正交试验对2.25Cr-1Mo钢脆化倾向的影响因素研究*

刘德宇 方 舟

(中国特种设备检测研究院)

在现代石油加工行业中，加氢工艺因为能够提高石油加工产品的质量、石油产品的性能和产品收益率而受到各国炼油工业的普遍重视，从而获得了较快的发展。加氢反应器是加氢工艺的关键设备，通常在高温、高压且临氢条件下运行，工作条件恶劣，而它的稳定运行对整个装置的安全至关重要。

目前，热壁加氢反应器的主要选材是2.25Cr-1Mo钢，国内外的研究资料表明该种材料在长期服役后具有高温回火脆化倾向[1]。由于加氢反应器筒体是在一定压力下工作的。因此，探讨应力、温度对其脆化的影响是十分必要的，对设备的安全运行具有重要意义。

1 试验材料及方法

试验材料取材于镇海石化运行了14年的加氢反应器挂块的母材(2.25Cr-1Mo钢)部分，为了模拟该材料在未服役之前的状态，对该材料进行了脱脆处理，处理工艺为630℃×2h，油冷，试样尺寸为11mm×11mm×214mm。

高温加载处理在GWT304杠杆式蠕变试验机(图1)上进行，设计的正交试验条件由加氢反应器的工作环境来确定：处理温度分别选取427℃和468℃，应力水平分别选取146、180、200MPa，处理时间为120h。处理后再将试样加工成Charpy标准冲击试样，然后在-80℃时进行冲击试验[2]，并进行断口纤维率的测量和断口形貌的微观观察与分析。

图1 试件在蠕变试验机上进行高温加载处理

2 试验结果与讨论

不同温度和应力处理后，试样在-80℃的冲击功和断口纤维率见表1。

表1 高温加载处理后材料在-80℃的冲击功和断口纤维

由表1以看出高温加载后的材料的冲击功变化趋势。随着应力水平的增加，相同处理温度下材料的冲击韧性变化非常小：处理温度为427℃的试样随着载荷的加大其冲击韧性略有升高；处理温度为468℃的试样随着载荷的加大其冲击韧性略降。总体来说，试样的冲击韧性在各个载荷下的波动在正常的冲击试验误差范围内，因而载荷大小对试样的冲击韧性影响非常小。

冲击试样的断口纤维率可以从另一个角度来反映材料的冲击韧性变化情况。高温加载后材料的断口纤维率变化情况从表1所列的数据也可以看出，该材料的断口纤维率变化趋势与其冲击功变化趋势完全相同，而且其断口纤维率随载荷的变化量非常小，认为载荷对该材料的断口纤维率影响不显著。

各个状态下的试样冲击断口的宏观形貌如图2所示。经过高温应力处理后，试样断口都出现了较大面积的脆性断裂区，这进一步表明高温加载会增加材料的脆化倾向。同一处理温度下，断口的脆性断裂区域没有随着应力发生较大改变，这表明应力对材料的脆化程度影响不明显。同时，可以从同等工作条件处理的试样，即427℃、146MPa处理的试样，脆性断裂区域相比较而言是最小的，而处理条件为468℃、180MPa时，材料的脆性断裂区有所增大，但是增大程度不明显。试验结果表明，应力对该材料的脆化倾向无明显影响。

图2 试样冲击断口的宏观形貌

通过微观形貌观察，试样冲击断口的韧性断裂区断裂特征为典型韧窝形貌(图3a)，试样冲击断口的脆性断裂区的断裂特征为穿晶断裂(图3b)。

图3 试样冲击断口微观形貌

通过上述分析，可以认为在高温加载条件下，应力对材料的脆化倾向无明显的影响，这与周昌玉等[3]的研究结果是一致的。同时，由表1所列数据可以看出，在同一载荷下，处理温度越高，材料的冲击韧性和断口纤维率越低，且越容易发生脆化。冲击试样的断口宏观形貌(图2)进一步验证了这一结果。但是，这一规律在一定的温度范围内才成立，因为加氢反应器用2.25Cr-1Mo钢在高温处理后发生的是第二类回火脆，根据回火脆的产生机制，温度过低，或者在回火脆化温度范围内停留时间太短，都不会产生回火脆。因此，根据试验结果，认为在回火脆化温度范围内，材料的回火脆化程度与热处理温度有关，温度越高，材料的回火脆化程度越大。

3 结论

3.1高温加载条件下，应力对加氢反应器用2.25Cr-1Mo钢的脆化倾向无明显影响。

3.2在回火温度范围内，回火温度是影响材料回火脆化的主要因素，回火温度越高，2.25Cr-1Mo钢回火脆化越严重。

[1] Xu H, Hua L, Xia X M, et al.Experimental Study of Temper Embrittlement of Aged Specimens Removed from a Hydrogenation Reactor[J].Engineering Failure Analysis，2006，13(4): 615～623.

[2] GB/T229-1994，金属夏比缺口冲击试验方法[S].北京：中国标准出版社，1994.

[3] 周昌玉，胡桂明，孙宇.作用应力对2.25Cr-1Mo合金钢回火脆性的影响[J].特殊钢，2006，27(6)：1～3.