步冷及充氫對2.25Cr1Mo鋼韌脆轉溫度的影響

汪逸安 謝國山 錢曉龍 中國特種設備檢測研究院

步冷及充氫對2.25Cr1Mo鋼韌脆轉溫度的影響

汪逸安 謝國山 錢曉龍 中國特種設備檢測研究院

通過步冷處理對2.25Cr1Mo鋼進行了回火脆化，通過電化學方法對回火脆化試樣進行了充氫。測定了三種狀態下，即原始狀態、回火脆化狀態及回火/充氫狀態材料的韌脆轉變溫度。結果表明，回火/充氫狀態的2.25Cr1Mo母材和焊縫韌脆轉變溫度最高，回火狀態次之，原始狀態最低。

2.25Cr1Mo 步冷處理 充氫 韌脆轉變 溫度

加氫反應器是加氫裝置中的核心設備，由于長期在高溫、高壓、臨氫等苛刻的環境下使用，設備材質面臨一系列的損傷問題，包括回火脆化、氫脆、氫致裂紋、堆焊層剝離等[1]。其中材料的回火脆化、氫脆及兩者的交互作用對加氫反應器的安全運行會造成很大的威脅。

CrMo鋼因具有良好的抗氫腐蝕能力和高溫強度性能而廣泛的應用于制造加氫反應器[2]。而高溫高壓加氫反應器的操作溫度工況恰在CrMo鋼的回火脆性溫度（375～575℃）范圍內，會導致材料的韌性變差，其中尤以2.25Cr1Mo鋼回火脆化敏感性較高[3]。脆化后材料中的微小裂紋很容易在開、停工過程中以及在壓力波動情況下發生擴展。并且加氫反應器在使用過程中會有氫進入，當反應器由于停工或緊急情況而急冷時，氫來不及擴散出器壁，可能會引起氫脆，從而大大增加反應器的安全隱患。基于此，本文研究了回火脆化對2.25Cr1Mo沖擊性能的影響，以及充氫對回火脆化的影響。

1 試驗材料及方法

實驗所用材料為2.25Cr1Mo焊接鋼板，原始狀態的母材和焊縫的化學成分見表1,力學性能見表2。

表1 2.25Cr1Mo原始狀態母材和焊縫的化學成分 %

表2 2.25Cr1Mo原始狀態母材和焊縫的力學性能

回火脆化通過步冷處理來實現，得到回火脆化態試樣，步冷處理工藝曲線如圖1所示。

圖1 步冷處理工藝曲線

對回火脆化態試樣再進行電化學充氫，得到回火/充氫態試樣。充氫溶液為0.5MH2SO4+3.1×10-3MNa2S溶液，充氫時間為72h，充氫電流為0.3A，電化學充氫后的沖擊試樣中氫濃度為6mg/L。

沖擊試驗按照GB/T229-1994《金屬夏比缺口沖擊試驗方法》進行。根據沖擊韌性隨溫度的變化曲線確定被評定材料的54J能量轉變溫度（VTr54)，根據沖擊韌性隨斷口形貌的變化曲線確定被評定材料的50%斷口形貌轉變溫度（FATT)。

2 實驗結果

圖2示出了原始狀態、回火狀態及回火/充氫狀態母材的沖擊功及斷口纖維率隨溫度的變化。圖3示出了原始狀態、回火狀態及回火/充氫狀態焊縫的沖擊功及斷口纖維率隨溫度的變化。從圖2、圖3可以看出，回火脆化態及回火/充氫態材料的沖擊功-溫度曲線及斷口纖維率-溫度曲線都向右移動，這表明材料發生了脆化。

圖2 母材在三種狀態下的沖擊功(a)及斷口纖維率隨溫度的變化(b)

圖3 焊縫在三種狀態下的沖擊功(a)及斷口纖維率隨溫度的變化(b)

通過對三種狀態下母材和焊縫的沖擊功及斷口纖維率的測量，得到了三種狀態下母材和焊縫的VTr54和FATT，數據見表3。

表3 母材和焊縫三種狀態下的韌脆轉變溫度及脆化量

從表3中可以看出，回火后母材和焊縫均出現了一定程度的脆化，回火脆化狀態及回火/充氫狀態母材的脆化度（△VTr54）分別為8℃和20℃，回火脆化狀態及回火/充氫狀態焊縫的脆化度（△VTr54）分別為11℃和21℃。這表明充氫對母材和焊縫的韌脆轉變溫度有影響。從表中還可以看出，三種狀態下焊縫的韌脆轉變溫度高于母材的韌脆轉變溫度，這表明焊縫是加氫反應器的薄弱環節。

大量研究表明，偏析會降低Fe原子在晶界處的結合力，材料中的微量元素(如P、Sn、Sb、As等)在晶界的偏析是造成回火脆化的主要原因。而氫原子的進入會引起材料晶格的變化如氫致晶格畸變、氫致空位

和氫化物相析出等，這些變化會降低材料的韌性[4]。因此使回火/充氫狀態的母材和焊縫韌脆轉變溫度進一步降低。

1 林建鴻,柳曾典,吳東棣.熱壁加氫反應器運行過程中的材質劣化問題.石油化工設備技術,1997,(5)：4－20

2 鄧康.加氫反應器材料選用,石油化工設備,2004,33(3)：67－69

3 郭為民,萬嶸.加氫反應器!高壓分離器用新材料的開發和應用.煉油設計2002,(10)：18－2

4 褚武揚,喬利杰,陳奇志,等.斷裂與環境斷裂.北京：科學出版社,2000

Temper embrittlement and hydrogen charging was performed on 2.25Cr1Mo steel by step cooling treatment and electrochemical. The brittle transition temperature of base material and welded material was measured. The results showed that the specimen processed both temper embrittlement and hydrogen charging treatment had higher brittle transition temperature, the specimen without any treatment had a lower one.

2.25Cr1Mo Step cooling treatment Hydrogen charging Brittle transition Temperature

2013－08－28）