2.25CR1MOV钢回火脆化条件下失效评定曲线研究开题报告

一．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写

2000字左右的文献综述：

文 献 综 述

1. 研究背景及研究意义

加氢反应器是炼油厂加氢装置的关键设备，一般在高温、高压、临氢及硫化氢等腐蚀的条件下操作，常用于将石油工业中最难利用的重质部分--渣油加氢转化为轻质油，从而生产出汽油、柴油等。加氢反应器设计要求高，制造工艺复杂，对材料、焊接技术和焊接质量也有较高的要求。[1]加氢反应器主体材料目前采用2.25Cr-1Mo-V（ASME牌号：SA336F22V）钢，已逐步取代普通的Cr-Mo 钢。由于热壁加氢反应器主体材料面临介质腐蚀，应力腐蚀，氢腐蚀，氢脆，回火脆化和蠕变脆化等一系列问题，其危险性逐年递增。选用不同的材料对设备的使用寿命影响较大。[2]对于2.25Cr-1Mo-V钢在回火脆化条件下的失效评定曲线研究尤为重要，本课题主要针对2.25Cr-1Mo-V钢在回火脆化条件下的失效评定进行研究，基于EPRI方法对不同温度条件下试件的力学参数进行一系列的模拟计算和分析比较。得出失效评定曲线图。针对该曲线图选用合理的加工工艺，进而延长设备使用寿命，提高经济效益。

2. 失效评定规范

失效评定图（FAD, Failure assessment diagram）作为有效的缺陷评定方法，其综合了脆性断裂和塑性垮塌两种失效方式的判定，被广泛运用于含缺陷结构的安全评定。失效评定图是由 Dowling 和 Townley[3]最早提出的双判据失效评定图概念发展而来。

现已被列入国内外多个含缺陷结构的失效评定中，如 CEGB R6[4]失效评定图方法、SINTAP[5]缺陷评定、英国标准BS7910[6]失效评定图方法、美国石油协会API579 [7]失效评定图方法、GB/T 19624-2004[8]。在含缺陷条件下，研究人员提出运用应力-应变关系的失效评定曲线(Failure Assessment Curve）[9,10]简称FAC。

2.1 CEGB R6失效评定图方法

失效评定图最早是英国中央电力局(CEGB)提出的含裂纹结构破坏的评定技术。主要用于含缺陷结构处于脆性断裂和塑性失稳失效两种极端状况之间，此时失效是弹塑性撕裂，需要用弹塑性断裂力学加以解决，将裂纹尖端位移δ或」积分参量为依据。

早期失效评定图中的失效评定曲线是以弹塑性断裂力学中裂纹张开位移δ理论的D-B模型为基础。表达式为：

（1）

其中 表示结构接近于脆性断裂的程度； ，表示结构接近于塑性失效的程度，P施加的载荷； 结构的失稳载荷， 是材料的流变应力，MPa。

2.2 英国标准BS7910:2013失效评定

BS7910 《金属结构中缺陷验收评定方法导则》是英国标准委员会(BSI)在1999年底公布、2000年发表的最新完整版的英国标准，它仍然采用三级评定方法对金属结构中的缺陷进行安全评定。

一级评定为简单评定，包括FAD法和当量裂纹法，适用于材料性能数据有限时。二级评定为常规评定方法，此等级共分为两种，即2A和2B.2A级评定曲线不再要应力-应变数据。用于描述失效评定曲线的方程如下：

（2）

其中 ， 为屈服强度，MPa； 为抗拉强度，MPa。

对不同的材料，取舍点不同。对应力-应变曲线具有屈服平台或应力-应变不连续性的材料，取舍点的值取1.0或者用2B级评定。

如果2B评定中的FAD图无法得到，则对于 =0或 1.0时，采用下式进行估计：

（3）

其中， （关系限制在 976MPa内)， 是屈服强度的界(如不能得到 ，用屈服强度0.2%的条件屈服强度代替)。

（4）

其中 是下界应变硬化指数。

2.3 GB/T19624-2004失效评定曲线

我国GB/T19624-2004《在用含缺陷压力容器安全评定》中对平面缺陷的评定分为简化评定和常规评定。平面缺陷的常规评定采用通用失效评定图的方法进行。该失效评定图如图1所示。由失效评定曲线、垂直线线和两直角坐标轴所围成的区域之内为安全区，该区域之外为非安全区。

图1.通用失效评定图

3. 加氢反应器材料回火脆研究

加氢反应器过去基本采用2.25Cr-1Mo钢制造。由于加氢反应器使用条件更趋高温、高压和大型化，从20世纪80年代开始，在2.25Cr-1Mo钢使用经验的基础上，成功开发了增强性2.25Cr-1Mo钢和改进型2.25Cr-1Mo-V钢(2.25Cr-1Mo-0.25V和2.25Cr-1Mo-0.25V-Cb-Ca及改进型3Cr-1M0-V钢(3Cr-1Mo-0.25V-Ti和3CrMo-0.25V-Cb-Ca。增强型2.25Cr-1Mo钢通过改进热处理工艺。使抗拉强度由原来的515-690MPa提高到585-760MPa。改进型钢在原有材料化学成分基础上添加0.2%-0.3%的钒等元素来达到更高强度，更好的抗高温回火脆性及优越的抗堆焊层氢剥离性能[11]。以至于2.25Cr-1Mo-0.25V已成为目前制造加氢反应器的首选材料。徐亮[12]等人针对2.25Cr-1Mo-0.25V进行回火脆化倾向评定试验(步冷试验)。对于试验前后的试件进行钢材试验冲击并绘制回火脆化试验曲线。针对不同的试样制定不同的研究方法，基于2.25Cr-1Mo-0.25V主要针对三点弯曲试样和双边裂纹板两种试样进行研究。针对于失效评定曲线图，李亚宁[13]等人提出运用R6试验方法进行研究，对于所得研究数据进行拟合从而获得不同材料在回火脆化条件下的失效评定曲线图。帅健[14]等人给出基于J 积分理论的材料的失效评定曲线的基本方程, 并采用有限元方法计算裂纹试样的 J 积分。 对三个破坏的含裂纹试样, 根据现场测量的裂纹尺寸和材料的力学性能试验数据, 建立失效评定曲线。应用断裂力学知识可以对断裂试样进行简单失效分析。不同于线弹性断裂力学理论，弹塑性断裂力学适用于裂纹尖端的塑性区尺寸已接近甚至超过裂纹尺寸的情况根据研究对象不同，主要分为 J 积分理论和 COD 理论。[15]加钒钢属于 Cr-M o 类材料，由于长期在回火温度区间（315-595℃）工作，存在回火脆化的倾向，为了减小材料这种回火脆性，通常还需在焊后模拟热处理后做步冷热处理试验，步冷试验曲线见图 2，过步冷试验前后韧性温度的变化来评定材料抗回火脆化的能力[16]。

图 2.热处理（脆化处理）曲线

朱兵[17]等人研究发现氢对于加氢反应器的回火脆化有加强作用，随着回火脆化程度的增加，应力、氢对回火脆化的影响逐渐增强；应力与氢对回火脆化的影响机理是降低。相较于早期研究Cr- Mo钢的化学成分和热处理条件对回火脆化的影响。国内外专家认为，p是最有害的元素，Sn次之，Sb，As的影响较小。Si、Mn间接影响2.25Cr-1Mo-V 钢的回火脆化。研究证明，脆化是由于含有微量的P晶界偏析的结果。Si自己不会引起脆化，而是对于P的脆化起了促进作用。随着回火脆化程度的增加,应力对回火脆化的阻碍作用成指数的趋势增大如图3，研究只是针对于某一方面进行重点深入，结合前人的研究丰富目前的研究，使其更加细致全面[18-19]。针对步冷试验法应用于回火脆化条件下的Cr-Mo钢的影响，谈金祝[20]等人做了更为细致的研究。结果表明 ,对已经回火脆化的 2. 25Cr-1Mo钢试块不适宜用步冷试验来预测其进一步的回火脆化程度。但是相较于传统的长时间等温回火脆化，步冷试验可以是一种加速回火脆的试验方法，可以快速得出试验结果。李高升等人[21]研究结果发现 ,导致材料回火脆化的主要因素是温度和等温时间, 而作用应力对 2.25Cr-1Mo-V钢回火脆性的影响不显著。

图3 2.25cr-1mo钢回火脆化减少量与回火脆化量关系

孙宇[22]等人深入研究发现温度是导致材料回火脆化的主要影响因素，并且同样发现了应力对试块的回火脆性的影响不显著的结果。通过晶界平衡偏聚的热力学理论，分析2.25Cr-1Mo钢中杂质元素磷在运行条件下偏聚量的变化，与材料回火脆化量的关系。通过回火脆化量计算公式得到了回火脆化量与微量元素成分的定量关系，对国内多台加氢反应器的挂片在不同温度、不同运行时间下的脆化量进行分析，提出了优化后的脆化量计算公式。

4. FAD的缺陷评定研究

所谓FAD其核心是失效评定曲线(简称FAC)，从FAC的定义可以看出其原本实际上仅仅是一条含裂纹几何体受力后其线弹性断裂参量与弹塑性断裂参量的比值随加载水平不断变化的函数关系曲线[23]，即 。只有当含裂纹几何体的弹塑性断裂参量等于材料的断裂韧性如 时，该函数关系曲线才具有临界态概念从而成为FAC。由于FAC受材料、裂纹体几何的影响甚大.所以应从严格的FAC定义出发,即 。用失效评定图对含缺陷试样进行评定时, 只要计算缺陷处的评定点 (Kr,Lr) , 然后把它标绘在相应的失效评定图中, 如果评定点处于失效评定曲线的下侧 (安全区) , 则所评定的试样缺陷是安全的;如果评定点处于失效评定曲线的上侧 (失效区) , 则所评定的试样缺陷将失效[24]。图4所示为失效评定分析 (图中,A为评定点,C为起裂点,D为重新加载后的评定点,E为失稳扩展开始点) 。图中失效评定曲线FAC的方程如下：

（5）

杜仕冲[25]等人基于FAC提出了一种模糊评定方法。针对压力容器的平面缺陷的塑性与断裂评定, 将评定点与通用失效评定曲线 (FAC) 的最小距离, 转化为模糊程度因子, 并根据模糊评定的隶属度, 建立模糊评定模型, 从而得出压力容器平面缺陷的失效与安全程度。进而采用综合评定方法可对容器的整体缺陷的失效与安全程度进行评定。这种评定方法的结果更加直观、准确、可靠。

图4 失效评定分析示意图

参考文献

[1] 张颖,尚尔晶,谷文.2.25Cr-1Mo和2.25Cr-1Mo-0.25V钢加氢反应器材料和制造经验[J].压力容器,2014,31(12):73-78 22.

[2] 贾小斌,张峥,李定孝.热壁加氢反应器材料及焊接技术[J].石油化工设备,2002(04):40-42.

[3] Dowling A T, Townley C H A. Effect of defects on structural failure: a two criteria approach[J]. Int J Pres Ves Piping, 1975, 3: 77-137.

[4] R6, Revision 4. Assessment of the Integrity of Structures Containing Defects[S]. British Energy Generation Ltd., 2001.

[5] SINTAP, Structure integrity assessment procedure for european industry[S], Brite-Euram Project BE 95-1426, Contract No. BRPRCT95-0024, Final Procedure, British Steel Report, Rotherhan, 1999.

[6] BS7910, Guide on methods for assessing the acceptability of flaws in metallic structures[S]. British Standard Institution, London, UK, 1999.

[7] API 579, Recommended practice for fitness-for-service. American Petroleum Institute[S]. 2000.

[8] GB/T 19624-2004, 在用含缺陷压力容器安全评定[S]. 2004.

[9] Ainsworth R A, Hooton D G, Green D. Failure assessment diagrams for high temperature defect assessment [J]. Eng Fract Mech, 1999, 62(1): 95-109.

[10] 轩福贞, 涂善东, 王正东. 高温含缺陷结构与时间相关的失效评定图[J]. 核动力工程, 2003, 24(6): 508-513.

[11]Bannister,Hizume.高温和超临界蒸汽轮机的性能与发展[J].发电设备,1987(03):9.

[12]徐亮,黄金国,王利,何前进,顾先山.2.25Cr-1Mo-0.25V钢性能研究及其在加氢反应器上的应用[J].化工机械,2012,39(06):773-777 819.

[13]李亚宁,董保胜,赵新伟,罗金恒,周根树,郑茂盛.含裂纹型缺陷压力容器用钢失效评定曲线研究[J].有色金属,2007(01):10-13

[14]王旭,帅健.输气管道环焊缝表面裂纹管道极限载荷计算方法[J].天然气工业,2019,39(03):94-101.

[15]彭博.基于断裂力学理论的压力容器的缺陷分析[J].科技展望,2015,25(15):121-122.

[16]金燕,杨平平.加氢反应器用国产2.25Cr-1Mo-0.25V钢板性能的试验研究[J].化学工程与装备,2019(06):19-22.

[17]朱兵,周昌玉.氢与应力联合作用下2.25Cr-1Mo钢回火脆性实验研究[J].石油化工设备,2017,46(02):13-18.

[18]姜萍.压力容器用CrMo钢锻件回火脆性影响因素的研究[J].一重技术,2001(04):44-47.

[19]张喜亮,周昌玉,李高生,朱兵.基于晶界偏聚理论的应力与回火脆化作用的机理[J].南京工业大学学报(自然科学版),2010,32(05):16-19.

[20]谈金祝,黄文龙.步冷试验法预测2.25Cr-1Mo钢回火脆性[J].南京化工大学学报(自然科学版),1998(S1):17-20.

[21]李高生,周昌玉,张喜亮,朱兵.应力作用下2.25Cr-1Mo钢的回火脆化试验研究[J].压力容器,2009,26(11):21-24 49.

[22]孙宇. 热壁加氢反应器材料2 1/4Cr-1Mo的回火脆性研究[D].南京工业大学,2005.

[23]卢黎明,郭潮群,吴鹏伟,郑文龙,宋世荣,刘巍.基于失效评定图的含缺陷压力管道安全评定方法评述[J].压力容器,2008(04):33-37.

[24]李勇. 压力容器接管高应变区缺陷失效评定图(FAD)[C]. 中国机械工程学会压力容器分会.第四届全国压力容器学术会议论文集.中国机械工程学会压力容器分会:中国机械工程学会压力容器分会,1997:101-108.

[25]龙伟,杜仕冲,余进.基于含缺陷在役压力容器的模糊评定[J].四川大学学报(工程科学版),2007(01):166-170.

2. 研究内容与研究方法

过程工业的重要装备热壁加氢反应器是加氢装置的核心设备，长期在高温、高压、临氢环境中运行，并受易燃易爆介质的作用，对企业的安全生产构成潜在威胁。新型加氢反应器采用铬钼钢制造（2.25Cr-1Mo-V，3Cr-1Mo-V 等），在高温和高压下运行，不可避免产生回火脆及氢脆是导致加氢反应器材料劣化损伤，器壁母材及焊缝的回火脆化、氢脆等所引起的裂纹形成和扩展，则可能导致其在开停工或检修过程中发生整体的脆性破坏事故。本课题以2.25Cr-1Mo-V钢为研究对象，在其回火脆化条件下进行含裂纹结构的失效评定曲线开展研究，为研究性课题。

1.研究内容

1.1 2.25Cr-1Mo-V钢的材料力学性能分析

分析2.25Cr-1Mo-V钢母材在回火脆化状态下材料力学性能的情况，为后续失效评定曲线的研究提供基础；

1.2 基于EPRI工程估算法的2.25Cr-1Mo-V母材的失效评定曲线研究

采用EPRI工程估算方法计算2.25Cr-1Mo-V钢在回火脆状态下不同裂纹长度（a/w=0.25，a/w=0.5，a/w=0.75）的J 积分，得到相应的失效评定曲线图；

2.研究方法

2.1拉伸试验

根据2.25Cr-1Mo-V钢在回火脆化下的拉伸力学性能试验结果，得到材料弹性模量、屈服强度、抗拉强度等材料性能参数，依照R-O关系式进行全塑性拟合，得到拟合后的材料特征参数。

2.2步冷试验

步冷试验是一种在短时间内进行加速回火脆化的方法,又称为阶梯冷却法( stepcooling)。步冷就是分步冷却，温度每降一级，保温更长时间，使钢产生最大的回火脆性。本文所用的步冷试验的步冷工艺曲线见图5。步冷试验是将试件加热到规定的最高温度后进行分步冷却，温度每降一级，保温时间更长，目的是为了在200-300h内使得钢材产生最大的回火脆性，与350-500度区间设备经过2000-5000h才能产生的效果相同。步冷试验是在步冷试验装置系统内完成的，本研究所有的步冷试验装置系统如图6所示。

图5.步冷工艺曲线

图6.步冷试验装置系统

2.3 EPRI工程估算法

美国电力研究院(EPRI)自 80 年代开始已公布了以 积分工程计算方法为基础的失效评定图(JFAC)的研究成果。这套 积分工程计算方法是建立在材料本构关系符合 关系 的基础上,以 中的 及 为材料特征参数通过对有限元计算结果的归纳,得到裂纹体 积分塑性分量 的工程计算式:

（6）

式中 、 为 式中的材料参数,即

（7）

分别为材料的应变、屈服点应变、对应于参考应力 σ0 的应变;

分别为材料所受应力、屈服应力、参考应力;

裂纹尺寸; 试件宽度(对中心裂纹板试样);

与试样有关的函数; 是 的函数,可由 手册查得 施加于裂纹体的外载荷和以参考应力 计算得到的含缺陷结构的极限载荷。

裂纹体的 积分弹性分量可用线弹性 因子求得:

（8）

式中 为有效裂纹长; 为材料的弹性模量。

裂纹体的 积分则为 的弹性分量和塑性分量之和,即: 然后以 为纵坐标和以 为横坐标依照英国中央电力局 规程的方式绘制出失效评定曲线，即为 积分失效评定曲线 。 的 有如下两个重要特点：

(1)以材料符合或基本符合 本构关系为前提;

(2)以 手册提供的 计算方法,针对不同结构不同材料不同裂纹绘制所需的 。因此, 不提供通用失效评定曲线。