鋼材16MnR金屬的氫致開裂（HIC）試驗 和 硫化物應(yīng)力開裂（SSC）試驗 詳解
鋼材16MnR金屬的氫致開裂（HIC）試驗 和 硫化物應(yīng)力開裂（SSC）試驗 詳解
2006年8月慶陽市特種設(shè)備檢驗所在對中石油某石化分公司的壓力容器進行全面檢驗時，發(fā)現(xiàn)2003年投用的液態(tài)烴沉降罐(材質(zhì)16MnR)罐體內(nèi)壁表面有氫致鼓包多處，其最大直徑約200 mm。另外在換熱器、異構(gòu)化裝置、液化石油氣儲罐及富氣水洗罐中也發(fā)現(xiàn)了鼓包、微裂紋及分層現(xiàn)象。其中一些設(shè)備存在的缺陷在原工藝條件下會繼續(xù)產(chǎn)生和擴展。由于這些缺陷類似且較多，因此對其進行分析研究，提出相應(yīng)的措施對存在缺陷設(shè)備的安全運行有重要意義。
氫致開裂是平行的氫層連通在一起產(chǎn)生穿壁裂縫造成的，它們與外加應(yīng)力或殘余應(yīng)力沒有明顯的相互作用。在鼓泡處，氫在內(nèi)部聚積產(chǎn)生的應(yīng)力加劇了氫致開裂。氫致開裂與鋼材的凈度密切相關(guān)，并且與鋼的制造方法、存在的雜質(zhì)和它們的形狀有關(guān)。 實驗室執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T8650-2015、NACE TM0284-2016 非均質(zhì)的細長的硫化物或氧化物夾雜物如果是與鋼板軋制方向平行發(fā)生的，一般都會發(fā)生氫致開裂。這些夾雜物構(gòu)成形成顯微氫鼓泡的場所，這些顯微鼓泡會生長，并且最終通過臺階狀裂縫連在一起。事實上，有時候把氫致開裂叫做臺階狀開裂。 由于氫致開裂對應(yīng)力沒有依存關(guān)系，也不是伴隨硬化的顯微結(jié)構(gòu)發(fā)生的，所以，焊后熱處理一點作用也沒有。限制硫這樣的痕量元素以及控制鋼的制造變量，才能使鋼具有氫致開裂抗性。 氫鼓泡圖 放大100x下觀察裂紋圖片 氫鼓泡是原子氫擴散進入鋼材并在空隙、夾層或非金屬夾雜物處被截獲而造成的。正如上文已經(jīng)提及的，進入這些部位的氫原子結(jié)合在一起會形成分子氫，而分子氫是無法向外擴散而逸出的。聚集在一起的氫氣的膨脹壓力終使部件發(fā)生穿壁分離，并在金屬表面出現(xiàn)明顯的鼓泡。 氫鼓泡會出現(xiàn)在一塊板的兩面，或者鼓泡出現(xiàn)在另一鼓泡頂上，取決于夾層的位置。它們大小不一，從小的突起到幾英尺直徑的腫脹。不斷增大的鼓泡會使表面發(fā)生扯裂，使設(shè)備失去承壓能力。 硫化物應(yīng)力開裂（SSC）是一種氫脆開裂形式，假如高強度鋼、硬焊縫和焊接熱影響區(qū)（HAZs）處于酸性環(huán)境中，受到拉伸應(yīng)力作用，并且溫度低于82°C（180°F），就會發(fā)生硫化物應(yīng)力開裂。鋼材的硫化物應(yīng)力開裂易發(fā)性在很大程度上取決于其組成、顯微結(jié)構(gòu)、強度、殘余應(yīng)力、外加應(yīng)力。 將施加應(yīng)力的試樣浸泡在含H2S的酸性水溶液環(huán)境中，通過施加合適增量的載荷獲得材料抗SSCC性能數(shù)據(jù)。實驗室執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4157-2017 及NACE TM0177-2016 評價在單軸拉伸加載下的金屬抗SSCC性能。通常用斷裂時間確定SSCC敏感性。通過對拉伸試樣施加特定應(yīng)力級的載荷進行720h試驗，給出斷裂/未斷裂或開裂/未開裂試驗結(jié)果。 試樣簡單，應(yīng)力狀況明確，試驗結(jié)果易于判定，能由斷裂時間定量評定。但試驗周期長（一般需進行720h試驗），限制需進行此項試驗的鋼板、設(shè)備等生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)進度。 拉伸試驗裝置圖 四點彎曲加載裝置圖 應(yīng)力定向氫致開裂（SOHIC）與氫致開裂相似，所不同的是應(yīng)力定向氫致開裂是受應(yīng)力驅(qū)動的，并且開裂方向與基本應(yīng)力方向是垂直的。在原先有其他裂縫或缺陷的焊接熱影響區(qū)，常見應(yīng)力定向氫致開裂。由于裂縫形成和發(fā)展過程中存在應(yīng)力的影響，所以，為減小應(yīng)力定向氫致開裂，焊后熱處理多少是有點效用的。控制制造變量和痕量元素也是有效的。 由英國出版的BS 8701-2016完整環(huán)試驗的優(yōu)點是不需要對管線管完整環(huán)試樣加壓以達到所需的應(yīng)力載荷，并保留殘余應(yīng)力。同時，也可以使用機械方法通過橢圓化使管道變形來產(chǎn)生等效應(yīng)力。其他優(yōu)點則在于代表性試樣和單面暴露。 此項試驗使用經(jīng)過反復(fù)驗證的實驗程序，在管鋼的完整環(huán)狀管段上的兩個區(qū)域分別施加已知的應(yīng)力水平。然后將管道試樣內(nèi)部暴露于酸性測試用溶液中，盡管有些情況下可能需要外部的酸性介質(zhì)。在暴露期間定期開展超聲波監(jiān)測和氫氣滲透測量。因此，可以監(jiān)測起裂和裂紋擴展的過程。最后，還開展了適應(yīng)癥的金相學(xué)研究，以對超聲波檢測發(fā)現(xiàn)的任何缺陷進行分類。 試驗過程圖 實驗后的電鏡掃描圖 評定不銹鋼在沸騰氯化鎂溶液中的應(yīng)力腐蝕敏感性。試驗標(biāo)準(zhǔn)YB/T 5362-2006 及ASTM G36-94 試驗介質(zhì)氯化鎂溶液（加熱調(diào)整其沸點為143℃±1℃或155℃±1℃）。試驗方法 （1）恒負荷拉伸試驗 將試樣裝在試驗裝置上，試驗溶液加熱至沸騰后注入試驗容器并加熱，待到再開始沸騰時立即加載。從加載到試樣斷裂的時間作為破斷時間或根據(jù)協(xié)商確定試驗時間及周期，試驗結(jié)束后檢查有無裂紋。 力學(xué)條件明確，能由破斷時間定量評定試驗結(jié)果。 （2）U型彎曲試驗 試驗溶液完全沸騰后，放入施加應(yīng)力的試樣。隔一定時間取出試樣，用5~15倍放大鏡觀察試樣的破裂情況。 U型彎曲試樣尺寸簡單，便于加載，適用于局部和薄的材料。但力學(xué)條件不明確，定量研究困難。 試驗裝置圖 《金屬和合金的腐蝕 鎳合金晶間腐蝕試驗方法》 GB/T 15260-2016 《金屬和合金的腐蝕 不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》 GB/T 4334-2008 《不銹鋼耐晶間腐蝕的測定.第1 部分:奧氏體和鐵素奧氏體不銹鋼-在硝酸介質(zhì)中的質(zhì)量損失的腐蝕試驗 》 ISO 3651.1-1998 《不銹鋼耐晶間腐蝕性的測定.第2 部分:鐵素體,奧氏體和鐵素-奧氏體不銹鋼--在含硫酸的介質(zhì)中的腐蝕試驗》 ISO 3651.2-1998 《煅制高鎳鉻軸承合金晶間腐蝕敏感性的檢查用標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》ASTM G28-02(2015) 《檢測奧氏體不銹鋼晶間腐蝕敏感度的標(biāo)準(zhǔn)方法》 ASTM A262-15 晶間腐蝕E法腐蝕后彎曲圖 縫隙腐蝕 《不銹鋼三氯化鐵縫隙腐蝕試驗方法》 GB/T 10127-2002 《金屬及其合金在沸騰氯化鎂溶液中應(yīng)力腐蝕開裂性能》 ASTM G36-94(2018) 鐵-鉻-鎳合金高溫水中應(yīng)力腐蝕試驗 《鐵-鉻-鎳合金在高溫水中應(yīng)力腐蝕試驗方法》 YB/T 5344-2006 金屬均勻腐蝕全浸試驗 《金屬材料實驗室均勻腐蝕全浸試驗方法》 JB/T 7901-1999 腐蝕點蝕評定 《用氯化鐵溶液測定不銹鋼和相關(guān)合金點狀腐蝕和隙間腐蝕的試驗方法》 ASTM G48-11 (2015) 《金屬和合金的腐蝕 點蝕評定方法》 GB/T 18590-2001 《金屬和合金的腐蝕 不銹鋼三氯化鐵點腐蝕試驗方法》 GB/T 17897－2016 縫隙腐蝕圖 試驗過程圖
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