傅 偉 黃聲義 陳守清 劉慶生

(1. 重慶特種設(shè)備檢測(cè)研究院；2. 重慶華川油建裝備制造(集團(tuán))有限公司)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)各種能源和原料的需求不斷增加，高含硫油氣田的開發(fā)和高含硫原油的進(jìn)口越來越多。縱觀承壓設(shè)備的檢驗(yàn)案例，在濕硫化氫環(huán)境中因硫化氫應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致的特種設(shè)備失效事故時(shí)有發(fā)生。Q345R、Q245R作為壓力容器制造廣泛使用的材料，面臨焊接接頭抗高含硫化氫環(huán)境應(yīng)力腐蝕的問題，如何選材才能保證特種設(shè)備的安全運(yùn)行，是這類壓力容器制造企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。筆者通過試驗(yàn)研究了Q345R、Q245R焊接接頭的抗硫化氫應(yīng)力腐蝕特性，試圖解決實(shí)際高含硫化氫環(huán)境中壓力容器的選材問題。

1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

1.1試驗(yàn)所用標(biāo)準(zhǔn)

在高含硫化氫環(huán)境中，對(duì)Q345R、Q245R焊接接頭分別進(jìn)行抗硫化物應(yīng)力開裂(SSC)和氫致開裂(HIC)試驗(yàn)，SSC以ASTM G39- 99(2011)《彎梁應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)試件的制備和使用》和NACE TM0177- 2005《金屬在硫化氫環(huán)境中抗硫化物應(yīng)力開裂和應(yīng)力腐蝕開裂實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)》為理論基礎(chǔ)；HIC以NACE TM0284- 2011《管線鋼和壓力容器鋼抗氫致開裂評(píng)定方法》為理論基礎(chǔ)。

1.2母材材料

Q245R(厚度δ=42mm)，主要化學(xué)成分為：C(0.190%)、Si(0.210%)、Mn(0.650%)、P(0.005%)、S(0.001%)。主要力學(xué)性能為：抗拉強(qiáng)度ReL(286MPa)、屈服強(qiáng)度Rm(454MPa)、伸長(zhǎng)率A(32%)、沖擊功AkV(-20℃，90J)。

Q345R(厚度δ=12mm)，主要化學(xué)成分為：C(0.170%)、Si(0.130%)、Mn(1.450%)、P(0.012%)、S(0.008%)。主要力學(xué)性能：抗拉強(qiáng)度ReL(392MPa)、屈服強(qiáng)度Rm(552MPa)、伸長(zhǎng)率A(26.5%)、沖擊功AkV(0℃，63J)。

1.3焊接接頭

Q245R焊接使用埋弧焊，X型坡口，焊接材料為H08MnA和F4A2- H08A，焊后熱處理工藝為620℃×1.75h。焊接接頭均按JB/T 4730.2- 2005進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，按NB/T 47016- 2011進(jìn)行力學(xué)性能檢驗(yàn)。

Q345R焊接使用埋弧焊，I型坡口，焊接材料為F5A2- H10Mn2和F4A2- H08A，焊后熱處理工藝為620℃×0.5h。焊接接頭均按JB/T 4730.2- 2005進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，按NB/T 47016- 2011進(jìn)行力學(xué)性能檢驗(yàn)。

1.4試驗(yàn)條件

硫化物應(yīng)力開裂(SSC)試驗(yàn)條件為：試驗(yàn)壓力常壓、試驗(yàn)溫度24～25℃、試樣尺寸115mm×15mm×5mm(焊縫居中)、試驗(yàn)溶液5%NaCl+0.5%乙酸的蒸餾水溶液、飽和H2S氣體、試驗(yàn)周期720h。

氫致開裂(HIC)試驗(yàn)條件為：試驗(yàn)壓力常壓、試驗(yàn)溫度25±3℃、試樣尺寸100mm×20mm×30(11)mm(焊縫居中)、試驗(yàn)溶液5%NaCl+0.5%乙酸的蒸餾水溶液、H2S濃度2 542mg/L、充H2S前pH值2.74、充H2S至飽和時(shí)pH值3.06、結(jié)束前pH值3.86、試驗(yàn)周期96h。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1硫化物應(yīng)力開裂(SSC)試驗(yàn)結(jié)果

采用ASTM G39- 99(2011)的四點(diǎn)彎曲法加載，填蓋焊面受拉應(yīng)力，加載應(yīng)力為85%ReL；按NACE TM0177- 2005的試驗(yàn)方法進(jìn)行SSC試驗(yàn)，經(jīng)720h未發(fā)生應(yīng)力開裂。

2.2氫致開裂(HIC)試驗(yàn)結(jié)果

按照NACE TM0284- 2011進(jìn)行HIC試驗(yàn)，經(jīng)96h的試驗(yàn)結(jié)果見表1、典型氫鼓泡形狀如圖1所示、典型HIC裂紋形貌如圖2所示。

表1 Q245R、Q345R焊接接頭氫致開裂(HIC)試驗(yàn)結(jié)果

注：斷面編號(hào)1212、1222、1232、1112、1122、1132、212、222、232、312、322、332為焊縫部位。

圖1 典型氫鼓泡形狀

圖2 典型HIC裂紋形貌

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1試驗(yàn)方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

根據(jù)GB/T 20972.2- 2008《石油天然氣工業(yè) 油氣開采中用于含硫化氫環(huán)境材料 第2部分：抗開裂碳鋼、低合金鋼和鑄鐵》的規(guī)定，硫化物應(yīng)力開裂(SSC)試驗(yàn)的驗(yàn)收準(zhǔn)則為所有SSC區(qū)域無(wú)SSC開裂(注：SSC區(qū)域是依據(jù)原位pH值和H2S分壓，將碳鋼和低合金鋼SSC的環(huán)境嚴(yán)重程度劃分成0區(qū)、SSC1區(qū)、SSC2區(qū)、SSC3區(qū))；氫致開裂(HIC)試驗(yàn)的驗(yàn)收準(zhǔn)則為裂紋長(zhǎng)度率(CLR)小于15%、裂紋厚度率(CTR)小于5%、裂紋敏感率(CSR)小于2%。

硫化物應(yīng)力開裂(SSC)試驗(yàn)結(jié)果為Q245R焊接接頭和Q345R焊接接頭均滿足驗(yàn)收準(zhǔn)則要求；氫致開裂(HIC)試驗(yàn)結(jié)果為Q245R焊接接頭滿足驗(yàn)收準(zhǔn)則要求，Q345R焊接接頭不滿足驗(yàn)收準(zhǔn)則。Q245R焊接接頭和Q345R焊接接頭，在硫化物應(yīng)力開裂(SSC)試驗(yàn)過程中均未發(fā)生應(yīng)力開裂，但在氫致開裂(HIC)試驗(yàn)過程中，不同程度地出現(xiàn)了氫鼓泡和裂紋。試驗(yàn)說明焊接接頭通過了SSC試驗(yàn)，不一定能通過HIC試驗(yàn)，這驗(yàn)證了GB 713- 2008《鍋爐和壓力容器用鋼板》特地強(qiáng)調(diào)需方在合同中注明“抗HIC用途碳素鋼和低合金鋼的其他要求”的重要性。

3.2焊接對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

焊縫出現(xiàn)的氫致開裂多于母材，是由焊縫的顯微組織和化學(xué)成分所決定的。焊縫結(jié)晶是在快速冷卻條件下進(jìn)行的，是一個(gè)非平衡的結(jié)晶過程，凝固先后金屬液體的化學(xué)成分不同，使結(jié)晶組織產(chǎn)生不均勻性，造成微觀和宏觀偏析。焊接熔池在高溫發(fā)生的鑄造冶金過程，不可避免地會(huì)產(chǎn)生各種夾雜，在焊接熔池快速冷卻過程中來不及浮出而殘留于焊縫中。這些在結(jié)晶過程中產(chǎn)生的偏析及夾雜等缺陷，為氫的滲入、擴(kuò)散、集聚提供了有利條件，降低了焊縫金屬抗HIC性能。焊縫在凝固過程中形成的粗大柱狀組織和粗大魏氏組織，不但降低焊縫的強(qiáng)度，而且更多地降低焊縫的韌性。研究表明，粗大的晶界先共析鐵素體和平行排列的針狀鐵素體對(duì)金屬裂紋傳播距離長(zhǎng)，對(duì)裂紋傳播的抗力小[1]。這也是降低焊縫金屬抗HIC性能的又一重要影響因素。

3.3金屬材料對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

為了研究Mn含量和P、S雜質(zhì)對(duì)硫化氫應(yīng)力腐蝕的影響，在滿足材料標(biāo)準(zhǔn)對(duì)化學(xué)成分要求的基礎(chǔ)上，試驗(yàn)時(shí)選用的Q345R材料比Q245R材料具有更高的Mn、P、S含量。隨著Mn、S含量的增加，非金屬夾雜MnS的數(shù)量增多，經(jīng)軋制后MnS夾雜成片(層)狀分布在鋼板之中。由于非金屬夾雜是聚集氫的一種空腔，故非金屬夾雜的形狀對(duì)氫致裂紋的生成和擴(kuò)展有相當(dāng)大的影響。過剩氫如果聚集在片(層)狀?yuàn)A雜物中，其內(nèi)壓會(huì)增大，片的尖端將產(chǎn)生極大內(nèi)應(yīng)力和局部塑性變形，所以容易產(chǎn)生氫致裂紋[2]。Mn含量的增加，珠光體數(shù)量也隨之增大，軋制后的帶狀珠光體組織增多；較高的P、S含量，不僅增加材料的冷脆和熱脆，降低金屬的塑性和韌性，而且使金屬材料在結(jié)晶過程中產(chǎn)生更加嚴(yán)重的偏析。

資料表明，腐蝕生成的氫原子進(jìn)入這類鋼后，便易富集在MnS/α- Fe的界面上，并沿著C、Mn和P元素偏析的異常組織擴(kuò)展，也可沿帶狀珠光體和鐵素體間的相界擴(kuò)展[3]。因此，Q345R材料表現(xiàn)出更強(qiáng)的HIC傾向。金屬材料的強(qiáng)度級(jí)別對(duì)應(yīng)力腐蝕也有較大影響，隨著金屬材料強(qiáng)度級(jí)別的提高，發(fā)生應(yīng)力腐蝕的危險(xiǎn)性也增加了，所以對(duì)于一些有應(yīng)力腐蝕危險(xiǎn)的結(jié)構(gòu)，要限制基本金屬的強(qiáng)度水平[2]。圖3表示硫化氫濃度與斷裂臨界應(yīng)力的關(guān)系，對(duì)于同樣的硫化氫濃度來說，金屬材料的強(qiáng)度級(jí)別越高，發(fā)生斷裂的臨界應(yīng)力越低[4]。所以，就抗應(yīng)力腐蝕能力而言，強(qiáng)度級(jí)別較高的Q345R材料不如強(qiáng)度級(jí)別較低的Q245R材料。

圖3 硫化氫濃度與斷裂臨界應(yīng)力的關(guān)系

3.4焊接熱輸入對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

Q345R材料的焊接接頭分別采用中等線能量(34.5kJ/cm)和較高線能量(42.0kJ/cm)進(jìn)行焊接，兩者線能量相差約22%。不同的線能量會(huì)有不同的試驗(yàn)結(jié)果，為了便于問題的分析和討論，采用裂紋長(zhǎng)度率CLR、裂紋厚度率CTR和裂紋敏感率CSR的平均值進(jìn)行比較，中等線能量的CLR、CTR、CSR的平均值分別為 11.54%、7.25%、0.89%，較高線能量的CLR、CTR、CSR的平均值分別為17.44%、7.88%、1.51%。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)說明較大的焊接熱輸入對(duì)焊接接頭抗氫致開裂有著不利的影響。熱影響區(qū)中被加熱到1 100℃以上的粗晶區(qū)，是焊接接頭的薄弱區(qū)域，焊接線能量過大，熱影響區(qū)在高溫經(jīng)歷的熱循環(huán)時(shí)間更長(zhǎng)，使得粗晶區(qū)的晶粒更大，硬度更高，魏氏組織也更為嚴(yán)重，這些因素造成金屬的塑性和韌性降低，從而導(dǎo)致焊接接頭抗氫致開裂能力減弱。熱影響區(qū)硬度越高，產(chǎn)生裂紋的硫化氫濃度越低，已在相關(guān)試驗(yàn)中得到了證實(shí)，如圖4所示[5]。

圖4 HT60鋼焊接熱影響區(qū)產(chǎn)生裂紋的硬度與硫化氫濃度的關(guān)系

4 結(jié)論

4.1驗(yàn)證焊接接頭的抗應(yīng)力腐蝕能力，需要分別進(jìn)行硫化物應(yīng)力腐蝕開裂(SSC)試驗(yàn)和氫致開裂(HIC)試驗(yàn)，且滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的各自驗(yàn)收準(zhǔn)則。

4.2Q245R焊接接頭比Q345R焊接接頭具有更好的抗硫化氫應(yīng)力腐蝕性能，可作為高硫化氫應(yīng)力腐蝕環(huán)境用壓力容器選材優(yōu)先考慮的對(duì)象。若因強(qiáng)度等因素必須采用Q345R等級(jí)的材料，則可選用對(duì)C、Mn、P、S含量均有嚴(yán)格控制的抗氫致開裂的Q345R(HIC)材料。

4.3焊接熱輸入會(huì)影響焊接接頭的抗硫化氫應(yīng)力腐蝕性能，過大的焊接線能量會(huì)降低焊接接頭的抗硫化氫腐蝕性能。在焊接工藝允許的情況下，應(yīng)盡可能采用低線能量進(jìn)行焊接。

[1] 呂德林，李硯珠.焊接金相分析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

[2] 孟廣喆，賈安東.焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和斷裂[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986.

[3] 張旺峰.石油專用管材的氫致開裂研究[J].西安公路交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，18(3)：93～94.

[4] 孫志雄.焊接斷裂力學(xué)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1990.

[5] 鈴木春義，田村博.焊接金屬學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.