SA516Gr60N鋼焊接接頭的力學及HIC/SSCC性能研究

王玉

摘要： 在濕硫化氫環境下，用SA516 Gr60（N）鋼制造的壓力容器，其焊接接頭應具有可靠的力學和抗氫致開裂（HIC）及抗H2S應力腐蝕開裂（SSCC）的性能。本文對焊接接頭的強度、塑形及沖擊韌性、金相組織、腐蝕性能進行了研究。結果表明：在規定條件下，選擇合理的焊接工藝，焊接接頭的力學及抗腐蝕性能均符合標準要求，能夠滿足設備的使用要求。

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.

關鍵詞： SA516 Gr60（N）；焊接接頭；力學性能；HIC/SSCC

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

中圖分類號：TG142 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）10-0149-03

0 引言

應力腐蝕是壓力容器較為常見的破壞形式之一，嚴重威脅設備的整體安全性。據不完全統計，與濕硫化氫有關的腐蝕開裂約占壓力容器失效總數的25%-30%[1]。因此，掌握濕硫化氫環境下焊接接頭的性能，對于優化焊接工藝、保證設備安全運行具有重要意義。

某公司承制某出口項目分離器，設備主體材料SA516 Gr60（N），在硫化氫環境下運行，要求焊接接頭具有良好的力學性能和良好的抗氫致開裂（HIC）及抗H2S應力腐蝕開裂（SSCC）性能，因此，對SA516 Gr60（N）鋼焊接接頭的力學性能及HIC/SSCC性能進行了研究，為優化焊接工藝，保證設備使用安全提供技術支持。

1 試驗材料

試驗母材SA516 Gr60是ASME用鋼，UNS No.K02100，最低抗拉強度415MPa，類別號P-No.1，組別號1，公稱化學成分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2.4mm，焊條J507SHA，？準4mm，？準5mm，埋弧焊絲H09MnSHA，？準4mm，焊劑SJ204SHA。焊材均符合NB/T47018-2011《承壓設備焊接材料》規定標準?；瘜W成分及性能如表1所示。

2 試驗條件

2.1 焊接性試驗 根據設備主體材料、厚度、熱處理狀態等因素，確定焊接工藝評定項目，即PQR-A，評定材料SA516Gr60，δ20mm，X型坡口，焊接方法氬弧焊（GTAW）+焊條電弧焊（SMAW），焊后消應處理620℃/1.5h。

焊接工藝參數：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； 焊接時層間溫度<200℃；焊后100%RT檢測，II級合格。

2.2 HIC/SSCC試驗 ①HIC試驗條件及方法：試驗參照NACE TM 0284-2003《管線鋼和壓力容器鋼抗氫致開裂評定方法》進行評定。試驗采用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，用楔形有機玻璃棒將試樣隔開。采用恒溫水浴鍋使試驗溶液溫度保持在24±1℃。試驗時間96小時。試樣經線切割分割后研磨、拋光，在顯微鏡下觀察，放大倍數為100倍。測量試樣截面上產生的所有裂紋的長度及厚度，并計算裂紋長度率（CLR）、裂紋厚度率（CTR）、裂紋敏感率（CSR）。

②SSCC試驗條件及方法：試驗參照NACE TM0177-2005《抗硫化氫應力腐蝕》進行。試驗采用NACE標準中的方法A，標準A溶液，將試樣用1000#砂紙打磨去除橫向機械加工痕跡，并用丙酮清洗并吹干后，安裝到試驗機上，導入除氧的溶液，并繼續通入N2除氧30 min，然后通入H2S至飽和，并在整個試驗過程中保持微小正壓。

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

3 試驗結果及分析

3.1 力學性能檢測結果 ①焊接接頭抗拉強度。經試驗，PQR-A接頭抗拉強度分別為479MPa、500MPa、501MPa、497MPa。

由上可知，焊接接頭抗拉強度高于母材，試樣全部從母材處斷裂，焊接接頭達到了等強度匹配要求，能夠經受住使用條件下的載荷作用。試驗結果符合NB/T47014-2011《承壓設備焊接工藝評定》標準要求。

②焊接接頭彎曲試驗。焊接接頭經過180°的彎曲試驗后，焊縫在彎曲部分外側沒有裂紋，表明焊接接頭內部無超標，焊縫區、熔合區及HAZ區“比較塑性”搭配良好，焊接接頭的彎曲性能符合要求。

③-20℃環境的沖擊試驗。經試驗，接頭焊縫區沖擊功分別為200J、192J、216J；熱影響區（HAZ）沖擊功分別為220J、222J、221J；由上可知，焊縫區和HAZ沖擊功平均值均高于母材規定值，滿足NB/T47014-2011《承壓設備焊接工藝評定》技術要求，試驗結果合格。

3.2 HIC/SSCC試驗結果

①HIC試驗結果。試驗前溶液pH值為2.9，試驗結束后pH值為3.8。試樣浸泡96小時后取出，溶液中有少量黑色腐蝕產物，將試樣用水沖洗，所有試樣表面均未發現氫鼓泡。

試樣經切割、研磨、拋光后在金相顯微鏡下放大100倍觀察，測量裂紋長度及寬度，計算裂紋長度率、厚度率、敏感率，結果如表2所示。

由上可知，該批次試樣的裂紋敏感率為0.0021%，裂紋長度率為3.34%、裂紋厚度率為0.16%。依據歐洲腐蝕協會EFC-16所規定的CSR≤1.5%、CLR≤15%、CTR≤3%的技術要求，本試驗中試樣的氫致開裂性能符合要求。

②SSCC試驗結果。三個試樣經過720小時試驗后均未發生開裂，在10倍放大鏡下觀察也未發現裂紋。參照NACE TM0177-2005標準，所有試樣均未發生硫化物應力腐蝕斷裂，SSCC試驗結果合格，如表3所示。

4 HIC/SSCC性能分析

4.1 金相組織分析 對PQR-A試樣焊接接頭區域進行金相檢組織測，結果如圖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：隨著金相組織中相增加，接頭HIC性能下降，馬氏體組織對HIC性能影響最大[2-3]，在試驗條件下，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PQR-A試樣接頭區域進行硬度檢測，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 通過對焊接接頭進行顯微組織檢測，確定焊接接頭組織中是否產生帶狀組織，評判帶狀組織對HIC/SSCC性能產生影響程度。

由接頭金相組織分析，組織中未見明顯偏析，且分布比較均勻。研究表明，鋼的組織存在嚴重帶狀組織時，氫原子會在帶狀組織相界處聚集，抗氫致裂紋性能很低[2]。在規定試驗條件下，焊接接頭組織中無帶狀組織產生，氫原子未發生聚集，因此試樣未發生氫致開裂。

5 工藝技術要點探討

根據試驗結果，總結SA516 Gr60（N）鋼焊接工藝要點如下：①焊接材料必須經過烘干使用，焊前對工件徹底清除油污等雜質。②合理控制熱輸入。焊接熱輸入增大一定程度時，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的硬度，可減少殘余應力，能有效防止應力腐蝕裂紋[7-8]；

6 結論

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

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