Q245R、Q345R焊接接頭抗硫化氫應力腐蝕試驗研究*

傅 偉 黃聲義 陳守清 劉慶生

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

隨著社會經濟的快速發展，對各種能源和原料的需求不斷增加，高含硫油氣田的開發和高含硫原油的進口越來越多。縱觀承壓設備的檢驗案例，在濕硫化氫環境中因硫化氫應力腐蝕導致的特種設備失效事故時有發生。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境應力腐蝕的問題，如何選材才能保證特種設備的安全運行，是這類壓力容器制造企業關注的焦點。筆者通過試驗研究了Q345R、Q245R焊接接頭的抗硫化氫應力腐蝕特性，試圖解決實際高含硫化氫環境中壓力容器的選材問題。

1 試驗簡介

1.1試驗所用標準

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

1.2母材材料

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

Q345R(厚度δ=12mm)，主要化學成分為：C(0.170%)、Si(0.130%)、Mn(1.450%)、P(0.012%)、S(0.008%)。主要力學性能：抗拉強度ReL(392MPa)、屈服強度Rm(552MPa)、伸長率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進行無損檢測，按NB/T 47016- 2011進行力學性能檢驗。

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進行無損檢測，按NB/T 47016- 2011進行力學性能檢驗。

1.4試驗條件

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

氫致開裂(HIC)試驗條件為：試驗壓力常壓、試驗溫度25±3℃、試樣尺寸100mm×20mm×30(11)mm(焊縫居中)、試驗溶液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pH值3.06、結束前pH值3.86、試驗周期96h。

2 試驗結果

2.1硫化物應力開裂(SSC)試驗結果

采用ASTM G39- 99(2011)的四點彎曲法加載，填蓋焊面受拉應力，加載應力為85%ReL；按NACE TM0177- 2005的試驗方法進行SSC試驗，經720h未發生應力開裂。

2.2氫致開裂(HIC)試驗結果

按照NACE TM0284- 2011進行HIC試驗，經96h的試驗結果見表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)試驗結果

注：斷面編號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 試驗結果分析

3.1試驗方法對試驗結果的影響

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

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

3.2焊接對試驗結果的影響

焊縫出現的氫致開裂多于母材，是由焊縫的顯微組織和化學成分所決定的。焊縫結晶是在快速冷卻條件下進行的，是一個非平衡的結晶過程，凝固先后金屬液體的化學成分不同，使結晶組織產生不均勻性，造成微觀和宏觀偏析。焊接熔池在高溫發生的鑄造冶金過程，不可避免地會產生各種夾雜，在焊接熔池快速冷卻過程中來不及浮出而殘留于焊縫中。這些在結晶過程中產生的偏析及夾雜等缺陷，為氫的滲入、擴散、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金屬裂紋傳播距離長，對裂紋傳播的抗力小[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金屬材料對試驗結果的影響

為了研究Mn含量和P、S雜質對硫化氫應力腐蝕的影響，在滿足材料標準對化學成分要求的基礎上，試驗時選用的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的數量增多，經軋制后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氫致裂紋的生成和擴展有相當大的影響。過剩氫如果聚集在片(層)狀夾雜物中，其內壓會增大，片的尖端將產生極大內應力和局部塑性變形，所以容易產生氫致裂紋[2]。Mn含量的增加，珠光體數量也隨之增大，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晶過程中產生更加嚴重的偏析。

資料表明，腐蝕生成的氫原子進入這類鋼后，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展，也可沿帶狀珠光體和鐵素體間的相界擴展[3]。因此，Q345R材料表現出更強的HIC傾向。金屬材料的強度級別對應力腐蝕也有較大影響，隨著金屬材料強度級別的提高，發生應力腐蝕的危險性也增加了，所以對于一些有應力腐蝕危險的結構，要限制基本金屬的強度水平[2]。圖3表示硫化氫濃度與斷裂臨界應力的關系，對于同樣的硫化氫濃度來說，金屬材料的強度級別越高，發生斷裂的臨界應力越低[4]。所以，就抗應力腐蝕能力而言，強度級別較高的Q345R材料不如強度級別較低的Q245R材料。

圖3 硫化氫濃度與斷裂臨界應力的關系

3.4焊接熱輸入對試驗結果的影響

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)進行焊接，兩者線能量相差約22%。不同的線能量會有不同的試驗結果，為了便于問題的分析和討論，采用裂紋長度率CLR、裂紋厚度率CTR和裂紋敏感率CSR的平均值進行比較，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%。

試驗數據說明較大的焊接熱輸入對焊接接頭抗氫致開裂有著不利的影響。熱影響區中被加熱到1 100℃以上的粗晶區，是焊接接頭的薄弱區域，焊接線能量過大，熱影響區在高溫經歷的熱循環時間更長，使得粗晶區的晶粒更大，硬度更高，魏氏組織也更為嚴重，這些因素造成金屬的塑性和韌性降低，從而導致焊接接頭抗氫致開裂能力減弱。熱影響區硬度越高，產生裂紋的硫化氫濃度越低，已在相關試驗中得到了證實，如圖4所示[5]。

圖4 HT60鋼焊接熱影響區產生裂紋的硬度與硫化氫濃度的關系

4 結論

4.1驗證焊接接頭的抗應力腐蝕能力，需要分別進行硫化物應力腐蝕開裂(SSC)試驗和氫致開裂(HIC)試驗，且滿足相應標準規定的各自驗收準則。

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

4.3焊接熱輸入會影響焊接接頭的抗硫化氫應力腐蝕性能，過大的焊接線能量會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，應盡可能采用低線能量進行焊接。

[1] 呂德林，李硯珠.焊接金相分析[M].北京：機械工業出版社，1987.

[2] 孟廣喆，賈安東.焊接結構強度和斷裂[M].北京：機械工業出版社，1986.

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

[4] 孫志雄.焊接斷裂力學[M].西安：西北工業大學出版社，1990.

[5] 鈴木春義，田村博.焊接金屬學[M].北京：機械工業出版社，1982.