水下超双部件氢致开裂数值评估与实验

水下生产系统在我国海洋石油开发中应用越来越广泛。通常使用复合电液的方式对水下设备进行远程控制,控制管线采用超级双相不锈钢材质。但该材质在水下阴极保护系统下存在氢致开裂的风险。本文依据国外规范,建立了水下超双材料的氢致开裂评估流程,详细阐述了水下超双部件氢致开裂的有限元评估过程,给出了建模方法、结果提取和处理的方法,以及结果校核的标准;结合实际工程项目实例计算分析,将分析结果线性化处理;控制部件的应力应变水平,可以有效避免部件在水下同阴极保护系统作用下的氢致开裂风险;研究和阐述了双相钢的适用环境参数条件和氢致开裂试验评估。

316L不锈钢氢致开裂行为的数值模拟

采用ABAQUS有限元分析软件,基于与氢浓度相关的内聚力模型,通过顺序耦合的方法模拟了316L不锈钢的氢致开裂行为,研究了晶粒尺寸(35,25,15μm)、应力集中系数(4.0,2.6)和应力(500,312 MPa)对氢致开裂的影响,并将模拟结果与试验结果进行了对比。结果表明:内聚力模型可以很好地模拟316L不锈钢的氢致开裂行为,模拟得到的氢致裂纹长度与试验结果的相对误差均在15%以内;当应力集中系数或应力较大时,氢致裂纹较长,说明316L不锈钢易发生氢致开裂;随着晶粒尺寸减小,氢致裂纹的长度减小,沿晶特征减少,316L不锈钢的氢脆敏感性降低。

某海上平台硫化氢应力腐蚀开裂及氢致开裂腐蚀敏感性分析

海上某平台在开发后期发现工艺流程中出现硫化氢,考虑到平台设计时未按照硫化氢平台进行设计,为保证平台设备的安全性,通过硫化氢、硫化物和pH检测,确定了主要工艺流程中设备的湿硫化氢环境类型。根据硫化物应力腐蚀开裂及氢致开裂的相关试验标准对处于硫化氢环境下设备开展了敏感性验证,试验结果表明,当前硫化氢含量下,平台设备具有抵抗硫化氢腐蚀的能力。

核电厂海水泵用镀锌高强度螺栓的开裂原因

某核电厂海水泵用双头镀锌高强度螺栓发生开裂失效。通过材料性能(化学成分、显微组织和力学性能等)检测及断口和裂纹形貌观察,分析了螺栓的失效原因。结果表明:镀锌螺栓开裂的原因为氢致开裂。锌镀层破损的高强度螺栓与海水接触时,表面锌镀层和螺栓基体形成电偶对,基体作为阴极析出氢,部分原子氢扩散进入螺栓基体导致氢致损伤,螺栓在预紧力的持续作用下发生氢致开裂。

激光制造抗氢脆技术的研究进展及发展趋势

氢的密度和体积相对较小,易透过金属表面进入原子晶格。聚集在材料缺陷处的氢原子可再次结合成氢分子,而氢分子的聚集可产生巨大氢压,进而形成氢致裂纹,出现氢脆现象,阻碍各类金属材料在氢能储运中的广泛应用,危害服役件安全。抗氢脆是材料工程领域的重大课题之一,激光制造技术在抗氢脆方面已展现出一定应用潜力。对多种激光制造技术如激光喷丸强化、激光表面硬化、激光熔覆、激光表面熔化、选择性激光熔化、激光焊接、激光表面退火等在抗氢脆制造中的应用情况进行了综述,重点分析这些技术在富氢环境中如何影响材料的微观结构和机械性能,讨论其在应用中的挑战和瓶颈,并展望其在提高金属材料抗氢脆能力方面的发展趋势。

氢气环境下2205双相不锈钢的氢致开裂研究

为了研究氢气环境下双相不锈钢疲劳裂纹萌生和扩展的影响规律,建立氢气环境下双相不锈钢疲劳应变组织演化—氢致开裂之间的关联机制,在5 MPa氢气和5 MPa氮气2种环境中对2205双相不锈钢试样进行了慢应变速率拉伸和疲劳裂纹扩展速率试验。结果表明:在氢气环境下,2205双相不锈钢在慢应变速率拉伸过程中的氢脆敏感性不高,而在疲劳过程中氢脆现象显著,5 MPa氢气环境下2205双相不锈钢的疲劳裂纹扩展速率比氮气环境中的快18倍;氢气能够促进2205双向不锈钢疲劳裂纹尖端周围组织的局部塑性变形,并进一步导致氢致开裂。在氢气环境下2205双相不锈钢疲劳变形过程中,不同的相结构其氢致开裂机理也不同,铁素体相容易形成河流状花样断口形貌(解理断口),而奥氏体相断口形貌多呈现平行的滑移带特征,奥氏体相在铁素体相的解理开裂过程中对裂纹具有阻碍作用。

氢气含量与加载频率对X80钢管接头疲劳裂纹扩展速率的影响

在氮气,体积分数均为2%的H_(2)+CO_(2)以及体积分数分别为5%,2%的H_(2)+CO_(2)环境中,对X80钢管接头试样进行不同加载频率(0.1,1.0,10.0 Hz)的疲劳裂纹扩展试验,研究了氢气含量和加载频率对疲劳裂纹扩展速率的影响。结果表明:当加载频率为1.0 Hz时,氢气含量越高,接头母材、热影响区和焊缝裂纹扩展速率越大,且焊缝中的裂纹扩展速率增大程度最大;含氢环境中焊缝的疲劳裂纹扩展速率小于母材和热影响区;当氢气体积分数为5%时,母材和热影响区均发生韧性断裂,但疲劳断口上存在微小的二次裂纹和少量平台状结构等脆性断裂特征,焊缝疲劳断口出现长度近80μm的二次裂纹,但断口形貌仍主要呈韧性断裂特征;氢气体积分数为5%时,随着加载频率增加,母材的疲劳裂纹扩展速率先增大后减小,加载频率为1.0 Hz时的疲劳裂纹扩展速率最大。

显微组织对抗氢致开裂的影响研究

采用NACE TM0284-2016实验标准,对抗酸管线钢和碳素结构钢进行氢致开裂(HIC)实验行为研究评定;通过光学显微镜、扫描电镜(SEM)等方法,研究了不同显微组织结构对抗氢致开裂性能的影响。实验结果表明,具有多边形铁素体+少量珠光体、晶粒尺寸较小的显微组织具有良好的抗HIC性能,而晶粒尺寸较大、铁素体-珠光体交替的带状显微组织的碳素结构钢出现了大量的氢致裂纹,其平均裂纹长度率(CLR)高于40%。

12Cr1MoV钢过热器管开裂原因

某公司服役的12Cr1MoV钢过热器管在较短的时间内发生开裂现象,采用宏观观察、化学成分分析、硬度测试、氢气含量分析、扫描电镜分析、金相检验等方法分析其断裂原因。结果表明:由于管坯内部存在原始疏松缺陷,穿孔轧制后缺陷位于钢管内壁;在钢管服役过程中,锅炉气中超标氢分子扩散渗入管壁,在内部缺陷处富集,过热管弯管段存在较大的残余应力,使缺陷处发生氢致应力腐蚀开裂,最终导致过热器管开裂。

不同强度匹配对X80管线钢环焊缝抗氢致裂纹性能的影响研究

环焊缝的强度匹配形式和耐腐蚀性对管道可靠运行至关重要。文中分别采用低强匹配、等强匹配和高强匹配三种匹配形式对D1219×18.4 mm X80螺旋焊管进行焊条电弧焊,对焊接接头进行抗氢致开裂(HIC)试验,并综合包括化学成分、微观组织、接头强度和韧性等各种因素分析,研究不同强度匹配形式对X80管线钢环焊缝抗氢致裂纹性能的影响。结果表明,三种匹配方式下的X80管线钢焊接接头的抗HIC性能均能满足相关要求,且采用三种强度匹配焊条焊接接头的裂纹长度敏感率(CLR)、裂纹厚度敏感率(CTR)以及裂纹敏感率(CSR)随着匹配强度的升高而升高;焊缝金属的C、P、S含量对HIC敏感性有显著影响,降低这些元素的含量有助于提高焊缝的抗HIC性能;微观组织观察表明,焊缝金属的组织类型和形态对HIC敏感性也有重要影响,热力学平衡且稳定的细小组织是抗HIC的理想组织。

电化学充氢条件下X70管线钢及其焊缝的氢致开裂行为

采用电化学充氢的方法研究了X70管线钢在不同浓度硫酸溶液中的氢致开裂(HIC)行为．结果表明,增大充氢电流密度、延长充氢时间以及降低充氢溶液的pH值能够促进氢进入X70钢基体．微观观察表明,X70钢中的非金属夹杂物如氮化物和氧化物等对其氢致开裂行为有不同的影响,氮化物夹杂并不是充氢裂纹的必然形核位置,而Mg,Al,Ca等的氧化物是更为有害的氢致裂纹源．通过氢渗透实验测得室温下氢在X70钢中的有效扩散系数为3．34×10-9cm2／s．对XT0管线钢基体及焊缝试样电化学预充氢后拉伸,焊缝试样的拉伸塑性较差,各项塑性指标在充氢前、后均低于X70钢基体材料．

管线钢中的硫化夹杂物与氢致开裂

研究了 5种材料在 NACE溶液和人工海水溶液中的氢致开裂 (Hydrogen - induced cracking,HIC)行为 ,结果表明 :当材料中存在硫化夹杂物时 ,氢致开裂敏感性增大。为了提高材料的抗氢致开裂性能 ,应控制其含量与形态。对于更恶劣的腐蚀环境 (酸性油气 ) ,管线钢抗 HIC的评价应采用 NACE标准进行氢致诱导开裂试验。

管线钢中带状组织与氢致开裂

研究了 6种材料在NACE溶液中的氢致开裂 (HIC)行为 .结果表明 :钢材中Mn ,P ,S的含量高时 ,带状组织明显增多 ,HIC敏感性提高 .为避免带状组织及氢致开裂 ,应控制钢材中的Mn ,P ,S含量 ,给出了Mn ,P ,S含量的推荐值 :wMn≤ 1.3% ,wP≤ 0 .0 10 % ,wS≤ 0 .0 0 1% .

运行管道在线焊接时的氢致开裂与防止方法

油气输送管道由于腐蚀或机械损伤引起的减薄区以及由于管道的大段破坏或工艺要求需要安装分输支管，通常要进行现场焊接操作。该操作如果在不停输的情况下进行，会大大减少由此引起的经济损失。但是在不停输情况下焊接，由于管内介质的流动而产生的快冷效果可能会形成热影响区（ＨＡＺ）的氢致开裂。为了避免氢致开裂获得优良的焊接接头，本文在低碳钢管的循环试验管道上初步研究了焊接残余应力、焊接区冷却速度、焊接工艺条件等因素对运行管道在线焊接时产生氢致开裂的影响。试验得出了一些有益的结果，为进一步深入研究奠定了基础。

不同时效状态下7050铝合金氢致开裂行为

采用电化学阴极渗氢、慢应变速率拉伸试验(SSRT)、定氢仪和扫描电子显微镜(SEM)研究了不同时效状态7050铝合金的氢致开裂行为,并应用自由电子理论计算了氢对铝合金晶界上原子结合力的影响。结果表明:氢在铝合金晶界上发生了偏聚,氢的偏聚增大了晶胞点阵常数,降低了晶界原子的平均结合能和原子间的结合力,从而使合金氢脆敏感性(IHE)增加。时效程度对7050铝合金的IHE有很大的影响。在同一充氢条件下,欠时效状态下的铝合金氢含量最大,氢脆效应也最明显,过时效氢含量最低,氢脆效应最弱,峰时效居中。

油井管钢氢致开裂门槛值研究

四种高强度油并管钢动态充氢时，进入试样的可扩散氢含量c0和充氢电流i成正比；而氢致断裂门槛应力σc与名义屈服强度σt之比和Inc0成正比，即σc／σt=A-BInc0．测量了四种钢在H2S中浸泡时进入试样的c0，求出相应的ic，用ic充氢时测出的门槛应力σc（H）／σt和H2S中应力腐蚀门槛应力σc（H2S）／σt相一致这表明，可用特定电流下的动态充氢来代替H2S应力腐蚀．

碳钢在湿硫化氢环境中的应力导向氢致开裂行为

选用石油行业常用的L360QS钢,采用NACE TM 0103标准试验,研究了应力集中系数和钢中的不均匀组织对碳钢在湿硫化氢环境中的应力导向氢致开裂(SOHIC)行为的影响。结果表明,应力导向氢致开裂是氢致开裂的一种特殊形式,典型的应力导向氢致开裂裂纹由平面裂纹和纵向裂纹组成。应力集中系数和钢中的不均匀组织对开裂行为有着显著的影响。应力集中系数超过6.3时,碳钢的开裂敏感性会增强。钢中的不均匀组织会为氢的聚集提供场所,巨大的氢压会产生氢致开裂类型的平面裂纹,纵向裂纹的产生受拉应力和氢压的双重作用。断口没有韧窝出现,说明典型的应力导向氢致开裂为脆性断裂。

影响X65管线钢抗氢致开裂性能的因素

依据GB 8650-2006试验标准,对3种不同成分、不同厚度的X65管线钢的抗氢致裂纹性能进行了研究,通过光学显微镜、扫描电镜、电子探针等分析了影响管线钢抗氢致开裂性能的主要因素。结果表明:成分偏析是导致材料抗氢致开裂性能下降的主要因素,马氏体和奥氏体组成的硬组织带是导致形成台阶状裂纹的直接原因,管线钢的抗氢致开裂性能与组织均匀程度密切相关。

X80管线钢氢致开裂研究

通过电化学充氢法研究了X80管线钢氢致裂纹(HIC)的种类及开裂特征,探讨了氢致开裂规律,对X80管线钢的氢致开裂影响因素进行了分析。结果表明:随充氢时间的延长和电流密度的增大,氢鼓泡的密度逐渐增大,体积先增大后趋于稳定;形成的氢致裂纹主要呈阶梯状,由直线型裂纹和"S型裂纹"组成,多以穿晶方式扩展,裂纹尖端沿着晶界萌生;X80管线钢中的带状组织是氢致裂纹萌生和扩展的聚集场所;非金属夹杂物是氢致裂纹萌生的裂纹源,其中较大尺寸的Al和Si的氧化物易于诱发"S型裂纹"形成,对管线钢抗氢致开裂的敏感性有很大影响。

连铸温度和低倍组织对轮箍钢氢致开裂的影响

研究了轮箍钢低倍组织和连铸温度对白点敏感性、断裂韧性的影响．结果表明,连铸温度对白点敏感性有影响,低温铸坯(尾坯)的白点敏感性略高于高温铸坯(头坯)．低倍组织对白点敏感性影响显著,柱状晶区的白点敏感性最低,等轴晶区的白点敏感性最高．但是,低倍组织和连铸温度对氢扩散和条件断裂韧性K_(IQ)均没有影响．