一、前言

石油化工行業(yè)用來(lái)處理含有硫化氫介質(zhì)的生產(chǎn)裝置(如循環(huán)氫脫硫塔、高壓分離器、分液罐等)一般采用碳鋼材質(zhì)如16Mn，Q345R(HIC))，其HIC抗氫致開(kāi)裂和SSCC抗硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂能力較好，但屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度相對(duì)較低，不能滿足設(shè)備大型化的發(fā)展需求。因此，需對(duì)強(qiáng)度級(jí)別更高的材料進(jìn)行抗HIC、SSCC性能研究，為設(shè)備的輕量化尋求潛在的替代材料。研究表明，引起HIC的主要原因是材料內(nèi)部缺陷，一般來(lái)說(shuō)，鋼材組織中非金屬夾雜物、雜質(zhì)越多，氫致開(kāi)裂的可能性就越大，而SSCC與拉應(yīng)力、殘余應(yīng)力有關(guān)，并隨著材料強(qiáng)度、硬度的提高，SSCC的敏感性也提高。因此，國(guó)內(nèi)外壓力容器制造標(biāo)準(zhǔn)及工程技術(shù)條件對(duì)于濕H2S酸性環(huán)境下的容器用鋼除要求限制焊縫區(qū)尤其是熱影響區(qū)的硬度、對(duì)容器進(jìn)行焊后熱處理外，還要求限制鋼中S、P含量和非金屬夾雜物含量。

目前，20MnMoNb材料性能穩(wěn)定，其S、P含量均能夠控制到較低水平，A類(lèi)、B類(lèi)、C類(lèi)、D類(lèi)及DS類(lèi)非金屬夾雜物均能控制在0.5級(jí)，具備適用于濕H2S酸性環(huán)境的可能性，且強(qiáng)度級(jí)別較高，對(duì)其進(jìn)行HIC、SSCC性能研究，具有重要的意義和實(shí)用價(jià)值。

二、試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用20MnMoNbIV由中國(guó)一重生產(chǎn)，其化學(xué)成分如表1所示。試驗(yàn)試板2件：母材及焊接接頭試板各1件，試板尺寸為：50mm x 200mm x 280mm。

焊接接頭采用埋弧焊焊接，焊材由日本神戶制鋼所生產(chǎn)，焊材牌號(hào)為：US-62ON2(焊絲)、PF-200(焊劑)。焊前預(yù)熱焊接位置及兩側(cè)各約100mm范圍內(nèi)150℃以上，焊接過(guò)程中控制層間溫度<250℃，焊后立即消氫：300℃x Ih，經(jīng)100%MT、UT、RT探傷合格后，模擬焊后熱處理。

為使焊接接頭的抗SSCC試驗(yàn)條件苛刻，需獲得強(qiáng)度高尤其硬度高的試樣。因此，模擬焊后熱處理的保溫溫度和保溫時(shí)間均按照NB/T47015-2011《壓力容器焊接規(guī)程》中規(guī)定的最短保溫時(shí)間執(zhí)行。然后對(duì)焊接接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和硬度檢測(cè)，結(jié)果如表2所示。

三、抗HIC性能試驗(yàn)

20MnMONbIV 抗HIC性能試驗(yàn)按照GB/T8650-2015《管線鋼和壓力容器鋼抗氫致開(kāi)裂評(píng)定方法》進(jìn)行。從母材試板厚度的T/2處取樣，試樣尺寸為20mm20mm x 100mm，每組3件。試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的A溶液，試驗(yàn)溶液溫度為25℃土3℃，溶液初始PH值為270，試驗(yàn)終止時(shí)溶液PH值為3.75。試驗(yàn)后試樣按照驗(yàn)收條件：CLR<5%、CTR<1.5%、CSR<0.5%對(duì)抗HIC性能試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)收均合格，表明其具有良好的抗HIC能力。

四、抗SSCC性能試驗(yàn)

焊接接頭的抗SSCC性能試驗(yàn)按照GB/T4157-2017《金屬在硫化氫環(huán)境中抗特殊形式環(huán)境開(kāi)裂實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)》進(jìn)行。從焊接接頭試板厚度的T/2處取樣，試樣的工作段長(zhǎng)度為25.4mm，直徑為6.35mm，橫向取樣，每組3件。試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的A溶液?？紤]到鐵素體鋼在室溫附近有最大的敏感性，本次試驗(yàn)將在室溫進(jìn)行，試驗(yàn)溶液溫度為24℃+3℃。初始溶液PH值為270，試驗(yàn)終止時(shí)溶液PH值為3.59。

SSCC試驗(yàn)加載應(yīng)力為400MPa(表2中焊接接頭屈服強(qiáng)度值556MPa的0.72倍)?？筍SCC性能試驗(yàn)以試樣斷裂或通過(guò)720h為結(jié)束，試驗(yàn)后清洗試樣工作段表面，檢查開(kāi)裂跡象。試樣在試驗(yàn)前后如圖2所示，表明20MnMONbIV焊接接頭具有良好的抗SSCC能力。

五、結(jié)論

性能試驗(yàn)表明該材料具有良好的抗HIC、SSCC能力。主要是由于：

①材料中S、P含量極低，A類(lèi)、B類(lèi)、C類(lèi)、D類(lèi)及DS類(lèi)非金屬夾雜物均控制在05級(jí)，晶粒度在6級(jí)以上，降低了對(duì)氫的吸收;

②焊接接頭經(jīng)無(wú)損檢測(cè)合格，無(wú)氣孔、未熔合等缺陷且焊后經(jīng)過(guò)熱處理，焊接殘余應(yīng)力峰值得到緩解，硬度得到降低，大大降低了應(yīng)力腐蝕裂紋形成的風(fēng)險(xiǎn)。