SA516Gr60N鋼焊接接頭的力學(xué)及HIC/SSCC性能研究

王玉

摘要： 在濕硫化氫環(huán)境下，用SA516 Gr60（N）鋼制造的壓力容器，其焊接接頭應(yīng)具有可靠的力學(xué)和抗氫致開裂（HIC）及抗H2S應(yīng)力腐蝕開裂（SSCC）的性能。本文對(duì)焊接接頭的強(qiáng)度、塑形及沖擊韌性、金相組織、腐蝕性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：在規(guī)定條件下，選擇合理的焊接工藝，焊接接頭的力學(xué)及抗腐蝕性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，能夠滿足設(shè)備的使用要求。

Abstract： Under the condition of wet hydrogen sulfide， the welded joints of pressure vessels made of SA516 Gr60 （N） steel should have reliable mechanical and HIC/SSCC properties. In this paper， the strength of welded joints， plasticity and impact toughness， metallurgical structure， corrosion properties were studied. The results show that under the specified conditions， with the reasonable welding process， the mechanics and corrosion resistance of the welded joints are all in line with the standard requirements， can meet the requirements of the use of equipment.

關(guān)鍵詞： SA516 Gr60（N）；焊接接頭；力學(xué)性能；HIC/SSCC

Key words： SA516 Gr60（N）；welded joints；mechanical properties；HIC/SSCC

中圖分類號(hào)：TG142 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）10-0149-03

0 引言

應(yīng)力腐蝕是壓力容器較為常見(jiàn)的破壞形式之一，嚴(yán)重威脅設(shè)備的整體安全性。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，與濕硫化氫有關(guān)的腐蝕開裂約占?jí)毫θ萜魇Э倲?shù)的25%-30%[1]。因此，掌握濕硫化氫環(huán)境下焊接接頭的性能，對(duì)于優(yōu)化焊接工藝、保證設(shè)備安全運(yùn)行具有重要意義。

某公司承制某出口項(xiàng)目分離器，設(shè)備主體材料SA516 Gr60（N），在硫化氫環(huán)境下運(yùn)行，要求焊接接頭具有良好的力學(xué)性能和良好的抗氫致開裂（HIC）及抗H2S應(yīng)力腐蝕開裂（SSCC）性能，因此，對(duì)SA516 Gr60（N）鋼焊接接頭的力學(xué)性能及HIC/SSCC性能進(jìn)行了研究，為優(yōu)化焊接工藝，保證設(shè)備使用安全提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)?zāi)覆腟A516 Gr60是ASME用鋼，UNS No.K02100，最低抗拉強(qiáng)度415MPa，類別號(hào)P-No.1，組別號(hào)1，公稱化學(xué)成分C-Mn-Si；

焊材選用哈爾濱焊接研究所研制的抗氫鋼焊接材料，氬弧焊絲HS09MnSHG-3，？準(zhǔn)2.4mm，焊條J507SHA，？準(zhǔn)4mm，？準(zhǔn)5mm，埋弧焊絲H09MnSHA，？準(zhǔn)4mm，焊劑SJ204SHA。焊材均符合NB/T47018-2011《承壓設(shè)備焊接材料》規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)?；瘜W(xué)成分及性能如表1所示。

2 試驗(yàn)條件

2.1 焊接性試驗(yàn) 根據(jù)設(shè)備主體材料、厚度、熱處理狀態(tài)等因素，確定焊接工藝評(píng)定項(xiàng)目，即PQR-A，評(píng)定材料SA516Gr60，δ20mm，X型坡口，焊接方法氬弧焊（GTAW）+焊條電弧焊（SMAW），焊后消應(yīng)處理620℃/1.5h。

焊接工藝參數(shù)：氬弧焊（GTAW）：電流164-165A，電壓9-12V，焊速10-12cm/min，Ar流量10-12L/min；焊條電弧焊（SMAW）：電流190-210A，電壓22-26V，焊速20-25cm/min； 焊接時(shí)層間溫度<200℃；焊后100%RT檢測(cè)，II級(jí)合格。

2.2 HIC/SSCC試驗(yàn) ①HIC試驗(yàn)條件及方法：試驗(yàn)參照NACE TM 0284-2003《管線鋼和壓力容器鋼抗氫致開裂評(píng)定方法》進(jìn)行評(píng)定。試驗(yàn)采用A溶液，溶液體積與試樣表面積之比大于3 ml/cm2。將試樣用丙酮清洗并吹干后，試樣寬面垂直置入密封容器中，用楔形有機(jī)玻璃棒將試樣隔開。采用恒溫水浴鍋使試驗(yàn)溶液溫度保持在24±1℃。試驗(yàn)時(shí)間96小時(shí)。試樣經(jīng)線切割分割后研磨、拋光，在顯微鏡下觀察，放大倍數(shù)為100倍。測(cè)量試樣截面上產(chǎn)生的所有裂紋的長(zhǎng)度及厚度，并計(jì)算裂紋長(zhǎng)度率（CLR）、裂紋厚度率（CTR）、裂紋敏感率（CSR）。

②SSCC試驗(yàn)條件及方法：試驗(yàn)參照NACE TM0177-2005《抗硫化氫應(yīng)力腐蝕》進(jìn)行。試驗(yàn)采用NACE標(biāo)準(zhǔn)中的方法A，標(biāo)準(zhǔn)A溶液，將試樣用1000#砂紙打磨去除橫向機(jī)械加工痕跡，并用丙酮清洗并吹干后，安裝到試驗(yàn)機(jī)上，導(dǎo)入除氧的溶液，并繼續(xù)通入N2除氧30 min，然后通入H2S至飽和，并在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中保持微小正壓。

施加載荷為80%屈服強(qiáng)度（屈服強(qiáng)度為220 MPa）。試驗(yàn)溶液溫度保持在24±1℃。試驗(yàn)期間，每7天更換一次試驗(yàn)溶液。試樣斷裂后取出，或直至720小時(shí)不斷后，在顯微鏡下放大10倍檢察工作段是否有氫致裂紋。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果 ①焊接接頭抗拉強(qiáng)度。經(jīng)試驗(yàn)，PQR-A接頭抗拉強(qiáng)度分別為479MPa、500MPa、501MPa、497MPa。

由上可知，焊接接頭抗拉強(qiáng)度高于母材，試樣全部從母材處斷裂，焊接接頭達(dá)到了等強(qiáng)度匹配要求，能夠經(jīng)受住使用條件下的載荷作用。試驗(yàn)結(jié)果符合NB/T47014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》標(biāo)準(zhǔn)要求。

②焊接接頭彎曲試驗(yàn)。焊接接頭經(jīng)過(guò)180°的彎曲試驗(yàn)后，焊縫在彎曲部分外側(cè)沒(méi)有裂紋，表明焊接接頭內(nèi)部無(wú)超標(biāo)，焊縫區(qū)、熔合區(qū)及HAZ區(qū)“比較塑性”搭配良好，焊接接頭的彎曲性能符合要求。

③-20℃環(huán)境的沖擊試驗(yàn)。經(jīng)試驗(yàn)，接頭焊縫區(qū)沖擊功分別為200J、192J、216J；熱影響區(qū)（HAZ）沖擊功分別為220J、222J、221J；由上可知，焊縫區(qū)和HAZ沖擊功平均值均高于母材規(guī)定值，滿足NB/T47014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》技術(shù)要求，試驗(yàn)結(jié)果合格。

3.2 HIC/SSCC試驗(yàn)結(jié)果

①HIC試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)前溶液pH值為2.9，試驗(yàn)結(jié)束后pH值為3.8。試樣浸泡96小時(shí)后取出，溶液中有少量黑色腐蝕產(chǎn)物，將試樣用水沖洗，所有試樣表面均未發(fā)現(xiàn)氫鼓泡。

試樣經(jīng)切割、研磨、拋光后在金相顯微鏡下放大100倍觀察，測(cè)量裂紋長(zhǎng)度及寬度，計(jì)算裂紋長(zhǎng)度率、厚度率、敏感率，結(jié)果如表2所示。

由上可知，該批次試樣的裂紋敏感率為0.0021%，裂紋長(zhǎng)度率為3.34%、裂紋厚度率為0.16%。依據(jù)歐洲腐蝕協(xié)會(huì)EFC-16所規(guī)定的CSR≤1.5%、CLR≤15%、CTR≤3%的技術(shù)要求，本試驗(yàn)中試樣的氫致開裂性能符合要求。

②SSCC試驗(yàn)結(jié)果。三個(gè)試樣經(jīng)過(guò)720小時(shí)試驗(yàn)后均未發(fā)生開裂，在10倍放大鏡下觀察也未發(fā)現(xiàn)裂紋。參照NACE TM0177-2005標(biāo)準(zhǔn)，所有試樣均未發(fā)生硫化物應(yīng)力腐蝕斷裂，SSCC試驗(yàn)結(jié)果合格，如表3所示。

4 HIC/SSCC性能分析

4.1 金相組織分析 對(duì)PQR-A試樣焊接接頭區(qū)域進(jìn)行金相檢組織測(cè)，結(jié)果如圖1所示。

SA516 Gr60（N）鋼焊接接頭組織中，白色為珠光體，黑色組織為鐵素體，組織中無(wú)馬氏體組織。

研究表明，焊接接頭的HIC性能與金相組織密切相關(guān)：隨著金相組織中相增加，接頭HIC性能下降，馬氏體組織對(duì)HIC性能影響最大[2-3]，在試驗(yàn)條件下，SA516 Gr60（N）鋼焊接接頭組織為鐵素體和珠光體，CSR、CLR以及CTR都非常小，接頭抗HIC性能較好。

4.2 硬度分析 對(duì)PQR-A試樣接頭區(qū)域進(jìn)行硬度檢測(cè)，加載力為5kg/f，如圖2所示。

焊縫、HAZ及母材的硬度平均值分別為266HV、272HV和249HV。硬度滿足接頭抗HIC性能要求。

4.3 帶狀組織分析 通過(guò)對(duì)焊接接頭進(jìn)行顯微組織檢測(cè)，確定焊接接頭組織中是否產(chǎn)生帶狀組織，評(píng)判帶狀組織對(duì)HIC/SSCC性能產(chǎn)生影響程度。

由接頭金相組織分析，組織中未見(jiàn)明顯偏析，且分布比較均勻。研究表明，鋼的組織存在嚴(yán)重帶狀組織時(shí)，氫原子會(huì)在帶狀組織相界處聚集，抗氫致裂紋性能很低[2]。在規(guī)定試驗(yàn)條件下，焊接接頭組織中無(wú)帶狀組織產(chǎn)生，氫原子未發(fā)生聚集，因此試樣未發(fā)生氫致開裂。

5 工藝技術(shù)要點(diǎn)探討

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)SA516 Gr60（N）鋼焊接工藝要點(diǎn)如下：①焊接材料必須經(jīng)過(guò)烘干使用，焊前對(duì)工件徹底清除油污等雜質(zhì)。②合理控制熱輸入。焊接熱輸入增大一定程度時(shí)，焊縫的抗HIC能力變差[4-6]。③控制焊接接頭的硬度。降低焊縫及熱影響區(qū)的硬度，可減少殘余應(yīng)力，能有效防止應(yīng)力腐蝕裂紋[7-8]；

6 結(jié)論

①在規(guī)定試驗(yàn)條件下，即通過(guò)合理選材、控制焊接熱輸入、控制焊接接頭硬度等工藝措施，SA516 Gr60（N）鋼焊接接頭的力學(xué)性能、HIC/SSCC性能均能夠滿足性能需求；②試驗(yàn)結(jié)果的有效性，能夠支撐主體材料采用SA516 Gr60（N）鋼制造各類在濕硫化氫環(huán)境使用的壓力容器。

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