，利用室溫下的拉伸強度保證值與對應(yīng)溫度下的強度比，便可計算出對應(yīng)溫度T時的強度值。在高于室溫時，抗拉強度值趨于平均值，但這不能理解為精確等同于同一組數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理的平均值，主要是因為高于室溫時表U中的數(shù)據(jù)是基于室溫抗拉強度保證值，并根據(jù)擬合曲線將室溫保證值提高了10%得到的[4]。

1.2 數(shù)據(jù)特點

ASME II卷D篇表U通注(b)對數(shù)據(jù)的使用有特別說明，無論ASME標(biāo)準(zhǔn)的第I卷、第III卷還是第VIII卷都不要求對規(guī)范設(shè)備用產(chǎn)品材料做高溫抗拉強度試驗，如果進行高溫拉伸試驗，不要將試驗結(jié)果與ASME II卷D篇表U中所列的抗拉強度進行比較，更不要依據(jù)比較結(jié)果決定ASME規(guī)范對材料是否驗收，同時表U中的抗拉強度數(shù)據(jù)適用于設(shè)計計算[5]，這些都表明直接用此數(shù)據(jù)進行驗收并不合適。

摘選ASME II卷D篇表U中的部分材料數(shù)據(jù)進行分析，SA-516Gr.70、SA-533Ty.BCl.2、SA-387Gr.11Cl.2、SA-387Gr.22Cl.2在室溫～400 ℃的短時高溫抗拉強度數(shù)據(jù)見表1。從表1看出，材料在室溫～400 ℃對應(yīng)的短時高溫抗拉強度幾乎沒有變化，但實際上多數(shù)材料的抗拉強度會隨溫度上升而下降，特別是溫度較高時這種變化趨勢更明顯。

表1 ASME II卷D篇表U中部分材料短時高溫抗拉強度[5] MPa

2 抗拉強度設(shè)計指標(biāo)合理性分析

2.1 短時高溫條件

以某核電容器材料的驗收指標(biāo)為例進行說明。核電容器用SA-533Ty.BCl.2板材厚度為58 mm，交貨態(tài)為淬火(910±5 ℃，保溫200 min)+回火(650±10 ℃，保溫300 min，空冷)，其化學(xué)成分見表2。

表2 SA-533Ty.BCl.2材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

此核電容器的設(shè)計文件中對SA-533Ty.BCl.2材料交貨態(tài)的拉伸試驗要求見表3。從表3可以看出，100～300 ℃對應(yīng)的材料短時高溫抗拉強度值要求與室溫條件下的最低要求值一致，顯然是直接選用了ASME II卷D篇表U的數(shù)據(jù)作為材料驗收合格與否的指標(biāo)。

表3 SA-533Ty.BCl.2板材拉伸試驗要求 MPa

采用CMT5305型微機控制電子萬能試驗機，按照ASME SA-370—2017《鋼制品力學(xué)性能試驗的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法和定義》[6]以及ASTM E21—2017《金屬材料高溫拉伸標(biāo)準(zhǔn)方法》[7]的要求實測常溫～500 ℃材料SA-533Ty.BCl.2的短時高溫抗拉強度數(shù)據(jù)，得到的應(yīng)力-溫度曲線見圖1。圖1中，Rp0.2指規(guī)定塑性延伸率為0.2%時的應(yīng)力。

圖1 SA-533Ty.BCl.2實測應(yīng)力-溫度曲線

從圖1可以看出，除室溫外，其余溫度下的短時高溫抗拉強度值均低于620 MPa的要求，而且在試驗溫度范圍內(nèi)Rp0.2不存在動態(tài)應(yīng)變時效現(xiàn)象。因此如果采用表1中的數(shù)據(jù)作為材料合格指標(biāo)，那么該材料就無法達到設(shè)計要求。

從圖1還可以看出，材料在250～350 ℃的短時高溫抗拉強度突然升高。這是典型的動態(tài)應(yīng)變時效現(xiàn)象，即在同一應(yīng)變速率下，會在某個溫度區(qū)間出現(xiàn)流動應(yīng)力隨著溫度的升高，先下降然后轉(zhuǎn)而上升到一個峰值應(yīng)力，然后再下降的現(xiàn)象。

郭偉國等[8-12]將動態(tài)應(yīng)變時效現(xiàn)象定義為第三種應(yīng)變時效現(xiàn)象，以區(qū)別靜態(tài)應(yīng)變時效和Portevin-Lechatelier效應(yīng)[9,13]，并探討了產(chǎn)生原因，即塑性變形導(dǎo)致更多活動位錯生成，進而造成很多空位利于間隙原子擴散運動，間隙原子也會與運動著的溶劑原子(位錯運動)相互作用形成對位錯的阻力，在某個特定溫度(一般250～350 ℃)下間隙原子擴散速度與位錯運動匹配，在位錯周圍形成Cottrell 氣團連續(xù)的拖曳位錯運動，阻礙位錯運動會導(dǎo)致應(yīng)力升高，導(dǎo)致第三種應(yīng)變時效現(xiàn)象的發(fā)生。值得注意的是，動態(tài)應(yīng)變時效在碳鋼、低合金鋼、不銹鋼等材料中均多有發(fā)現(xiàn)[14-18]。

以上對核電容器用SA-533Ty.BCl.2板材交貨態(tài)的拉伸試驗要求和依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法得到的實測結(jié)果的綜合分析表明，設(shè)計文件提出的材料強度要求在發(fā)生動態(tài)時效應(yīng)變強化區(qū)間范圍達不到，同時不在動態(tài)時效應(yīng)變強化區(qū)間范圍(250 ℃以下)，材料的強度隨溫度的增加而降低，更是難以滿足設(shè)計要求。

2.2 模擬焊后熱處理條件

設(shè)計方對材料經(jīng)模擬焊后熱處理的短時高溫抗拉強度要求通常來自ASME VIII卷第1分冊[19]。這是由于容器制造過程中不可避免要經(jīng)過焊接，為保證焊縫及熱影響區(qū)的力學(xué)性能，需要進行焊后熱處理。焊后熱處理必然帶來另一個問題，即焊縫與熱影響區(qū)以外的母材經(jīng)過熱處理后與交貨態(tài)相比有何變化，能否滿足設(shè)計要求。

ASME VIII卷第1分冊第UCS-85(c)條款針對這一問題提出規(guī)定，容器所用的材料應(yīng)由經(jīng)過相同的高于Ac1相變溫度的熱處理和焊后熱處理的試樣來代表。依據(jù)這一規(guī)定，可以采取在制造前取樣進行模擬焊后熱處理，或者在制造中帶樣做焊后熱處理的辦法實施評價。實際上大部分設(shè)計文件中都明確規(guī)定，在制造前對材料進行模擬焊后熱處理，且其性能要求與交貨態(tài)相同，模擬焊后熱處理的保溫溫度、保溫時間、冷卻方式及速率由制造廠提供或直接在設(shè)計文件中給出。

進行模擬焊后熱處理以后，材料整體強度級別均會下降。若要保障模擬焊后熱處理狀態(tài)下的高溫拉伸性能或者室溫性能，供貨狀態(tài)下的室溫抗拉強度很難確保不超過抗拉強度上限，而且由于強度的提高，沖擊功也往往偏低，鋼廠只能通過成分調(diào)整保證材料在高溫下有一定的強度余量，但這種操作卻極可能導(dǎo)致交貨態(tài)的室溫抗拉強度超過設(shè)計要求的上限。對于厚板而言，這種情況更是難以滿足設(shè)計要求。此外，對于不含強化元素，如鉻、鉬元素的材料，從焊接角度考慮，為保證可焊性，碳含量不能太高，因此也很難滿足高溫抗拉強度要求。

以某化工容器用SA-387GR.22 CL.2臨氫鋼板為例進行說明。鋼板厚度123 mm，交貨態(tài)為淬火+回火，回火溫度715 ℃，其化學(xué)成分要求值與實測值見表4。

表4 SA-387GR.22 CL.2化學(xué)成分要求值與實測值(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

表5 SA-387GR.22 CL.2臨氫鋼板力學(xué)性能要求

從表5可以看出，SA-387GR.22 CL.2臨氫鋼板經(jīng)模擬焊后熱處理的力學(xué)性能滿足設(shè)計要求，但交貨態(tài)的抗拉強度超出了設(shè)計要求，因此需要返回鋼廠重新進行熱處理。此外，對于ASME鋼板制造廠家而言，額外增加的高溫抗拉強度要求極大增加了鋼板生產(chǎn)難度，需從成分調(diào)整、性能熱處理調(diào)整等方面進行生產(chǎn)工藝改進。另一方面，國外的鋼板制造廠家也幾乎不會響應(yīng)這種高溫強度要求，這也將造成材料采購困難。

3 建議做法

設(shè)計文件中高溫強度技術(shù)要求的提出應(yīng)對以下2個影響因素給予充分考慮：①材料在高溫下條件下的性能變化趨勢，特別是碳鋼及合金鋼容易出現(xiàn)的動態(tài)應(yīng)變時效現(xiàn)象。②表U的數(shù)據(jù)是基于室溫抗拉強度保證值并根據(jù)擬合曲線將室溫保證值提高了10%得到的。

總之，不建議采用ASME II卷D篇表U的數(shù)據(jù)作為材料驗收合格與否的指標(biāo)。若要使用，則應(yīng)除以1.1后使用，同時應(yīng)考慮到板厚的影響。對于壁厚大于100 mm的鋼板，應(yīng)適當(dāng)降低要求。對于容器最終要進行焊后熱處理的情況，建議設(shè)計方對材料提要求時，取消交貨狀態(tài)下的拉伸和沖擊性能要求，但必要的工藝性能，比如鋼板的彎曲、鋼管的擴口、壓扁等應(yīng)予以考慮，以保證使用狀態(tài)下材料的力學(xué)性能。

4 結(jié)語

ASME標(biāo)準(zhǔn)鋼板產(chǎn)品對于短時高溫抗拉數(shù)據(jù)無規(guī)定，但設(shè)備設(shè)計人員在校核時要用到此數(shù)據(jù)，于是有些設(shè)計文件在技術(shù)要求中將ASME II卷表U的數(shù)據(jù)作為材料驗收的標(biāo)準(zhǔn)。針對此種做法存在的爭議及其涉及的主要問題進行了探討，提出了建議做法。