16MnR(HIC)钢焊接接头抗氢致裂纹的试验研究

抗氢致开裂（ANTI-HIC）HIC是氢诱导裂纹的意思Hydrogen Induced Cracking1,化学成分，P，S含量要求控制在0.020%和0.015%以下；2,屈服强度，要小于345MPa；3,材料必须是硅镇静钢.4,应符合NACE MR0175和NACE MR0103的规定。

（这个还可以看看？）5,碳当量CE应小于0.42%。

6,材料表面不能有大于0.5mm的尖锐缺隐存在.7,材料必须热处理交付.其中NACE：美国腐蚀工程师学会16MnR(R-HIC)钢板适用于什么工况？典型的适用于湿HS环境的材料，材料的S、P含量要求相当低，S≤0.002%、P2≤0.008%。

产品适用于低温环境下使用的抗硫化氢腐蚀设备，冲击韧性比普通的16MnR高，16MnR(HIC)耐腐蚀钢（抗氢钢、抗硫化氢腐蚀用钢）16MnR(HIC)产品执行GB6654，GB6654是强制性标准，但需抗HIC（氢致裂纹）16MnR钢板属于压力容器范畴，走的压力容器材料标准，归6654管理。

HIC为抗氢致开裂钢，16MnR(HIC)比16MnR有更严格的制造、检验要求。

一、材料：1、标准σs≤355MPa。

2、实测σb≤630MPa。

3、使用状态为正火、正火+回火、退火或[wiki]调质[/wiki]。

4、碳当量≤0.45。

5、焊接接头HB≤200。

6、S、P≤0.006%，更严格时控制S、P≤0.002%。

二、制造要求：1、冷变形量≤5%时，进行消除应力热处理，大于5%时，进行正火处理。

2、焊后进行消除应力热处理。

氢诱裂纹（HIC）性能采用NACE TM0284－2003标准进行HIC性能评价，试验溶液由供需双方协商确定，其HIC试验的平均值满足：裂纹敏感率（CSR）≤2％裂纹长度率（CLR）≤15％裂纹厚度率（CTR）≤5％注：只有钢板和板卷钢管才考虑在湿硫化氢环境下的抗HIC问题，轧制钢管不考虑HIC，20＃ANTI-HIC钢管是错误的，没有标准，没有制造厂家。

通常抗氢致开裂HIC（Hydrogen Induced Crack）主要是针对低碳高强度结构钢制压力管线讲的( 现代管线钢属于低碳或超低碳的微合金化钢)。

目前国内生产的此类专用钢(抗HIC专用钢)主要材料牌号有：16MnR(HIC),20R(HIC),SA516(HIC)。

该类钢的碳当量可用Ce=C+Mn6+(Cr+Mo+V)5+(Ni+Cu)15计算。

质保书中C：0.022，Mn：1.05，Cr：18.20，Ni：8.32材料成分大致符合不锈钢00Cr19Ni10(GBT1220—1992)主要元素成分要求。

提供的是00Cr19Ni10或类似材质，应该没有太大问题。

参考资料：关于提高提高管线钢抗HIC能力的措施提高管线钢抗HIC能力的措施有成份设计、冶炼控制、连铸工艺、控轧控冷等四个方面。

展开来说，主要有三点：提高钢的线纯净度。

采用精料及高效铁水预处理（三脱）及复合炉外精炼，达到S≤0.001%，P≤0.010%，[O]≤20ppm，[H]≤1.3ppm。

同时采用Ca处理。

②晶粒细化。

主要通过微合金化和控轧工艺使晶粒充分细化，提高成分和组织的均匀性。

为此，钢水和连铸过程要电磁搅拌；连铸过程采用轻压下技术；多阶段控制轧制及强制加速冷却工艺；Tio处理，使得钢获得优良的显微组织和超细晶粒，最终组织状态是没有带状珠光体的针状铁素体或贝氏体。

③昼降低含C量（C ≤0.06%），控制Mn含量，并添加Cu和Ni。

从炼钢来看，宝钢、武钢、鞍钢、攀钢、太钢等企业能生产不同等级的管线钢种，目前国内能生产X42、X52、X60、X65、X70等，X70目前在试用。

管线钢国产化程度大幅度提高，产品质量有了显著的改进，产品的成份控制、强度、韧性、晶粒度、焊接性能等均已接近或达到国外同类产品的水平。

高S原油加工过程中硫腐蚀及防护选材准则 thread-4029-1-1.html（作者前言）：2001年1月，中国石化科技开发部邀请英国壳牌石油公司材料专家霍普金申（音译）在南京就“高S原油加工过程中硫腐蚀及防护选材准则”做了讲座。

HIC氢致开裂试验又叫抗氢诱导裂纹试验、抗氢脆试验，氢致开裂(HIC)英文全称是：Hydrogeninducedcracking,简称HIC o与金属原子相比，氢原子尺寸很小，容易从金属原子间的间隙扩散至金属基体内部，与基体发生物理化学作用，从而降低金属基体的机械性能。

氢致开裂的原理氢致开裂的机理：当钢浸渍在含硫化氢的环境中，因腐蚀而产生的氢便渗入钢中，原子状氢扩散到达非金属夹杂物等界面，在其缺陷部位转变为分子氢，提高了空洞的内压。

(1)氢脆各种情况下产生的氢原子直接渗透到钢内部后，使钢晶粒间原子结合力降低，造成钢材的延伸性、端面收缩率降低，强度也发生变化。

氢脆理论：在裂纹尖端有与阳极反应相应的阴极反应发生。

所生成的氢或加工氢进入钢中引起氢致开裂。

(2)氢腐蚀氢与钢中的碳化物发生反应产生甲烷，甲烷气体不能从钢中扩散出去，聚集在晶粒间形成局部高压，造成应力集中，进而使钢材产生微裂纹或鼓泡。

氢的来源可分为内氢和外氢两种：（1）内氢是指材料在使用前内部就已经存在的氢，主要是冶炼（原材料中的水分）、酸洗（酸）、电镀（阴极析氢）、焊接（焊接前未烘干）、热处理（淬火等）等过程中；（2）外氢或环境氢是指材料在使用过程中吸收的氢。

如在H2或H2S气体或H2S水溶液中服役时，H2或H2S能分解出H进入构件或试样。

在氢气压力的作用下，不同层面上的相邻氢鼓泡裂纹相互连接，形成阶梯状特征的内部裂纹称为氢致开裂，裂纹有时也可扩展到金属表面。

HIC的发生也无需外加应力，一般与钢中高密度的大平面夹杂物或合金元素在钢中偏析产生的不规则微观组织有关。

现在已广泛运用氢致裂纹（H1C）来描述裂纹类型，并且被NACE国际组织采用。

试验方案及标准NACETMO284管线钢和压力容器抗氢致开裂评定方法GB/T8650管线钢和压力容器钢抗氢致开裂评定方试样要求：样品尺寸：长IOOmm,宽20mm o1)厚度＜30mm:平行取样，同一产品取1组样品，数量为3个；2)3。

HIC试验操作规程1.试验原理HIC试验(Hydrogen-Induced Cracking)，即氢致开裂试验，是氢原子在金属S与钢材中扩散所诱发的敏感材料的开裂机理，通常氢原子是在有水的情况下由H2S的饱和溶发生反应产生的。

HIC试验通过模拟这种酸性环境系统，让钢材在含H2液中浸泡一定的时间，然后观察钢材截面是否发生氢致裂纹来评价钢材的抗酸性能。

2.设备装置试验装置应有足够大的可容纳试样的空间，在经过净化和导入HS的密闭容器2内进行，任何试验材料都不应污染试验环境或者与试验环境发生反应。

图1为典型试验装置简图。

图1: 典型的试验装置简图所用设备主要有：（1）HIC试验反应釜规格：Φ470×360mm，有机玻璃制造（2）HS气体吸收塔2（3）通风橱操作台规格：2350×1500×840mm；生产厂商：XX雄城泛美科学实验室设备XX（4）水浴箱规格：680×580×380mm；生产厂商：WINPARK（5）金相显微镜规格：XJL-02A；生产厂商：XX江南光学仪器厂（6）超声波清洗器内槽尺寸：300×250mm；功率：185W；频率：42KHz；生产厂商：XX精华超声波仪器XXS有毒气体报警器规格：SFD-300II；生产厂商：XX索福达电子XX （7）H2（8）线切割机规格：通用型快走丝；生产厂商：XX庆元精密机械XX3.试样制备3.1试样尺寸3.1.1试样尺寸应为100±1mm长，20±1mm 宽。

3.1.2试样壁厚应为管的整个壁厚，最大30mm。

最多允许从内、外表面各去除1mm，试样坯料不应被矫平。

3.1.3对小直径、薄壁电阻焊管和无缝管线钢管，试样厚度最少应为管壁厚度的80％。

在这种情况下，应从钢管上取弧形试样进行试验，试样坯料不应被矫平。

3.2试样数量、位置和方向3.2.1每根试验管应从焊缝、焊缝90°以与180°位置取样，或按订单要求取样。

2023-10-29CATALOGUE 目录•研究背景与意义•氢脆及氢相容性•管线钢氢相容性测试方法•氢脆防控研究•研究进展与展望01研究背景与意义管线钢在石油、天然气等管道运输领域的应用越来越广泛，但存在氢致开裂（HIC）和延迟断裂（LF）等氢相容性问题，严重影响管线钢的安全使用。

氢相容性测试方法及氢脆防控技术是解决上述问题的关键，但目前仍存在测试结果不准确、防控效果不稳定等问题，制约了管线钢的安全使用。

研究背景研究成果可以为国内外同类研究提供参考和借鉴，推动管线钢氢相容性测试方法及氢脆防控技术的发展和应用。

研究意义研究管线钢氢相容性测试方法及氢脆防控技术，有助于提高管线钢的安全性能，保障石油、天然气等管道运输的安全性和可靠性。

通过研究管线钢氢相容性测试方法及氢脆防控技术，可以进一步揭示氢致开裂和延迟断裂的机制，为优化管线钢的成分和加工工艺提供理论支持，提高管线钢的质量和可靠性。

02氢脆及氢相容性氢脆简介氢脆通常表现为材料内部微观结构的不均匀性，导致应力集中，在材料受到外力作用时容易产生裂纹。

氢脆的发生与材料的成分、微观结构和环境因素等有关，是材料科学与工程领域的一个重要研究方向。

氢脆是金属材料在冶炼、加工和使用过程中，由于吸附和溶解了过饱和的氢，导致材料塑性和韧性显著下降的现象。

氢相容性定义氢相容性是指金属材料在含氢介质中，对氢的吸附、扩散、反应等行为的适应性。

氢相容性良好的材料在含氢环境中能够保持优良的力学性能和耐腐蚀性能，而氢相容性不良的材料则容易发生氢脆或氢致开裂等损伤。

材料的氢相容性与其成分、微观结构和表面处理状态等因素有关，是评价金属材料在含氢环境中应用性能的重要指标。

不同材料的化学成分对氢的吸附和扩散能力有显著影响，如碳钢和合金钢的氢相容性差异。

氢相容性影响因素材料成分材料的晶粒大小、晶界特性、位错密度等微观结构因素对氢的扩散和反应行为有重要影响。

微观结构温度、压力、介质成分等环境因素对材料的氢相容性也有重要影响，如高温高压环境下钢材的氢脆风险增加。

16MnR低合金钢的焊接裂纹分析及处理措施16MnR低合金钢的焊接裂纹分析及处理措施摘要：针对神华宁煤煤化工烯烃公司丙烯装置换热器封头密封焊经常出现焊接裂纹的情况进行了分析，找到处理措施，避免焊接裂纹产生，本文就焊接裂纹防止措施进行论述。

关键词：低合金钢；焊接；冷裂纹前言神华宁煤烯烃装置的丙烯装置E-60121工艺水冷却器，封头及壳体材质为16MnR，设计压力壳程1.67Mpa、管程3.3Mpa，工作温度206-241℃.由于换热器运行一定时间后工艺水的杂质会堵塞换热器，因而要对换热器进行抽芯并清洗，清洗完成，封头回装后，要对封头进行密封焊，2015年对封头焊接连续出现三次焊接裂纹的情况，作者经过分析、查阅资料，结合以往累计的经验，选择合适的焊接工艺，消除了焊接裂纹，缩短了换热器检修工期，提高了装置产量。

一、16MnR简介16MnR是压力容器用低合金钢，应用较广。

其化学成分表（1）中介绍二、对16MnR的焊接性分析16MnR钢的焊接性能良好，但是由于它是高强度的，其强度越高，越易产生淬硬相，从而影响其焊接性。

在焊接时，主要会出现以下几方面问题：1、粗晶区脆化（1）产生部位热影响区中被加热到1100 ℃以上直至熔点以下的区域，即焊接热影响区的过热区。

（2）产生原因16MnR在焊接时，采用了过大的焊接线能量焊接，粗晶区将因晶粒长大或出现魏氏组织等而降低韧性；线能量过小时焊接，会因为粗晶区组织中马氏体比例的增大，降低了韧性。

（3）防止措施在焊接时，选用适当的线能量。

2、热应变脆化（1）产生部位焊接接头熔合区及最高加热温度低于Ac1的亚临界热影响区。

（2）产生原因16MnR属于C-Mn系的低合金钢，这类钢自由氮含量较高，一般认为热应变脆化现象是由于氮、碳原子聚集在位错周围，对位错造成钉轧作用引起的。

一般易于在200-400℃最高加热温度范围的亚临界热影响区产生。

3、裂纹（1）冷裂纹正火钢由于含有少量的合金元素较多，淬硬倾向有所增加。

加氢设备的主要损伤形式与选材一、概述加氢裂化装置由于操作条件的特殊性，常引起一些特殊的损伤现象。

本节仅就这些特殊的损伤现象给予论述，并且在高温区域以反应器为代表，在低温高压部位以高压空冷器作为对象。

在加氢过程中，如反应器等设备处于高温高压氢气中，氢损伤就是一个很大的问题。

高温高压硫化氢与氢共存时的腐蚀也很严重。

正因为如此，为抗高温硫化氢的腐蚀通常也在反应器等设备内表面堆焊不锈钢（以奥氏体不锈钢居多）覆盖层和选用不锈钢材料制作内件。

这样又有可能出现不锈钢的氢脆、奥氏体不锈钢的硫化物应力腐蚀开裂及堆焊层氢致剥离现象等损伤。

另外还有Cr-Mo钢的回火脆性破坏也曾是举世瞩目的问题。

在高压空冷器上，由于物流中存在氨和硫化氢等腐蚀介质可能引起传热管穿孔损伤等都是必须加以慎重考虑的。

掌握这些损伤的特征和影响因素，并正确地进行设备的选材及对其某些选用材料的冶学问题做充分考虑是保证设备安全使用至关重要的一环。

据国内外的资料报道，由于强度造成高压设备的破坏例子是极少的，可是由于腐蚀和材料选用不当所引起的损伤例子是较多的。

所以，特别是对于使用在高温高压氢介质中的热壁加氢反应器等设备来说，腐蚀和材料冶金学问题显得更为突出。

因此要求用于制造这类设备的材料要具有令人满意的综合性能。

具体来说至少应满足：（1）作为描述材料内质特性的致密性、纯洁性和均质性性能要优越，这对于厚（或大断面）钢材尤为重要；（2）要满足设计规范要求的化学成分、室温和高温力学性能的要求；（3）要具有能够在苛刻环境下长期使用的抗环境脆化性能。

二、常见的损伤形式与对策（一）高温氢腐蚀1、高温氢腐蚀的特征。

高温氢腐蚀是在高温高压条件下扩散侵入钢中的氢与不稳定的碳化物发生化学反应，生成甲烷气泡（它包含甲烷的成核过程和成长），即FeC＋2H2→CH4＋3Fe并在晶间空穴和非金属夹杂部位聚集，引起钢的强度、延性和韧性下降与劣化，同时发生晶间断裂。

由于这种脆化现象是发生化学反应的结果，所以它具有不可逆的性质，也称永久脆化现象。

SSC及HIC实验方案选择D1.1 方法的适用性在硫化物腐蚀环境和静态拉应力同时作用下产生的开裂称硫化物应力腐蚀开裂(SSC)。

模拟由外力或应力引起的硫化物应力腐蚀开裂的实验，可作为压力容器等产品的标准检验方法，同时可研究H2S对不同材料和不同工艺性能的影响。

一般情况推荐使用美国腐蚀工程师协会NACE TM0177标准中的A法，即恒负荷拉伸实验法，实验采用饱和的H2S水溶液（质量浓度约3250mg/L），配制时应注意使用冰乙酸（冰醋酸），其积体分数为99.5%。

当强调选用与实际工况条件相同的环境溶液时，可采用欧洲腐蚀协会EFC标准，这时规定碳钢和低合金钢H2S应力腐蚀开裂门坎值σth≥0.9σs为合格。

1.2 确定对SSC的敏感性用在表H-9中确定的环境苛刻度以及在表H-8中得到的有关最大布氏硬度和焊件焊后热处理的基础数据，从表H-10中确定对SSC的敏感性。

按图1中流程来确定硫化物应力腐蚀的敏感性。

＜5.5 低中高高5.5-7.5 低低低中7.6-8.3 低中中中8.4-8.9 低中中高＞9.0 低中高高表H-10 SCC敏感度环境苛刻度焊接时焊缝最大布氏硬度PWHT后最大布氏硬度＜200 200-237＞237 ＜200200-237＞237高低中高无低中中低中高无无低低低低中无无无1.3 样品的制备一般情况下，要求试样管材取纵向，板材取横向。

在保证试样表面积上溶液量达到(30±10)ml/cm2的基础上，减少试样长度可保证加工精度，提高实验准确性。

2005版NACE TM0177标准将试样的R值由90版6.4mm修改为15mm，R 增大后减少了试样在该处引起应力集中造成的实验失败的几率。

【主要备注：目前标件尺寸要求精确到0.001mm,制作难度很高】图2 SSC实验标件形貌1.4 应力值和时间的确定实验过程中，对于施加的应力可参考GB/T15970.1-1995标准的二元搜索法来确定临界应力，实验后的应力腐蚀数据采用统计方法进行处理。

抗氢致、硫化物应力腐蚀裂纹焊丝CHG-SHA的研制摘要：本文介绍了一种高韧性、抗氢致、应力腐蚀裂纹用钢焊丝CHG-SHA的合金元素的配比和产品性能。

经HIC、SSC模拟实验和中石化和中石油系统实际应用表明，该焊丝熔敷金属具有较超低的S 杂质元素含量、较高的塑韧性、裂纹敏感性小，完全能满足国内外油气田行业的特殊要求。

关键词：氢诱发裂纹HIC SSC 材料因素1. 前言近年来，一种特殊现象已经影响到低合金钢在精炼过程中湿H2S 环境下的应用。

这是因为腐蚀过程中对氢的吸收，降低了石化工业生产的安全性和生产效率。

当钢与含H2S的水接触时，将受到腐蚀并产生氢。

并且，H2S抑制氢原子结合形成氢气，促进它们在钢中的吸收。

由于氢原子较小，在钢中很容易扩散，容易在有缺陷的晶格结点处和非金属夹杂处沉积，在该处氢原子形成分子。

在这些点上，氢气压力不断增大，，经过一段时间，即使没有外界应力、而只在系统的应用条件下，可使已经薄弱的晶界遭到破坏，导致微裂纹的产生微裂纹也会扩展，直到达到临界值。

这即是氢诱发裂纹（HIC）的机理。

[1] 大量的研究和实践表明,HIC作为一组平行于轧制面的面缺陷存在于钢中,对钢材的常规强度指标影响不大,但使钢材的脆性倾向增大，对H2S环境断裂而言,具有决定意义的是材料的SSC敏感性。

但对于SSC敏感钢构件,HIC往往是SSC的起裂源。

于是,随着管线钢和容器钢强度的增高,SSC敏感性增大的同时,HIC的危害也越显著。

为了获得更优良的韧性，我们成功开发了这种抗HIC、SSC裂纹用钢焊丝---CHG-SHA。

2. 影响管线钢HIC的材料因素[2]影响因素主要有化学成分、非金属夹杂物和显微组织。

2.2.1 化学成分研究表明，在低、中强度钢中，材料强度越高，硬度越大，HIC 敏感性越强。

（1）碳（C）化学成分中，C是管线钢的主要固溶强化成分元素，随着钢中C的质量分数增加，HIC敏感性增加。

在管线钢中其它元素含量基本稳定时，C的质量分数从0.05%-0.18%变化时，裂纹长度率CLR、裂纹敏感率CSR如图1所示。

16mnr钢的硫化氢应力腐蚀损伤研究随着石油的广泛应用，极低温下的低温管线和海底管道以及炼油渣的储存条件下的一系列检查管件等，都使得对钢铁管件采用能够满足这种低温复杂服役条件的钢材质量要求越来越高。

其中，16MnR（14MnNbR）钢是满足这种复杂服役条件的铝合金管道钢中最佳选择之一。

16MnR钢在复杂环境条件下经常受到氢硫气体作用的腐蚀损伤，特别是温度下降，硫化氢的分解产物H2S的增加使得不同组分在金属表面的腐蚀速率相互上升，从而影响钢材的性能和使用寿命。

因此，目前研究人员通过研究16MnR钢的硫化氢应力腐蚀损伤的特性，从而探究清晰的抗硫化氢原理，提高16MnR钢的抗硫化氢性能，并通过针对实际应用服役环境的研究，促进16MnR钢在管道钢铁领域中应用。

针对16MnR钢硫化氢应力腐蚀损伤的相关研究表明，一种很好的抗硫化氢性能形状应当是钢中质量分数在0.14%的碳质含量，其中Mn含量达到1.0-1.2%,硫的质量分数为0.025-0.030%，Ni、Cr、V、Ti和Nb以及其他杂质的质量分数依次为0.35%,0.30%,0.08%,0.05-0.11%和0.04-0.06%。

这种可以改善16MnR钢抗硫化氢性能的特定元素组合有助于抑制钢材中CO和H2S的反应，减少了元素各元素间的化学反应，最终降低了低温腐蚀条件下16MnR钢腐蚀损伤的速率。

此外，16MnR钢的抗硫化氢性能也受到表面组织和外部应力的影响。

在实验中，用真空金属熔炼板材的表面组织研究发现，16MnR钢的抗腐蚀损伤从未来层开始，经历了根部层铁素体相，再到菱镁素体相，这些变化有利于提高该钢材的抗硫化应力腐蚀性能。

同时，由于硫化氢腐蚀损伤的特性是装备受氢应力腐蚀的危险程度的应力的强烈反应，在抗硫化氢性能中，外部应力对降低硫化物侵蚀速率起到了重要作用。

总而言之，16MnR钢硫化氢应力腐蚀损伤的研究受到各种因素的影响，如合金元素的含量，表面组织及外部应力等，因此，相关研究不仅有助于理解低温硫化氢腐蚀损伤，还有助于改善和优化16MnR钢的特定应用，促进其在管道钢和高应力损伤环境中的应用，从而满足低温复杂服役条件的高质量钢的需求。