对于在空分工厂或 HYCO 工厂的工程师们来说，“冷脆”一定不会陌生。但是，作者工作中发现一些同事知道“冷脆”这个概念，反而常常犯一些低级错误，闹了笑话。

曾经我们有一套 SMR 装置，八九佰度的合成气从下集合管出来后会经过一个工艺气冷却器，将余热回收用来生产蒸汽。这个工艺气冷却器是露天放置的，入口封头外壁要求“禁止绝热”，其实设备内部已经做了特殊的绝热夹层，外壁温度大概还有 200 度左右。这时，我们一个同事给项目上提出了整改尾项，要求给这个封头修建一个遮雨棚，原因是外壁温度高，雨水淋到设备外壁，金属材料会发生“冷脆”。这？项目上还真不好解释。从基础的冷脆概念开始讲？同事却说：“反正肯定会对材料有不好的影响。”

冷脆的概念

冷脆，主要指在低温段，材料随温度变化，韧性到脆性随温度转变的概念。关于韧脆转变，专业点儿的说法是这样描述的：

韧性-脆性转变(DBT)，是体心立方(BCC)金属中普遍存在的特征。在临界温度以下，即韧脆转变温度(DBTT)， BCC 金属的塑性表现为从韧性变形到解理脆性断裂的突变。

所以啊，我们说的“冷脆”，是有一个临界温度的，高于这个临界温度，别说雨水了，拿冰块敷上去也是没有问题的。

金属材料的韧脆转变温度曲线

典型的韧脆转变温度曲线是这样的：

横坐标是温度，纵坐标是冲击吸收功。冲击吸收功是什么意思呢？实际上，这条曲线是通过实验来测定的，比如其中一种测定方法叫＂夏比 V 型缺口冲击试验＂，像下图这样：

冲击吸收功就是像上图这样冲击试验件，以造成脆性断裂所需要做的功。

回到韧脆转变温度曲线上我们也可以看出，在这个转变温度以上的一定温度范围内，材料能承受的冲击功受温度影响是较小的。

当然，高温下材料的蓝脆，重结晶脆性，蠕变等又是另一个概念了。

钢材韧脆转变指标怎么看

其实，我们在采购钢材的时候，有一项指标就是专门针对这个韧脆转变的。那就是钢材的质量等级指标，比如，针对牌号为 Q235、Q345 的钢材：

  • B 级钢材为具有常温 20℃ 冲击韧性合格保证，
  • C 级钢材为具有 0℃ 冲击韧性合格保证，
  • D 级钢材为具有-20℃ 冲击韧性合格保证

冷脆的影响因素有哪些

元素成分对冷脆的影响

比如相关标准中规定的不同质量等级钢材的化学成分以及力学性能，如下表。

表中可以看出，不同牌号的钢材是通过调整 C、S、P 的含量，实现了不同温度下的冲击韧性性能，以达到不同的质量等级。

  • 《碳素结构钢》（GB/T 700-2016）
  • 《低合金高强度结构钢》（GB/T 1591-2018）

通过改变钢材中的含碳量，韧脆转变温度曲线呈：转变温度范围扩张和强度明显下降的特点。

通过改变钢材中含磷量，韧脆转变温度曲线呈：整体平移的特点。

影响冷脆的其它因素

另外，加载速度，材料本身的晶粒度，热处理方式，材料厚度，局部缺陷等都会对韧脆转变温度产生影响。

冷脆是可逆的吗

是的，冷脆是可逆的，曾经我们有一套空分冷箱发现内部低温液体泄露，造成冷箱外壁局部冷脆破裂，我们紧急停车，拔砂查漏，消除漏点后把冷箱外壁补焊后就可以继续投用。

2019 年河南义马的冷箱砂爆事故，也有冷脆的影响。如果对冷脆有更清晰的认识，也许就不会让已经泄露的冷箱带病运行 24 天了。

冷脆视角看低温设备材料选用

看完以上介绍，我们再来看空分或者 HYCO 工厂的设备材料选用，就更清晰明了了。比如下面这些：

  • 304 不锈钢的韧脆转变温度就很低，液氮温度在-196℃ 以上的低温储罐材料首选 304 不锈钢，冷箱的穿墙板也主要采用的也是 304 材质；
  • 低温储罐的液氢温度在-196~-253℃ 的范围内首选 304L 不锈钢和 316L 不锈钢，因为两者镍含量比较高，能有效防止马氏体不锈钢的韧脆转变温度升高；
  • 液氦温度在-269℃ 以上的低温储罐和管道首选材料是 316L 不锈钢，因为其含有 2%~3% 的钼元素，可帮助提高奥氏体不锈钢的热强性和抵抗氯离子所产生的点腐蚀能力；
  • 321 不锈钢的铬、镍含量在所有的奥氏体不锈钢中属于较高的，韧脆转变温度会更低，钛和铌的加入可适用于-269℃ 以上。
  • 铝镁合金有良好的韧性和强度，冷脆转变温度大多大约在 20-42K 之间，也就是-230℃ 左右，这也是我们看到很多冷箱内设备管道，空浴式汽化器选用铝镁合金材质的原因。

在化工维修日常中，关于冷脆方面，其实最容易用错的是螺栓和垫片，螺栓用错还相对容易发现，特别是法兰垫片则更为隐蔽，低温介质若使用了碳钢的垫片，极易因冷脆原因出现泄露事故。

并非所有金属都有明显韧脆转变温度

比如铜、镍等，韧脆转变温度就没有那么明显。这也是我们常常看到一些低温场合使用全铜材质的原因。

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