nkhiten610u2鋼板及鋼板及其焊接頭抗h2s應(yīng)力腐蝕開裂性能

1、州馕秒 第4 2 卷- 第7 期·2 0 0 9 年7 月 √J ■rN K - m 刪1 0 U 2 鋼板及其焊接頭抗也S 應(yīng)力腐蝕開裂性能郭志軍，周建軍，鐘彥平。張玉福，吳學(xué)綱( 蘭州石油機(jī)械研究所，甘肅蘭州7 3 0 0 5 0 )[ 摘要] N K —H I T E N 6 1 0 U 2 鋼板已在我國用于液態(tài)烴球罐，由于液體烴中常含有水分和硫化氫，該材料在濕硫化氫環(huán)境中的耐蝕特性尚不明確。對(duì)采用回火焊道的焊接接頭，經(jīng)

2、恒負(fù)荷拉伸、恒應(yīng)變、焊接約束試板、氫誘導(dǎo)開裂、斷裂韌性等試驗(yàn)和斷口分析，對(duì)該鋼板及其焊接接頭在濕硫化氫環(huán)境中的抗H 2 s 應(yīng)力腐蝕開裂( S S C ) 性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究。發(fā)現(xiàn)其因母材中存在夾雜物偏析而對(duì)氫誘導(dǎo)裂紋( H I C ) 敏感，未經(jīng)熱處理的焊接接頭，臨界開裂應(yīng)力指數(shù)S 。值小于1 0 ，材料在H ：S 介質(zhì)中的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子墨s 。。值3 8M P a ·I n - 1 ／2 ，對(duì)S S C 有一定的敏感性，

3、認(rèn)為用該材料在濕硫化氫環(huán)境中存在發(fā)生S S C 的危險(xiǎn)。據(jù)此，提出了球罐的檢驗(yàn)和監(jiān)控措施?！娟P(guān)鍵詞] 球罐；N K —H I T E N 6 1 0 U 2 鋼；S S C ；焊接接頭[ 中圖分類號(hào)] T G l 7 2 ．9 [ 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [ 文章編號(hào)】1 0 0 1 —1 5 6 0 ( 2 0 0 9 ) 0 7 —0 0 0 7 —0 40 前言N K —H I T E N 6 1 0 U 2 鋼板已用于我國大型商品液化

4、石油氣( L P G ) 和其他液態(tài)烴等球罐¨“】。由于石油液態(tài)烴中含有一定量的H ：0 和H ：s ，致使用該材料制造的壓力容器發(fā)生過多起濕硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂事故。因此，為了保障設(shè)備的安全運(yùn)行，需要對(duì)該鋼板及其焊接接頭的抗H ：S 應(yīng)力腐蝕開裂( S S C ) 性能進(jìn)行全面的研究。1 試驗(yàn)1 ．1 材料基材為N K ．H I T E N 6 1 0 U 2 鋼板，厚3 2m m ，供貨態(tài)為調(diào)質(zhì)態(tài)，采用L B 6 2 ．U

5、L 焊條焊接。試板坡口為不對(duì)稱x 型，焊縫金屬的化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1 和表2 ¨J ，金相組織見表3 。焊接工藝同球罐的組焊工藝。以4 , 3 ．2m m 焊條打底，4 , 4m m 焊接，最后一道焊縫為回火焊道，并用磨光機(jī)打磨去除回火焊道，焊后不熱處理，經(jīng)M T ( 磁粉檢測(cè)) 、u T ( 超聲波檢測(cè)) 和R T ( 射線檢測(cè)) 檢驗(yàn)均為1 級(jí)。表1 N K - H I T E N 6 1 0 U 2 鋼板及焊縫化學(xué)成

6、分 ％注：其中P 。。為焊接裂紋敏感性指數(shù)，C E 為碳當(dāng)量。表2 N K - H I T E N 6 1 0 U 2 鋼板力學(xué)性能 表3 N K - H I T E N 6 1 0 U 2 板材及焊接接頭金相組織材料黼譽(yù)鬻R ．／帳A ／％率- 釓2 0 ?“ 1 2 查j —f l t td 。=[ 收稿E t 期] 2 0 0 8 —1 1 —0 2[ 通信作者] 郭志軍( 1 9 6 4 一) ，教授級(jí)高工，長期從事金屬腐蝕與防

7、護(hù)和失效分析工作，E - m a i l ：g u o —z h i —j u n @ s o h u ．t o m萬方數(shù)據(jù)柳謀秒 第4 2 卷．第7 期．2 ( ) 0 9 年7 月 9于介質(zhì)中，定期取出測(cè)量裂紋擴(kuò)展數(shù)據(jù)，直到最后2 次裂紋擴(kuò)展量為0 后，停止浸泡。在卸載時(shí)，測(cè)刀口卸載位移K ，進(jìn)行卸載后的標(biāo)定，確定試驗(yàn)?zāi)┹d荷P 。，再將試樣拉開，測(cè)量、計(jì)算裂紋擴(kuò)展長度，材料在H ：S 介質(zhì)中的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子K 。。。?？杀硎緸椋篎

8、 3 ( a ／w ) = 3 0 ．9 6 ( a ／w ) ∽一1 9 5 ．8 ( a ／w ) 耽+7 3 0 ．6 ( a ／w ) 5 7 2 —1 1 8 6 ．3 ( a ／w ) Ⅳ2 + 7 5 4 ．6 ( 口／w ) 眈K I s c c = P F 3 ( a ／w ) ／B W ¨2式中P ——載荷，k Na ——試樣裂紋長度，m m形——試樣寬度，m m曰——試樣厚度，m m試驗(yàn)結(jié)果顯示，B M

9、( 母材) K 。s c c 為4 0 ．4 M P a ·m 。1 膽，H A Z ( 熱影響區(qū)) 為3 8 ．6 M P a ·m - 1 ／2 ，W M ( 焊縫) 為3 8 ．0M P a ·m - 1 ／2 。說明有裂紋存在時(shí)樣品的抗S S C 及擴(kuò)展能力為B M > H A Z > W M 。按國內(nèi)外研究結(jié)果，一般認(rèn)為K l s c c ／R 。l > 1 ．5m m Ⅳ2 屬

10、在H 2 S 介質(zhì)中可用的材料，> 3 ．5m m Ⅳ2 的為優(yōu)良材料，本材料母材和焊接接頭屬抗S S C 性能中等材料。1 ．3 ．6 承載鑒證試件現(xiàn)場(chǎng)掛片試驗(yàn)?zāi)M球罐實(shí)際工況下球殼板的受力狀態(tài)制作了承載鑒證試件H 4 | 。為滿足要求，制作了3 種試件：( 1 ) 無焊縫型，考核拉伸應(yīng)力對(duì)銅板的作用；( 2 ) I 型焊縫，開I型槽，然后焊滿；( 3 ) 混合型焊縫：開I 型和～型槽，然后焊滿，用楔形塊對(duì)試件進(jìn)行加載。通常在設(shè)

11、計(jì)壓力下球殼的一次薄膜應(yīng)力小于1 8 0M P a ，由棱角度e 和錯(cuò)邊量d 引起的附加彎曲應(yīng)力小于1 3 0M P a ，球罐經(jīng)焊后整體后焊接殘余應(yīng)力小于材料的5 0 ％R 捫從鑒證試件的實(shí)測(cè)應(yīng)力值( 表5 ) 看出，試件的應(yīng)力達(dá)到了球罐的殘余應(yīng)力水平和在操作工況下的球殼一次薄膜應(yīng)力值，說明鑒證試件能夠提供球罐的S S C 信息?，F(xiàn)場(chǎng)掛片試樣以3 種承載鑒證試樣和W O L試樣3 件、約束焊接試板3 件為一組，共2 組，分別放置于2

12、臺(tái)L P G 球罐下極圈內(nèi)。表5 承載鑒證試件的應(yīng)力特性 M P a掛片經(jīng)1 a 和68 t 后取出進(jìn)行表面1 0 0 ％M T 檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)表面裂紋，W O L 試樣裂紋未擴(kuò)展。對(duì)球罐內(nèi)壁進(jìn)行硬度檢測(cè)，各條焊縫3 區(qū)硬度均小于2 2 0H B ，1 0 0 ％濕熒光磁粉檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)表面裂紋。目前用該材料制造的80 0 0r n 3 和20 0 0m 3 L P G 球罐已安全運(yùn)行1 0a ，經(jīng)調(diào)查，介質(zhì)中H ：S 含量始終小于5 0 &

13、#215;1 0 山( 體積分?jǐn)?shù)) 。1 ．4 裂紋及斷口觀察( 1 ) | s 。和恒負(fù)荷試樣斷裂于熔合區(qū)或熱影響區(qū)，斷口形貌有如下共同特征：①宏觀斷口為脆性特征，微觀特征主要是準(zhǔn)解理花樣；②裂紋源于試樣表面；③有二次裂紋與沿晶傾向；④有蝕坑；⑤后斷區(qū)面積大，且具有明顯的韌性撕裂和韌窩特征。這些特征說明，試樣斷裂性質(zhì)為S S C 。( 2 ) H I C 試樣試驗(yàn)后，斷面裂紋的形態(tài)和分布為：①裂紋均發(fā)生在試樣的板厚中部，沿軋制方向擴(kuò)展

14、，試樣經(jīng)4 ％硝酸酒精浸蝕后，宏觀可見到一條腐蝕色較深的“黑帶”( 見圖2 ) 。②裂紋呈階梯狀分布；③裂紋呈沿晶和穿晶特征擴(kuò)展；④裂紋附近有較多的夾雜物和細(xì)小鏈狀碳化物。圖2 鋼板中部的“黑帶”1 0 0 ×( 3 ) W O L 試樣解剖結(jié)果顯示，試樣中部有開裂現(xiàn)象，宏觀檢查發(fā)現(xiàn)這與“黑帶”有關(guān)。2 討論鋼板供貨態(tài)為調(diào)質(zhì)態(tài)，母材抗?jié)窳蚧瘹涓g試驗(yàn)結(jié)果尺。。和| s 。值較高，墨虻。值表明該材料屬抗S S C 中等的材料。作

15、為在濕H ：S 環(huán)境中運(yùn)行的壓力容器，裂紋往往是由焊縫局部高硬區(qū)( 相應(yīng)的顯微組織) 或局部高殘余應(yīng)力區(qū)引發(fā)、擴(kuò)展的。所以，應(yīng)特別重視焊接接頭，實(shí)測(cè)球罐的焊接接頭各區(qū)硬度雖沒有超出2 2 0H B ，但仍超過了A P IR P 9 4 2 [ 1 卸及N A C ER P 0 4 7 2 [ 1 引準(zhǔn)則規(guī)定的設(shè)備焊縫硬度應(yīng)小于2 0 0H B 的標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，焊接接頭各區(qū)域?qū) S C 的敏感程度排列順序?yàn)椋篎 L >W M