4130X钢应力腐蚀门槛值变化规律的实验研究

发布时间：2020-05-31 11:55

【摘要】：课题来源于十三五国家重点研发计划《超期服役承压设备寿命预测及延寿关键技术》的子项目(2016YFC0801905),重点针对典型的承压设备材料,进行非稳态工况下超期服役设备的寿命预测方法研究及安全评定。本文围绕着探究材料应力腐蚀门槛值K_(ISCC)的影响因素、建立K_(ISCC)与硫化氢浓度之间数学模型的核心问题进行了系列研究。以断裂力学为理论基础,以4130X气瓶用钢为研究对象,从硫化氢单纯腐蚀影响材料断裂韧性及应力腐蚀门槛值的两个视角出发进行实验研究,重点研究在非单一工况(不同的腐蚀环境、不同的外加应力共同作用)下,材料的应力腐蚀门槛值的变化情况。在此基础上,对裂纹尖端的应力场进行理论分析,研究应力与腐蚀共同作用下,腐蚀前后裂纹尖端应力场及塑性区尺寸的变化。为后续研究其长期服役下的寿命预测提供实验依据。本文首先研究了单纯腐蚀因素对材料断裂韧性的影响。应用三点弯曲试样,以COD实验为基础,测定了4130X材料两种状态下腐蚀前后的断裂韧性,分别得到空气中与1600ppm浓度硫化氢腐蚀后的P-V曲线21组(空气中:原材料6组、热处理材料6组;腐蚀后:原材料3组、热处理材料6组。),得到了对应的d_R-△a关系。针对热处理材料,利用d_R-△a关系做出阻力曲线,并换算出K_I值。对于原材料,由于其没有裂纹稳定扩展阶段,求出其K_I的上限值。其次,本文应用改进型WOL试样进行恒位移实验,研究了腐蚀因素及外力因素对应力腐蚀门槛值变化规律的影响。分别考虑3个梯度不同硫化氢浓度(200ppm、800ppm、1600ppm)、3个梯度不同初始载荷共同作用,进行系列实验,得到18个应力腐蚀门槛值(原材料:9个、热处理材料:9个)。由于原材料试样屈服强度较低,所得实验结果不满足平面应变要求,为材料应力腐蚀门槛的上限值。主要工作与创新点如下:(1)通过实验建立了应力腐蚀环境下4130X材料K_(ISCC)(K_e)与硫化氢浓度C_(H2S)之间的数学模型,在工程应用中,当已知硫化氢浓度时,可根据该模型推算材料的应力腐蚀门槛值。(2)实验中考虑了硫化氢浓度与初始载荷的两种因素影响,结果表明硫化氢浓度为主要影响因素,应力腐蚀门槛值随着硫化氢浓度增加呈指数递减关系;初始载荷为次要影响因素,其主要影响低浓度下的应力腐蚀门槛值,随着硫化氢浓度的增加,该影响逐渐减弱。(3)对特种设备常用的4130X高压气瓶用钢,针对其原材料与热处理后的材料,从力学性能、断裂性能、腐蚀性能、应力腐蚀性能方面,进行了系统实验研究,给出了适合工程应用的定量评价结果。
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG142.1;TE97;O346.1

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