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Q245R( R-HIC)

在H2 和H2 S 環境中的普通Q245R 鋼,由于氫誘導裂紋和硫化物應力腐蝕的共同作用會迅速失效[1 ] 。研究表明,氫誘導裂紋和硫化物應力腐蝕敏感性與材料中S 元素的質量分數有密切關系,S 元素的質量分數降低,氫致裂紋和應力腐蝕敏感性也降低[ 2～5 ] 。Q245R(R2HIC) 鋼是采用電爐+ 爐外精煉方式冶煉,使S 元素的質量分數降到0. 003 %以下,從而提高其抗氫誘導裂紋和硫化物應力腐蝕能力。普通Q245R 鋼和Q245R (R2HIC) 鋼的這些差別導致二者的性能和使用場合也有很大不同。筆者以某壓縮機出口分離器的制造為例,從多方紹選用Q245R ( R2HIC) 抗氫鋼時設備的制造特點。

1 設備結構及參數

某壓縮機出口分離器為板焊結構壓力容器,采用標準橢圓形封頭,法蘭與接管為對焊連接,接管與筒體為嵌入式連接結構,其簡圖見圖1 。設備直徑1 600 mm , 總高7 650 mm ,質量16 200 kg ,設計壓力5. 0 MPa ,設計溫度80 ℃,體積12. 5 m3 ,工作介質為輕烴、天然氣及含油污水。筒體和封頭的材質為抗氫鋼Q245R ( R2HIC) , 法蘭及接管為20(R2HIC) 鍛件,腐蝕裕度3 mm ,焊接接頭系數1. 0 ,

臥置水壓試驗壓力6. 58 MPa 。　該分離器按GB 150 —1998《鋼制壓力容器》要求進行制造、檢驗和驗收[ 6 ] 。

2 材料控制

2. 1 鋼板

Q245R(R2HIC) 鋼板應采用電爐+ 爐外精煉方式冶煉,應為本質細晶粒鋼,實際晶粒度達到6 級或6 級以上。鋼板以正火狀態交貨,布氏硬度值不大于200HB ,鋼板試樣經模擬焊后熱處理后的力學性能及工藝性能符合表1 規定,考慮全部受熱史,其模擬焊后熱處理溫度為610～635 ℃,保溫時間8 h 。

此外,鋼板應做厚度方向拉伸試驗,斷面收縮率Z ≥35 %為合格。　　鋼板化學成分除應符合GB 713 —2008《鍋爐壓力容器用鋼板》的有關規定外[7 ] ,還應符合表2 規定。表2 中碳當量( CE) 按公式CE = w ( C) + w(Mn) / 6 + [ w (Cr) + w (Mo) + w (V) ]/ 5 + [ w (Ni)+ w (Cu) ]/ 15 計算[3 ] ,其中Ca 值僅供參考,不作為驗收條件。

鋼板需逐張進行超聲波檢測,符合JB/ T 4730.1～4730. 6 —2005《承壓設備無損檢測》標準規定, Ⅱ級為合格[8 ] 。鋼板應按GB/ T 8650 —2006《管線鋼和壓力容器鋼抗氫致開裂評定方法》進行抗氫誘導裂紋( R2HIC) 試驗[9 ] ,采用A 溶液,3 個試樣裂紋長度敏感率(CL R) 的平均值為CL R ≤10 %,裂紋敏感性敏感率( CSR) 平均值為CSR ≤3 % , 裂紋厚度敏感率(CTR) 的平均值為CTR ≤1. 5 %。鋼板應按GB/ T 4157 —2006《金屬在硫化氫環境中抗特殊形式環境開裂實驗室試驗》進行抗硫化物應力腐蝕(SSCC) 試驗[10 ] , 屈服強度損失不大于10 %為合格。

表1 Q245R( R2HIC) 鋼板力學性能

厚度/

mm

屈服強度ReL / MPa  抗拉強度 彎曲

Rm/ MPa

180°

試驗b = 2 a

斷后伸長率

A/ %

沖擊功(0 ℃) A KV/ J

36～60 ≥225 400～520 d = 1. 5 a ≥25 ≥31

表2 Q245R(R2HIC) 鋼板材料化學成分%

元素C Si Mn P S Ca O CE

質量分數≤0. 20 0. 15～0. 30 0. 40～0. 90 ≤0. 015 ≤0. 003 0. 001 5～0. 003 0 ≤0. 004 ≤0. 36

2. 2鍛件

法蘭和接管所用20 (R2HIC) 鍛件的各參數及各項性能除必須滿足JB/ T 4726 —2000《壓力容器用碳鋼和低合金鋼鍛件》的規定外[11 ] , 還應該滿足以下要求: ①鍛件用鋼采用電爐+ 爐外精煉方式冶煉,應為本質細晶粒度鎮靜鋼,應具有5 級或5 級以上的實際晶粒度。②鍛件主截面部分的鍛造比不得小于3 ,正火狀態交貨。③鍛件化學成分除應符合文獻[ 8 ]規定外,還應控制元素S 的質量分數不大于0. 003 % ,元素P 的質量分數不大于0. 015 %。④鍛件力學性能應為經正火+ 模擬焊后熱處理后所得的試驗數據。⑤鍛件中脆性夾雜物、塑性夾雜物不得大于2. 5 級,且兩者總和不大于4. 5 級。⑥鍛件的抗氫誘導裂(R2HIC) 試驗執行文獻[9 ] ,抗硫化物應力腐蝕試驗執行文獻[10 ] 。

2. 3 焊接材料

應選擇經過焊接工藝評定合格,適用于Q245R(R2HIC) 鋼板和20 (R2HIC) 鍛件焊接的焊材。焊條除滿足JB/ T 4747 —2002《壓力容器用鋼焊條訂貨技術條件》外[12 ] ,所用的焊條、焊絲化學成分至少滿足w(C) ≤0. 12 %,w(S) ≤0.005 %,w(P) ≤60. 012 %。焊縫熔敷金屬氫誘導裂紋(R2HIC) 試驗按文獻

[9 ]進行,抗硫化物應力腐蝕試驗按文獻[ 10 ]進行。在正火+ 模擬焊后熱處理試樣上進行硬度檢測(含母材、焊縫、熱影響區、熔合線) ,平均硬度不大于200HB。

3 制造及檢驗

3. 1 封頭

設備封頭為標準橢圓封頭,設計厚度為48 mm ,考慮加工減薄量,下料厚度取54 mm。采用整體熱壓成形,加工工藝為,封頭熱壓開始溫度為960 ℃,終壓溫度為860 ℃。母材驗證試件隨封頭經歷全部正火溫度重疊,需要對封頭(帶驗證試件) 恢復正火熱處理,試件模擬整體焊后熱處理后進行各項力學性能檢驗。

封頭端口和頂部中心孔采用立式車床加工,坡口形式按焊接工藝要求。

3. 2 筒體

下料展開長度按筒體中徑計算,適當考慮厚板展開的中徑偏移量,控制展開長度誤差為±2 mm ,對角誤差為±2. 5 mm。在冷卷成形前加工環焊縫坡口。根據卷板機的規格和卷板能力,冷卷筒體時預留180 mm 壓頭直邊,預彎后用半自動火焰切割機切去直邊,在專用縱縫銑邊機上加工縱焊縫坡口后,繼續卷圓達到標準

允許的棱角度和圓度要求。縱焊縫焊接后在卷板機上重新校圓,冷卷成形后需要對單個筒節進行中間消除加工應力熱處理。之后進行筒節間環焊縫組對以及環焊縫焊接。筒體組對完成后劃線開孔,火焰切割開孔時預留5～8 mm 加工余量,由鏜床加工至所需尺寸。

3. 3 焊接

(1) 焊接方法　縱、環焊縫均采用窄間隙埋弧自動焊,接管與法蘭采用鎢極氬弧焊+ 焊條電弧焊,嵌入式接管凸緣與筒體采用手工電弧焊。

(2) 焊接材料　依據圖樣技術要求,為使焊縫化學成分與母材一致[3 ] ,條選用哈爾濱焊接研究所生產的J 427SHA ,焊絲、焊劑組合選用H08ASHA+ 4SHA 。

(3) 腐蝕試驗　進行焊縫熔敷金屬抗氫誘導裂紋(R2HIC) 試驗和抗硫化物應力腐蝕試驗。R2HIC試驗溶液為A 溶液(p H = 3. 0) ,并用H2 S 氣體飽和,持續時間96 h ,對檢測面進行金相檢驗,查看裂紋情況,結果裂紋長度敏感率(CL R) 、裂紋敏感率(CSR) 和裂紋厚度敏感率(CTR) 均為0 。SSCC 試驗介質為0. 5 %冰醋酸+ 5 %NaCl + 飽和H2 S 水溶液,在恒負荷拉伸應力腐蝕試驗機上進行,按材料標準屈服強度值的0. 9 倍的應力級別加載,最長試驗周期為720 h ,期間不發生應力腐蝕開裂為合格[ 1 ] 。

(4) 焊縫坡口　根據窄間隙埋弧焊特點確定縱、環焊縫坡口形狀(圖4) ,保證根部平滑無尖角,焊接時熔化良好,填充金屬較少且焊接生產效率高。焊前坡口表面需按文獻[ 8 ] 進行100 %磁粉檢測(MT) , Ⅰ級合格。