一、前言

石油化工行業(yè)用來處理含有硫化氫介質(zhì)的生產(chǎn)裝置(如循環(huán)氫脫硫塔、高壓分離器、分液罐等)一般采用碳鋼材質(zhì)如16Mn，Q345R(HIC))，其HIC抗氫致開裂和SSCC抗硫化物應(yīng)力腐蝕開裂能力較好，但屈服強度、抗拉強度相對較低，不能滿足設(shè)備大型化的發(fā)展需求。因此，需對強度級別更高的材料進行抗HIC、SSCC性能研究，為設(shè)備的輕量化尋求潛在的替代材料。研究表明，引起HIC的主要原因是材料內(nèi)部缺陷，一般來說，鋼材組織中非金屬夾雜物、雜質(zhì)越多，氫致開裂的可能性就越大，而SSCC與拉應(yīng)力、殘余應(yīng)力有關(guān)，并隨著材料強度、硬度的提高，SSCC的敏感性也提高。因此，國內(nèi)外壓力容器制造標(biāo)準(zhǔn)及工程技術(shù)條件對于濕H2S酸性環(huán)境下的容器用鋼除要求限制焊縫區(qū)尤其是熱影響區(qū)的硬度、對容器進行焊后熱處理外，還要求限制鋼中S、P含量和非金屬夾雜物含量。

目前，20MnMoNb材料性能穩(wěn)定，其S、P含量均能夠控制到較低水平，A類、B類、C類、D類及DS類非金屬夾雜物均能控制在0.5級，具備適用于濕H2S酸性環(huán)境的可能性，且強度級別較高，對其進行HIC、SSCC性能研究，具有重要的意義和實用價值。

二、試驗材料

試驗用20MnMoNbIV由中國一重生產(chǎn)，其化學(xué)成分如表1所示。試驗試板2件：母材及焊接接頭試板各1件，試板尺寸為：50mm x 200mm x 280mm。

焊接接頭采用埋弧焊焊接，焊材由日本神戶制鋼所生產(chǎn)，焊材牌號為：US-62ON2(焊絲)、PF-200(焊劑)。焊前預(yù)熱焊接位置及兩側(cè)各約100mm范圍內(nèi)150℃以上，焊接過程中控制層間溫度<250℃，焊后立即消氫：300℃x Ih，經(jīng)100%MT、UT、RT探傷合格后，模擬焊后熱處理。

為使焊接接頭的抗SSCC試驗條件苛刻，需獲得強度高尤其硬度高的試樣。因此，模擬焊后熱處理的保溫溫度和保溫時間均按照NB/T47015-2011《壓力容器焊接規(guī)程》中規(guī)定的最短保溫時間執(zhí)行。然后對焊接接頭進行拉伸試驗和硬度檢測，結(jié)果如表2所示。

三、抗HIC性能試驗

20MnMONbIV 抗HIC性能試驗按照GB/T8650-2015《管線鋼和壓力容器鋼抗氫致開裂評定方法》進行。從母材試板厚度的T/2處取樣，試樣尺寸為20mm20mm x 100mm，每組3件。試驗采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的A溶液，試驗溶液溫度為25℃土3℃，溶液初始PH值為270，試驗終止時溶液PH值為3.75。試驗后試樣按照驗收條件：CLR<5%、CTR<1.5%、CSR<0.5%對抗HIC性能試驗進行驗收均合格，表明其具有良好的抗HIC能力。

四、抗SSCC性能試驗

焊接接頭的抗SSCC性能試驗按照GB/T4157-2017《金屬在硫化氫環(huán)境中抗特殊形式環(huán)境開裂實驗室試驗》進行。從焊接接頭試板厚度的T/2處取樣，試樣的工作段長度為25.4mm，直徑為6.35mm，橫向取樣，每組3件。試驗采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的A溶液?？紤]到鐵素體鋼在室溫附近有最大的敏感性，本次試驗將在室溫進行，試驗溶液溫度為24℃+3℃。初始溶液PH值為270，試驗終止時溶液PH值為3.59。

SSCC試驗加載應(yīng)力為400MPa(表2中焊接接頭屈服強度值556MPa的0.72倍)?？筍SCC性能試驗以試樣斷裂或通過720h為結(jié)束，試驗后清洗試樣工作段表面，檢查開裂跡象。試樣在試驗前后如圖2所示，表明20MnMONbIV焊接接頭具有良好的抗SSCC能力。

五、結(jié)論

性能試驗表明該材料具有良好的抗HIC、SSCC能力。主要是由于：

①材料中S、P含量極低，A類、B類、C類、D類及DS類非金屬夾雜物均控制在05級，晶粒度在6級以上，降低了對氫的吸收;

②焊接接頭經(jīng)無損檢測合格，無氣孔、未熔合等缺陷且焊后經(jīng)過熱處理，焊接殘余應(yīng)力峰值得到緩解，硬度得到降低，大大降低了應(yīng)力腐蝕裂紋形成的風(fēng)險。