D0I:10.13374/1.issnl00103.2007.03.008 第29卷第3期 北京科技大学学报 Vol.29 No.3 2007年3月 Journal of University of Science and Technology Beijing Mar.2007 16Mn(ⅢC)钢硫化物应力腐蚀开裂实验研究 李明)李晓刚陈钢)刘智勇) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)中国特种设备检测研究中心，北京100013 摘要采用恒应变和慢应变速率拉伸实验的方法，研究了16Mn(HlC)和16Mn钢母材、焊缝在HS环境中应力腐蚀开裂. 结果表明：两种材料在酸性Hs介质中均发生穿晶型硫化物应力腐蚀开裂(SSCC):与16Mn钢相比，16Mn(HⅢC)钢有更好的 抗SSCC性能，钢中的C,Mn,P和S的含量降低有利于提高钢的抗SSCC性能.焊缝及热影响区在焊接过程中，产生的粗大魏 氏组织、偏析，缩孔和夹杂等缺陷，降低了焊缝的抗SSCC能力：但是，通过焊后热处理可以适当提高焊缝的抗SSCC能力· 关键词16Mn钢：硫化物应力腐蚀开裂(SSCC);焊缝；氢致开裂：热处理 分类号TG172 随着国内一些含硫油气田的开发和进口高硫原 焊后热处理工艺为650℃×2h,恒应变实验试样尺 油加工量的不断增加，硫化氢介质腐蚀破坏已经渗 寸为120mm×14mm×2mm;慢拉伸实验试样的标 透到石油天然气的钻采、输送和加工行业中，越来越 距为6.4mm×25mm.实验前试样表面用SiC砂 多的碳钢和低合金钢设备、压力容器和管道在湿硫 纸打磨至1000*，用丙酮溶液清洗干净. 化氢环境中发生腐蚀、硫化物应力腐蚀开裂(SSCC) 实验中采用的溶液为NACE TM0177-96标准 和氢致开裂(HIC))】.影响H2S腐蚀破坏的因素 溶液.制备方法是：首先配制5%NaC1十0.5% 是多方面的，其中材料本身性能就是一个重要的方 CH3COOH溶液，通入高纯氮气除氧72h,然后再通 面.16Mn钢作为一种典型的低合金钢，有较高的强 入高纯HS气体至饱和(pH=3.2,硫化氢质量浓度 度、良好的韧性和低温韧性以及焊接性能，被广泛地 约3500mgL-): 用于石油天然气各工业部门，为了能够适应更苛刻 恒应变实验采用U形弯曲加载试样，参考 的硫化氢腐蚀环境，研制了16Mn抗氢致开裂钢，简 ASTM G3097,试样失效后对裂纹走向和表面腐蚀 称16Mn(HIC)钢，并己得到了工程应用.本文通 产物进行分析；慢应变拉伸实验在WDML一3慢拉 过对普通的16Mn钢和16Mn(HIC)钢以及两种材 伸实验机（中国，西安）上进行，安装好的试样在实验 料各自的焊缝在硫化氢环境中进行恒应变和慢拉伸 溶液中预先浸泡24h后再加载，拉伸速率为 实验(SSRT),研究了两种材料的抗氢致开裂性能， 10-5mms1,实验温度为25士2℃.试样断裂后， 为我国石油化工的实际构件的安全运行和维护提供 计算试样的延伸率ò、断面收缩率平和脆性系数I. 了数据积累和理论依据， 其中脆性系数用下式计算： 1 实验方法 1=业×1009%. Ψ0 实验材料16Mn(HⅢC)钢主要成分（质量分 式中，平，为试样在空气中断口断面收缩率，平为试 数，%)为：C,0.12;Si,0.35;Mn,1.31;P,0.009; 样在介质中断口断面收缩率。脆性系数【用以衡量 S,0.005.实验材料16Mn钢主要成分（质量分 钢在介质中发生应力腐蚀开裂敏感性，一般认为， 数，%)为：C,0.2;Si,0.36;Mn,1.51;P,0.0165; 在硫化氢环境中，当【高于35%时则表现出全脆性 S,0.0196,实验中采用母材、焊缝和焊后热处理 断裂.所有试样断口在LE01450扫描电镜上进行 (PWHT)三种试样.焊接采用的是Y形坡口，手工 断口分析 电弧焊（执行标准为GB985一80），焊条为TH山506. 2实验结果 收稿日期：2005-12-19修回日期：2006-06-30 基金项目：中国石油化工集团公司资助项目(N。.301033):国家重点 2.1恒应变实验结果 基础研究发展规划项目(No-G19990650) 作者简介：李明(1975一)男，博士研究生：李晓刚(1963-)：男， 试样在酸性介质当中浸泡后分别产生了裂纹或 教授，博士生导师 断裂.图1记述了16Mn(HlC)和16Mn钢母材、焊16Mn（HIC）钢硫化物应力腐蚀开裂实验研究 李 明1‚2） 李晓刚1） 陈 钢2） 刘智勇1） 1） 北京科技大学材料科学与工程学院‚北京100083 2） 中国特种设备检测研究中心‚北京100013 摘 要 采用恒应变和慢应变速率拉伸实验的方法‚研究了16Mn（HIC）和16Mn 钢母材、焊缝在 H2S 环境中应力腐蚀开裂． 结果表明：两种材料在酸性 H2S 介质中均发生穿晶型硫化物应力腐蚀开裂（SSCC）；与16Mn 钢相比‚16Mn（HIC）钢有更好的 抗 SSCC 性能‚钢中的 C‚Mn‚P 和 S 的含量降低有利于提高钢的抗 SSCC 性能．焊缝及热影响区在焊接过程中‚产生的粗大魏 氏组织、偏析、缩孔和夹杂等缺陷‚降低了焊缝的抗 SSCC 能力．但是‚通过焊后热处理可以适当提高焊缝的抗 SSCC 能力． 关键词 16Mn 钢；硫化物应力腐蚀开裂（SSCC）；焊缝；氢致开裂；热处理 分类号 TG172 收稿日期：20051219 修回日期：20060630 基金项目：中国石油化工集团公司资助项目（No．301033）；国家重点 基础研究发展规划项目（No．G19990650） 作者简介：李 明（1975—）‚男‚博士研究生；李晓刚（1963—）‚男‚ 教授‚博士生导师 随着国内一些含硫油气田的开发和进口高硫原 油加工量的不断增加‚硫化氢介质腐蚀破坏已经渗 透到石油天然气的钻采、输送和加工行业中‚越来越 多的碳钢和低合金钢设备、压力容器和管道在湿硫 化氢环境中发生腐蚀、硫化物应力腐蚀开裂（SSCC） 和氢致开裂（HIC） ［1—3］．影响 H2S 腐蚀破坏的因素 是多方面的‚其中材料本身性能就是一个重要的方 面．16Mn 钢作为一种典型的低合金钢‚有较高的强 度、良好的韧性和低温韧性以及焊接性能‚被广泛地 用于石油天然气各工业部门．为了能够适应更苛刻 的硫化氢腐蚀环境‚研制了16Mn 抗氢致开裂钢‚简 称16Mn（HIC）钢‚并已得到了工程应用［4］．本文通 过对普通的16Mn 钢和16Mn（HIC）钢以及两种材 料各自的焊缝在硫化氢环境中进行恒应变和慢拉伸 实验（SSRT）‚研究了两种材料的抗氢致开裂性能‚ 为我国石油化工的实际构件的安全运行和维护提供 了数据积累和理论依据． 1 实验方法 实验材料 16Mn （HIC） 钢主要成分 （质量分 数‚％）为：C‚0∙12；Si‚0∙35；Mn‚1∙31；P‚0∙009； S‚0∙005．实验材料 16Mn 钢主要成分 （质量分 数‚％）为：C‚0∙2；Si‚0∙36；Mn‚1∙51；P‚0∙0165； S‚0∙0196．实验中采用母材、焊缝和焊后热处理 （PWHT）三种试样．焊接采用的是 Y 形坡口‚手工 电弧焊（执行标准为 GB985—80）‚焊条为 T HJ506． 焊后热处理工艺为650℃×2h．恒应变实验试样尺 寸为120mm×14mm×2mm；慢拉伸实验试样的标 距为●6∙4mm×25mm．实验前试样表面用 SiC 砂 纸打磨至1000＃‚用丙酮溶液清洗干净． 实验中采用的溶液为 NACE T M0177—96标准 溶液．制备方法是：首先配制 5％ NaCl ＋0∙5％ CH3COOH 溶液‚通入高纯氮气除氧72h‚然后再通 入高纯 H2S 气体至饱和（pH＝3∙2‚硫化氢质量浓度 约3500mg·L —1）． 恒应变实验采用 U 形弯曲加载试样‚参考 AST M G30—97‚试样失效后对裂纹走向和表面腐蚀 产物进行分析；慢应变拉伸实验在 WDML—3慢拉 伸实验机（中国‚西安）上进行‚安装好的试样在实验 溶液 中 预 先 浸 泡 24h 后 再 加 载‚拉 伸 速 率 为 10—5 mm·s —1‚实验温度为25±2℃．试样断裂后‚ 计算试样的延伸率 δ、断面收缩率 Ψ和脆性系数 I． 其中脆性系数用下式计算： I＝ Ψ0—Ψ Ψ0 ×100％． 式中‚Ψ0 为试样在空气中断口断面收缩率‚Ψ为试 样在介质中断口断面收缩率．脆性系数 I 用以衡量 钢在介质中发生应力腐蚀开裂敏感性．一般认为‚ 在硫化氢环境中‚当 I 高于35％时则表现出全脆性 断裂．所有试样断口在 LEO—1450扫描电镜上进行 断口分析． 2 实验结果 2∙1 恒应变实验结果 试样在酸性介质当中浸泡后分别产生了裂纹或 断裂．图1记述了16Mn（HIC）和16Mn 钢母材、焊 第29卷 第3期 2007年 3月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．3 Mar．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．03．008