鋼材16MnR金屬的氫致開裂（HIC）試驗 和 硫化物應力開裂（SSC）試驗 詳解
鋼材16MnR金屬的氫致開裂（HIC）試驗 和 硫化物應力開裂（SSC）試驗 詳解
2006年8月慶陽市特種設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，發現2003年投用的液態烴沉降罐(材質16MnR)罐體內壁表面有氫致鼓包多處，其最大直徑約200 mm。另外在換熱器、異構化裝置、液化石油氣儲罐及富氣水洗罐中也發現了鼓包、微裂紋及分層現象。其中一些設備存在的缺陷在原工藝條件下會繼續產生和擴展。由于這些缺陷類似且較多，因此對其進行分析研究，提出相應的措施對存在缺陷設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生穿壁裂縫造成的，它們與外加應力或殘余應力沒有明顯的相互作用。在鼓泡處，氫在內部聚積產生的應力加劇了氫致開裂。氫致開裂與鋼材的凈度密切相關，并且與鋼的制造方法、存在的雜質和它們的形狀有關。 實驗室執行標準GB/T8650-2015、NACE TM0284-2016 非均質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生的，一般都會發生氫致開裂。這些夾雜物構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。 由于氫致開裂對應力沒有依存關系，也不是伴隨硬化的顯微結構發生的，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。正如上文已經提及的，進入這些部位的氫原子結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生穿壁分離，并在金屬表面出現明顯的鼓泡。 氫鼓泡會出現在一塊板的兩面，或者鼓泡出現在另一鼓泡頂上，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生扯裂，使設備失去承壓能力。 硫化物應力開裂（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（HAZs）處于酸性環境中，受到拉伸應力作用，并且溫度低于82°C（180°F），就會發生硫化物應力開裂。鋼材的硫化物應力開裂易發性在很大程度上取決于其組成、顯微結構、強度、殘余應力、外加應力。 將施加應力的試樣浸泡在含H2S的酸性水溶液環境中，通過施加合適增量的載荷獲得材料抗SSCC性能數據。實驗室執行標準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/未開裂試驗結果。 試樣簡單，應力狀況明確，試驗結果易于判定，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、設備等生產廠家的生產進度。 拉伸試驗裝置圖 四點彎曲加載裝置圖 應力定向氫致開裂（SOHIC）與氫致開裂相似，所不同的是應力定向氫致開裂是受應力驅動的，并且開裂方向與基本應力方向是垂直的。在原先有其他裂縫或缺陷的焊接熱影響區，常見應力定向氫致開裂。由于裂縫形成和發展過程中存在應力的影響，所以，為減小應力定向氫致開裂，焊后熱處理多少是有點效用的?？刂浦圃熳兞亢秃哿吭匾彩怯行У?。 由英國出版的BS 8701-2016完整環試驗的優點是不需要對管線管完整環試樣加壓以達到所需的應力載荷，并保留殘余應力。同時，也可以使用機械方法通過橢圓化使管道變形來產生等效應力。其他優點則在于代表性試樣和單面暴露。 此項試驗使用經過反復驗證的實驗程序，在管鋼的完整環狀管段上的兩個區域分別施加已知的應力水平。然后將管道試樣內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。在暴露期間定期開展超聲波監測和氫氣滲透測量。因此，可以監測起裂和裂紋擴展的過程。最后，還開展了適應癥的金相學研究，以對超聲波檢測發現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力腐蝕敏感性。試驗標準YB/T 5362-2006 及ASTM G36-94 試驗介質氯化鎂溶液（加熱調整其沸點為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協商確定試驗時間及周期，試驗結束后檢查有無裂紋。 力學條件明確，能由破斷時間定量評定試驗結果。 （2）U型彎曲試驗 試驗溶液完全沸騰后，放入施加應力的試樣。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-在硝酸介質中的質量損失的腐蝕試驗 》 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準試驗方法》ASTM G28-02(2015) 《檢測奧氏體不銹鋼晶間腐蝕敏感度的標準方法》 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力腐蝕開裂性能》 ASTM G36-94(2018) 鐵-鉻-鎳合金高溫水中應力腐蝕試驗 《鐵-鉻-鎳合金在高溫水中應力腐蝕試驗方法》 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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