汪逸安 謝國(guó)山 錢曉龍 中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院

步冷及充氫對(duì)2.25Cr1Mo鋼韌脆轉(zhuǎn)溫度的影響

汪逸安 謝國(guó)山 錢曉龍 中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院

通過步冷處理對(duì)2.25Cr1Mo鋼進(jìn)行了回火脆化，通過電化學(xué)方法對(duì)回火脆化試樣進(jìn)行了充氫。測(cè)定了三種狀態(tài)下，即原始狀態(tài)、回火脆化狀態(tài)及回火/充氫狀態(tài)材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。結(jié)果表明，回火/充氫狀態(tài)的2.25Cr1Mo母材和焊縫韌脆轉(zhuǎn)變溫度最高，回火狀態(tài)次之，原始狀態(tài)最低。

2.25Cr1Mo 步冷處理 充氫 韌脆轉(zhuǎn)變 溫度

加氫反應(yīng)器是加氫裝置中的核心設(shè)備，由于長(zhǎng)期在高溫、高壓、臨氫等苛刻的環(huán)境下使用，設(shè)備材質(zhì)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(duì)加氫反應(yīng)器的安全運(yùn)行會(huì)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(qiáng)度性能而廣泛的應(yīng)用于制造加氫反應(yīng)器[2]。而高溫高壓加氫反應(yīng)器的操作溫度工況恰在CrMo鋼的回火脆性溫度（375～575℃）范圍內(nèi)，會(huì)導(dǎo)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(dòng)情況下發(fā)生擴(kuò)展。并且加氫反應(yīng)器在使用過程中會(huì)有氫進(jìn)入，當(dāng)反應(yīng)器由于停工或緊急情況而急冷時(shí)，氫來不及擴(kuò)散出器壁，可能會(huì)引起氫脆，從而大大增加反應(yīng)器的安全隱患。基于此，本文研究了回火脆化對(duì)2.25Cr1Mo沖擊性能的影響，以及充氫對(duì)回火脆化的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)所用材料為2.25Cr1Mo焊接鋼板，原始狀態(tài)的母材和焊縫的化學(xué)成分見表1,力學(xué)性能見表2。

表1 2.25Cr1Mo原始狀態(tài)母材和焊縫的化學(xué)成分 %

表2 2.25Cr1Mo原始狀態(tài)母材和焊縫的力學(xué)性能

回火脆化通過步冷處理來實(shí)現(xiàn)，得到回火脆化態(tài)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(duì)回火脆化態(tài)試樣再進(jìn)行電化學(xué)充氫，得到回火/充氫態(tài)試樣。充氫溶液為0.5MH2SO4+3.1×10-3MNa2S溶液，充氫時(shí)間為72h，充氫電流為0.3A，電化學(xué)充氫后的沖擊試樣中氫濃度為6mg/L。

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

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2示出了原始狀態(tài)、回火狀態(tài)及回火/充氫狀態(tài)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(tài)、回火狀態(tài)及回火/充氫狀態(tài)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(tài)及回火/充氫態(tài)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(dòng)，這表明材料發(fā)生了脆化。

圖2 母材在三種狀態(tài)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(tài)下的沖擊功(a)及斷口纖維率隨溫度的變化(b)

通過對(duì)三種狀態(tài)下母材和焊縫的沖擊功及斷口纖維率的測(cè)量，得到了三種狀態(tài)下母材和焊縫的VTr54和FATT，數(shù)據(jù)見表3。

表3 母材和焊縫三種狀態(tài)下的韌脆轉(zhuǎn)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(xiàn)了一定程度的脆化，回火脆化狀態(tài)及回火/充氫狀態(tài)母材的脆化度（△VTr54）分別為8℃和20℃，回火脆化狀態(tài)及回火/充氫狀態(tài)焊縫的脆化度（△VTr54）分別為11℃和21℃。這表明充氫對(duì)母材和焊縫的韌脆轉(zhuǎn)變溫度有影響。從表中還可以看出，三種狀態(tài)下焊縫的韌脆轉(zhuǎn)變溫度高于母材的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，這表明焊縫是加氫反應(yīng)器的薄弱環(huán)節(jié)。

大量研究表明，偏析會(huì)降低Fe原子在晶界處的結(jié)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(jìn)入會(huì)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(huì)降低材料的韌性[4]。因此使回火/充氫狀態(tài)的母材和焊縫韌脆轉(zhuǎn)變溫度進(jìn)一步降低。

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

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

3 郭為民,萬嶸.加氫反應(yīng)器!高壓分離器用新材料的開發(fā)和應(yīng)用.煉油設(shè)計(jì)2002,(10)：18－2

4 褚武揚(yáng),喬利杰,陳奇志,等.斷裂與環(huán)境斷裂.北京：科學(xué)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）