q345r材料受火损伤后的热暴露试验研究

q345r材料受火损伤后的热暴露试验研究

p345r是针对压力显统的钢板。广泛应用于典型工程中。它是低合金钢和一般力学的完美结合。本研究通过在不同受火温度、保温时长及冷却方式条件下的热处理来模拟Q345R钢板受火损伤的热暴露试验,并经过对经受相应热处理后材料的拉伸性能、冲击性能以及硬度、微观组织等进行深入研究,进一步总结规律,以期相关研究结果可用于石化企业Q345R材料现场设备灾后的损伤评定。1测试1.1材料化学成分分析Q345R钢板规格为260mm×130mm×13mm(长×宽×厚),试样处理分为3步:加热、保温、冷却。通过将材料置于马弗炉中持续经受加热过程与保温过程来模拟材料在火灾条件下的状态,进一步依照API579《服役适应性》将Q345R材料的热暴露区间划分为IV、V、VI区间,温度区间设定为204℃～427℃、427℃～732℃及>732℃参照GB/T223《钢铁及合金化学分析方法》对未受火材料的化学成分进行进一步分析,分析结果符合GB713《锅炉和压力容器用钢板》中对Q345R钢的技术要求。分析结果见表1。1.2拉伸试验及预冲击试验将经受加热、保温、冷却过程后的材料制成满足冲击、拉伸、硬度试验要求的尺寸,分别依照标准GB/T229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》、GB/T228.1—2010《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》及GB/T231.1—2009《金属材料布氏硬度试验第1部分:试验方法》进行试验,在受火及未受火处理条件下分别进行平行测试3次。1.3微观组织结构的测定未受火及受火后试样经取样、磨制、抛光、腐蚀等制样后,采用金相显微镜MEF-3观察其微观组织结构,晶粒度评定依照GB/T6394—2002《金属平均晶粒度测定方法》中的相关要求。2结果和分析2.1拉伸性能的变化图1至图4分别为Q345R屈服强度、拉伸强度、伸长率、断面收缩率随受火温度、保温时长及冷却方式变化的曲线。由图1可得,受火前,Q345R的屈服强度为372.22MPa;受火后,不论何种冷却方式,当受火温度小于649℃,Q345R的屈服强度随着温度的升高基本维持在370MPa左右;当受火温度为732℃～816℃,冷却方式对屈服强度影响较大。在732℃下保温60min空冷下的屈服强度为333MPa,与未受火状态相比下降10%;在732℃下保温60min水冷下的屈服强度为297MPa,与未受火状态相比下降20%。模拟火灾后的屈服强度与室温屈服强度指标345MPa相比由图2可得,受火前,Q345R的拉伸强度为542.82MPa;受火后,在空冷条件下,当受火温度小于649℃,Q345R的拉伸强度随着温度的升高基本维持在542MPa左右,当受火温度在649℃～816℃之间时,随着温度的上升,拉伸强度有下降的趋势,在816℃下保温60min时,拉伸强度与未受火条件相比下降11%。在水冷条件下,当受火温度小于732℃,Q345R的拉伸强度随着温度的升高维持在542MPa左右,当受火温度在732℃～816℃之间时,随着温度的上升,拉伸强度均有一定程度的增大。当受火温度为816℃时,冷却方式对抗拉强度影响较大。模拟火灾后的拉伸强度与室温拉伸强度指标510MPa～640MPa相比由图3可知,受火前,Q345R的伸长率为31.04%;受火后,在空冷条件下,Q345R的伸长率随着温度的升高变化幅度较小,伸长率均不低于21%,满足要求由图4可知,受火前,Q345R的断面收缩率为73.78%;受火后,在空冷条件下,Q345R的断面收缩率随着温度的上升变化幅度较小,基本维持在71%左右;在水冷条件下,当受火温度小于732℃时,随着温度的上升,Q345R的断面收缩率维持在71%左右,波动范围较小,当受火温度在732℃～816℃之间时,保温时长为15min、30min,随着温度的上升,断面收缩率有急剧减小的趋势,与未受火状态相比最大降幅可达76%左右。综上可知,732℃～816℃温度下,冷却方式对断面收缩率影响较大。2.2受火温度对冲击功的影响图5为Q345R冲击功随受火温度、保温时长及冷却方式变化的曲线。由图5可知,受火前,Q345R的冲击功为96.77J;受火后,在空冷条件下,当受火温度小于649℃时,Q345R的冲击功随着温度的升高维持在96J左右,变化幅度较小,当受火温度在649℃～816℃时,冲击功有增大的趋势,在816℃下保温30min的冲击功为227J,较未受火状态增加134%。在水冷条件下,当受火温度小于593℃时,冲击功随着温度的升高维持在96J左右。当受火温度为649℃～816℃时,冲击功随温度的升高有大幅下降的趋势,816℃下保温15min的冲击功仅为6.5J,与未受火条件相比下降93%。当受火温度小于等于593℃时,空冷状态下的冲击功和水冷状态下的冲击功相差不大。当受火温度为732℃、816℃时,水冷状态下的冲击功明显小于空冷条件下的。空冷条件下冲击功均≥41J,满足要求2.3温度和时间对硬度的影响图6为Q345R的布氏硬度随受火温度、保温时长及冷却方式变化的曲线。由图6可知,受火前,Q345R的硬度为153HB。受火后,在空冷状态下,Q345R的硬度随着温度的上升变化幅度较小,约在140HB～155HB范围内,在732℃下保温60min的硬度为140HB,与未受火条件相比下降13HB。在水冷条件下,当受火温度小于732℃,Q345R的硬度随着温度的升高变化不大,约在150HB～160HB范围内,当受火温度在732℃～816℃,保温时长为15min、30min、60min时,硬度有急剧增大的趋势,最大值达到254HB,冷却方式对硬度的影响非常大。当受火温度小于等于427℃时,空冷状态下的硬度与水冷状态下的比较相差无几。当受火温度大于等于482℃时,水冷状态下的硬度明显大于空冷状态下的硬度。2.4微观组织的变化2.4.1受火后各受火冷却方式对组织的影响保温5min时各个受火温度、不同冷却方式下的金相组织结构均为铁素体+珠光物,且随温度升高无明显变化。图7所示为保温60min时各个受火温度、冷却方式下的组织结构。图7(a)为Q345R材料未受火的金相组织,当受火温度小于等于649℃时,带状组织特征明显,金相组织无明显变化,组织为铁素体+珠光体;当受火温度为816℃时,带状组织减少直至消失,整体组织结构趋向均匀化,珠光体发生明显分解。2.4.2晶粒度的测定保温5min时各个温度、冷却方式下的晶粒结构随着温度的升高,晶粒度变化较小。图8所示为保温时长为60min时各个受火温度、冷却方式下的晶粒结构。图8(a)为未受火的晶粒度,图8(a)～8(i)晶粒度分别为8.0级、8.0级、7.5级、7.5级、8.0级、8.5级、8.5级、7.5级、7.0级。由此可知,随着温度的升高,晶粒度变化较小,水冷状态下晶粒与相应温度空冷状态下的晶粒相比,大小较为不均匀。2.4.3脱碳层的变化在所有温度参数下进行5min的热处理,材料均不会发生明显脱碳现象。不同受火温度、不同冷却方式下保温60min组织脱碳层的变化如图9所示。由图9可知,在所有不高于649℃温度下进行60min的热处理,材料都不会发生明显脱碳现象,在816℃下进行的热处理会使材料表面发生脱碳,脱碳层最大深度约为200μm。2.5热处理试样的表面测试钢板经过不同受火温度和保温时长的热处理,空冷或水冷后,钢板表面的颜色发生变化,如图10所示。由图10可以看出,对于受火温度较低的、保温时长较短的热处理试样的外观与未热处理试样的相比无明显变化,表面均有红褐色氧化层;受火温度649℃、保温30min、水冷条件下的氧化层则完全剥落,表面出现黄褐色锈迹;在816℃保温60min空冷条件下的大部分氧化层已剥落;在816℃保温60min水冷条件下的氧化层完全剥落,表面出现棕色锈迹。3受火后材料的力学性能本研究通过对Q345R材料进行不同受火温度、保温时长和冷却方式的热处理来模拟受火损伤的热暴露试验,得出了经历不同热处理后Q345R材料的力学性能和微观组织变化规律,结论如下:(1)在20℃～816℃的范围内,20℃～649℃时,不论何种冷却方式和受热时间,Q345R屈服强度、拉伸强度、伸长率、冲击功均满足要求。当受火温度为732℃、保温时长为30min和60min时不论何种冷却方式下,均不满足要求;当受火温度为816℃,保温时长为15min、30min、60min时,不论哪种冷却方式下也不满足要求,保温时长为5min水冷条件下同样不满足,其余条件均满足材料的力学性能要求。(2)在20℃～816℃的范围内,空冷条件下,Q345R材料布氏硬度变化不大,约在140HB～155HB范围内;在水冷条件下,当受火温度不高于732℃时,布氏硬度随温度、保温时长维持在150HB～160HB范围内,当温度高于732℃时,硬度值明显增加,最大达到254HB,冷却方式对硬度值影响较大。(3)当温度低于649℃时,材料组织为铁素体+珠光体,组织无明显变化;当温度高于649℃时,金相组织明显发生变化,珠