压力容器用Q345R(HIC)钢的开发与研究

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为适应近年来油气资源日渐枯竭,含有腐蚀介质H2S、Cl-等严酷腐蚀环境的油气田被相继开采出来,导致压力容器用钢的服役环境越来越恶劣。其壳体和焊接接头直接承受腐蚀介质的物理、化学作用,极易产生腐蚀导致失效。Q345R作为压力容器钢中用途最广、用量最大的专用钢,难以满足越来越恶劣的服役环境要求,急需开发出具备兼顾力学性能、耐腐蚀性能及焊接性能的压力容器钢,即Q345R(HIC)。油气中H2S、Cl-具有强腐蚀性,极易引起钢板母材及接头的腐蚀,故而对Q345R(HIC)钢开展腐蚀行为的研究不可或缺,可为工业生产提供技术参数,从而得到综合性能优良的Q345R(HIC)钢。本文针对压力容器用Q345R(HIC)钢开展了组织、工艺及性能研究,并对不同腐蚀环境下的腐蚀行为展开了研究。本文主要研究内容如下:(1)采用低C、Mn元素、低S、P含量,C-Mn体系合金进行成分设计。利用Formastor-F Ⅱ全自动相变仪和DIL805变形相变仪测定了实验钢的临界相变点和静态CCT曲线以及动态CCT曲线。测得实验钢的相变点Ac1和Ac3分别为699℃和837℃,研究了不同冷却速率下过冷奥氏体组织转变规律,通过对比动、静态CCT曲线,变形使得动态CCT曲线的各相区向左上方移动,并且相变所需要的时间也明显缩短。变形明显扩大了铁素体和珠光体复相相变区域,缩小贝氏体、马氏体相变区域。通过在实验室条件下开展压力容器用Q345R(HIC)钢的轧制及热处理研究,热轧试样均具有良好的综合力学性能,轧后选择正火温度为900℃,正火时间为10min时,实验钢可获得最优的综合力学性能,0℃时横向冲击功达到了 270J。(2)通过开展氢致开裂腐蚀行为以及影响因素的研究,按照NACETM 0284-2011标准对实验钢进行了 HIC实验。结果表明:某钢厂Q345R表面虽然没有氢鼓泡现象,但试样内部有较多较长裂纹,且不满足NACE TM 0284-2011抗氢致开裂性能要求。实验室轧制及热处理获得的组织为铁素体和珠光体的试样和组织为铁素体和贝氏体试样表面虽然有轻微氢鼓泡现象,但试样内部没有裂纹,试样均满足NACE TM 0284-2011抗氢致开裂性能要求。带状组织是氢的良好输送通道,氢致裂纹一般沿带状组织扩展,且带状组织级别越高,氢致开裂敏感性越大。非金属夹杂物和基体的界面是氢的强陷阱,是氢致开裂的裂纹源,且非金属夹杂物级别越高,氢致开裂敏感性越大。晶粒尺寸越小,有效晶界面积越大,使氢陷阱更均匀的分散到基体中,从而提高了抗氢致开裂性能。(3)通过电化学测试,绘制出实验钢的极化曲线和交流阻抗Nyquist图、Bode图,并且提出腐蚀过程中的等效电路。研究表明:Cl-作为溶液中强腐蚀性离子,能够破坏金属表面的氧化膜,随溶液中Cl-浓度增加,耐腐蚀性降低。组织均匀,有利于表面氧化膜形成,使阻抗值增大,相位越接近90°,从而提高了耐腐蚀性能。晶粒越小,越有利于侵蚀离子的自由传输,耐腐蚀性能越差。(4)通过埋弧焊方法对Q345R(HIC)钢进行焊接,对焊接接头进行拉伸、冲击、弯曲、硬度、HIC实验,结果表明:拉伸试样断裂在母材位置,热影响区的冲击韧性相对较差,但也达到了 152J,远超标准规定的41J,弯曲后没有出现裂纹,热影响区的硬度最高,最高为221HV,远没有达到国际焊接学会提出的具有焊接冷裂纹倾向的临界硬度值350HV,HIC实验后,焊接接头表面没有氢鼓泡,试样内部也没有裂纹,具备优良的抗氢致开裂性能。
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