316不銹鋼受火后力學(xué)性能及組織變化研究

林海萍，楊磊杰，黃強(qiáng)，宋文明，侍吉清，黃超鵬，李玉閣

（1. 上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司，上海 201518；2. 甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，蘭州 730070；3. 中國石油塔里木油田分公司，新疆 庫爾勒 841000；4. 機(jī)械工業(yè)上海藍(lán)亞石化設(shè)備檢測所有限公司，上海 201518）

316 不銹鋼具有良好的力學(xué)性能和工藝性能，耐蝕性強(qiáng)，可在苛刻條件下使用，廣泛應(yīng)用在石油、化工、醫(yī)療機(jī)械及食品機(jī)械等領(lǐng)域。其初期投入成本較高，但是后期維護(hù)費(fèi)用低、使用周期長、可回收利用，綜合成本較普通鋼可能更低[1-4]。目前有關(guān)316 不銹鋼的研究主要集中在其綜合性能，但關(guān)于其受火后的損傷評價研究鮮有報(bào)道。石化企業(yè)工藝運(yùn)行條件苛刻，多數(shù)為高溫、高壓工況，相關(guān)物料介質(zhì)多具腐蝕性強(qiáng)、極易燃和易爆的特點(diǎn)，易引發(fā)火災(zāi)及爆炸等事故，而火災(zāi)事故又頻發(fā)于爆炸事故[5]?；馂?zāi)后設(shè)備和相應(yīng)部件的檢修、更換等工作直接決定其停產(chǎn)時間的長短，進(jìn)而影響經(jīng)濟(jì)損失，金屬材料的宏觀性能及微觀組織在經(jīng)歷火災(zāi)后都會發(fā)生一定程度的變化[6-7]。金屬在火災(zāi)發(fā)生后損傷的程度決定設(shè)備部件能不能繼續(xù)服役、還能服役多久，而通過熱處理的方式模擬金屬材料的受火損傷過程，進(jìn)而依據(jù)力學(xué)性能或其他特征的變化情況來對設(shè)備部件進(jìn)行安全評定，具有重要的理論意義和工程價值[8-11]。

在不同受火溫度、保溫時長及冷卻方式條件下的熱處理來模擬其受火損傷的熱暴露試驗(yàn)，并經(jīng)過對經(jīng)受相應(yīng)熱處理?xiàng)l件后的材料拉伸性能、沖擊性能以及硬度、材料的微觀組織等進(jìn)行深入研究，進(jìn)一步總結(jié)規(guī)律，相關(guān)研究內(nèi)容可用于經(jīng)受火災(zāi)后石化企業(yè)316 不銹鋼材料現(xiàn)場設(shè)備災(zāi)后的損傷評定。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方案

本研究試樣為316 不銹鋼，材料長、寬、高分別為260 mm、130 mm、13 mm，試樣處理分為三步：加熱、保溫、冷卻。通過將材料置于馬弗爐中持續(xù)經(jīng)受加熱過程與保溫過程來模擬材料在火災(zāi)條件下的狀態(tài)，進(jìn)一步依照API 579《服役適應(yīng)性》將316 不銹鋼材料的熱暴露區(qū)間劃分為IV、V、VI區(qū)間，溫度區(qū)間設(shè)定為204 ～ 427 ℃、427 ～ 732 ℃及＞ 732 ℃[12]，受火溫度分別取260 ℃、350 ℃、427 ℃、482 ℃、538 ℃、593 ℃、621 ℃、649 ℃、732 ℃和816 ℃，根據(jù)現(xiàn)場火災(zāi)的撲滅時間，設(shè)定保溫時長，分別設(shè)定為5 min、15 min、30 min 和60 min。根據(jù)火災(zāi)后的消防方式，本研究采用水冷和空冷兩種冷卻方式分別模擬消防水滅火和空氣冷卻兩種消防方式下的材料狀態(tài)。

根據(jù)GB/T 223《鋼鐵及合金化學(xué)分析方法》對未受火材料進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果符合GB 24511—2009 《承壓設(shè)備用不銹鋼鋼板及鋼帶》中對316 不銹鋼的技術(shù)要求。分析結(jié)果見表1。

表1 316 不銹鋼化學(xué)成分Table 1 316 stainless steel composition %

1.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

進(jìn)一步將經(jīng)受加熱、保溫、冷卻過程后的材料制成滿足沖擊、拉伸、硬度試驗(yàn)要求的尺寸，分別依照GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》、GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn)第1 部分：室溫試驗(yàn)方法》及GB/T 231.1—2009《金屬材料 布氏硬度試驗(yàn)第1 部分：試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)，在受火及未受火處理?xiàng)l件下分別進(jìn)行平行測試3 次。

1.3 組織觀察

未受火及受火后試樣經(jīng)取樣、磨制、拋光、腐蝕等制樣過程后，采用金相顯微鏡MEF-3 觀察其微觀組織結(jié)構(gòu)。

1.4 晶間腐蝕

依照GB/T 4334—2008 《金屬和合金的腐蝕不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法》中方法E 進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)時間為16 h，經(jīng)180°彎曲，用10 倍放大鏡檢查，觀察試樣外表面是否存在裂紋。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 受火后拉伸性能的變化

圖1 ～ 4 分別為316 不銹鋼屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長率及斷面收縮率隨受火溫度、保溫時長及冷卻方式變化的趨勢。

由圖1 可以看出，未受火的316 不銹鋼的屈服強(qiáng)度為296 MPa；受火后，無論在空冷還是水冷條件下，316 不銹鋼的屈服強(qiáng)度隨著溫度的升高上下波動。空冷條件下 482 ℃下保溫5 min 的屈服強(qiáng)度為279 MPa，與未受火狀態(tài)相比下降5.7%，水冷條件下 260 ℃下保溫60 min 的屈服強(qiáng)度為285 MPa，與未受火狀態(tài)相比下降3.7%。無論空冷還是水冷條件下，316 不銹鋼的屈服強(qiáng)度都高于室溫屈服強(qiáng)度指標(biāo)205 MPa，均滿足要求[13]。

圖1 不同保溫時長下屈服強(qiáng)度隨受火溫度變化的趨勢Fig.1 Changed trend of yield strength with fired temperatures under different holding times

由圖2 可以看出，未受火的316 不銹鋼的屈服強(qiáng)度為647 MPa；受火后，無論在空冷還是水冷條件下，316 不銹鋼的抗拉強(qiáng)度隨著溫度的升高上下波動?？绽錀l件下在260 ℃下保溫5 min 的抗拉強(qiáng)度為637 MPa，與未受火狀態(tài)相比下降1.5%。在水冷條件下在649 ℃下保溫15 min 的抗拉強(qiáng)度為638 MPa，與未受火狀態(tài)相比下降1.4%。無論空冷還是水冷，316 不銹鋼的抗拉強(qiáng)度都高于室溫抗拉強(qiáng)度指標(biāo)520 MPa，均滿足要求[13]。

由圖3 可以看出，未受火的316 不銹鋼的伸長率為54%；受火后，無論在空冷條件下還是水冷條件下，316 不銹鋼的拉伸伸長率隨著溫度的升高在49% ～ 60%之間波動，幅度較小，與未受火狀態(tài)的伸長率相差不大。無論在空冷還是水冷條件下，316 不銹鋼的伸長率均滿足要求不小于40%[13]。

圖2 不同保溫時長下抗拉強(qiáng)度隨溫度變化的趨勢Fig.2 Changed trend of tensile strength with fired temperatures under different holding times

圖3 不同保溫時長下伸長率隨溫度變化的趨勢Fig.3 Changed trend of elongation with fired temperatures under different holding times

圖4 不同保溫時長下斷面收縮率隨溫度變化的趨勢Fig. 4 Changed trend of sectional shrinkage with fired temperatures under different holding times

由圖4 可以看出，未受火的316 不銹鋼的斷面收縮率為76%；受火后，無論在空冷條件下還是水冷條件下，316 不銹鋼的斷面收縮率隨著溫度的升高在69% ～ 85%之間波動，幅度較小，與未受火狀態(tài)的斷面收縮率相差不大。可見，無論在空冷還是水冷條件下，溫度對316 不銹鋼的斷面收縮率影響較小。在各個受火溫度、保溫時長下，空冷條件下和水冷條件下的斷面收縮率也相差不大，由此可知，冷卻方式對斷面收縮率的影響也較小。

2.2 受火后沖擊韌性的變化

圖5 為316 沖擊功隨受火溫度、保溫時長及冷卻方式變化的趨勢。

由圖5 可以看出，未受火的316 不銹鋼的沖擊功為385 J；受火后，無論在空冷條件下還是水冷條件下，隨著溫度的升高，316 不銹鋼的沖擊功隨著溫度的升高總體有下降的趨勢?？绽錀l件下在816 ℃下保溫60 min 的沖擊功288 J，與未受火狀態(tài)相比下降25%。水冷條件下在732 ℃下保溫15 min 的沖擊功318 J，與未受火狀態(tài)相比下降17%。在各個受火溫度、保溫時長下，空冷條件下和水冷條件下的斷面收縮率相差較大。由此可知，冷卻方式對斷面收縮率的影響較 大。

2.3 受火后布氏硬度的變化

圖6 為316 不銹鋼硬度隨受火溫度、保溫時長及冷卻方式變化的趨勢。

圖5 不同保溫時長下沖擊功隨溫度變化的趨勢Fig.5 Changed curve of impact energy with fired temperatures under different holding times

由圖6 可以看出，未受火的316 不銹鋼硬度163 HB；受火后，無論在空冷還是水冷條件下，受火溫度小于260 ℃時，隨著溫度的增加，316 不銹鋼的布氏硬度有略微減小的趨勢。受火溫度大于260 ℃時，隨著溫度的升高出現(xiàn)上下波動的趨勢，幅度較小，范 圍 分 別 為153 ～ 164 HB 和152 ～ 165 HB。可得，溫度對其硬度的影響不大，均滿足要求不大于217 HB[13]。在各個受火溫度和保溫時長下，空冷條件下的硬度和水冷條件下的硬度相差不大，故冷卻方式對硬度的影響同樣較小。

圖6 不同保溫時長下硬度隨溫度變化的趨勢Fig.6 Changed curve of hardness with fired temperatures under different holding times

2.4 金相組織的變化

保溫時長5 min 時，各個受火溫度、冷卻方式下的金相組織隨溫度升高無明顯變化。圖7 為保溫時長60 min 時各個受火溫度、冷卻方式下的組織結(jié)構(gòu)。

圖7a 為316 不銹鋼板未受火狀態(tài)的微觀組織。圖7b、圖7d、圖7f 及圖7h 分別為427 ℃、538 ℃、621 ℃及816 ℃空冷條件下時的金相組織形貌，圖7c、圖7e、圖7g 及 圖7i 分 別 為427 ℃、538 ℃、621 ℃及816 ℃水冷條件下時的金相組織形貌。由此可知，隨著受火溫度的升高，金相組織為奧氏體無明顯變 化。

圖7 保溫時長為60 min 時試樣的金相組織Fig.7 Microstructures of samples fired at different temperatures and cooled in two conditions for 60 min of heat preservation

2.5 表面顏色的變化

將鋼板材料經(jīng)過不同溫度和不同時間的熱處理后，采用空冷和水冷兩種方式冷卻，觀察管板表面的顏色變化，結(jié)果見圖8。

圖8 熱處理冷卻后表面顏色變化Fig.8 Colour changes of samples heated and cooled

由圖8 可以看出，對于受火溫度較低、保溫時長較短的熱處理試樣與未熱處理?xiàng)l件下外觀無明顯變化，表面有灰白色金屬光澤，在427 ℃保溫60 min空冷條件下呈黃褐色，在732 ℃保溫15 min 空冷條件下呈灰棕色，在816 ℃保溫60 min 空冷后表面出現(xiàn)藍(lán)灰色，在816 ℃保溫60 min 水冷下表面呈灰棕色。

2.6 晶間腐蝕

晶間腐蝕試驗(yàn)結(jié)果見表2。觀察未發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕裂紋。

3 結(jié)論

本研究通過對316 不銹鋼進(jìn)行不同受火溫度、保溫時長和冷卻方式的熱處理來模擬受火損傷的熱暴露試驗(yàn)，得出了經(jīng)歷不同熱處理后316 不銹鋼的力學(xué)性能、微觀組織及晶間腐蝕變化規(guī)律，結(jié)論如下：

（1）在20～816 ℃的范圍內(nèi)，不論受熱時間、冷卻方式，材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長率、硬度均滿足力學(xué)性能要求。

（2）在20～816 ℃的范圍內(nèi)，空冷、水冷條件下，不論受熱時間，當(dāng)受火溫度低于632 ℃時，沖擊功變化不大；當(dāng)受火溫度高于632 ℃時，材料沖擊功明顯下降，最小值為288 J。

（3）從金相組織可以看出，材料組織為奧氏體，組織無明顯變化。

表2 晶間腐蝕結(jié)果Table 2 The results of intercrystalline corrosion

（4）表面顏色變化，當(dāng)受火溫度低于427 ℃時，表面顏色無變化；當(dāng)受火溫度在482～649 ℃時，表面顏色為黃褐色、褐色；當(dāng)受火溫度高于732 ℃時，表面呈暗紅、亮紅色，水冷后為藍(lán)灰色、灰棕色。

（5）晶間腐蝕試驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕裂紋。