步冷及充氢对2.25Cr1Mo钢韧脆转温度的影响

汪逸安 谢国山 钱晓龙 中国特种设备检测研究院

步冷及充氢对2.25Cr1Mo钢韧脆转温度的影响

汪逸安 谢国山 钱晓龙 中国特种设备检测研究院

通过步冷处理对2.25Cr1Mo钢进行了回火脆化，通过电化学方法对回火脆化试样进行了充氢。测定了三种状态下，即原始状态、回火脆化状态及回火/充氢状态材料的韧脆转变温度。结果表明，回火/充氢状态的2.25Cr1Mo母材和焊缝韧脆转变温度最高，回火状态次之，原始状态最低。

2.25Cr1Mo 步冷处理 充氢 韧脆转变 温度

加氢反应器是加氢装置中的核心设备，由于长期在高温、高压、临氢等苛刻的环境下使用，设备材质面临一系列的损伤问题，包括回火脆化、氢脆、氢致裂纹、堆焊层剥离等[1]。其中材料的回火脆化、氢脆及两者的交互作用对加氢反应器的安全运行会造成很大的威胁。

CrMo钢因具有良好的抗氢腐蚀能力和高温强度性能而广泛的应用于制造加氢反应器[2]。而高温高压加氢反应器的操作温度工况恰在CrMo钢的回火脆性温度（375～575℃）范围内，会导致材料的韧性变差，其中尤以2.25Cr1Mo钢回火脆化敏感性较高[3]。脆化后材料中的微小裂纹很容易在开、停工过程中以及在压力波动情况下发生扩展。并且加氢反应器在使用过程中会有氢进入，当反应器由于停工或紧急情况而急冷时，氢来不及扩散出器壁，可能会引起氢脆，从而大大增加反应器的安全隐患。基于此，本文研究了回火脆化对2.25Cr1Mo冲击性能的影响，以及充氢对回火脆化的影响。

1 试验材料及方法

实验所用材料为2.25Cr1Mo焊接钢板，原始状态的母材和焊缝的化学成分见表1,力学性能见表2。

表1 2.25Cr1Mo原始状态母材和焊缝的化学成分 %

表2 2.25Cr1Mo原始状态母材和焊缝的力学性能

回火脆化通过步冷处理来实现，得到回火脆化态试样，步冷处理工艺曲线如图1所示。

图1 步冷处理工艺曲线

对回火脆化态试样再进行电化学充氢，得到回火/充氢态试样。充氢溶液为0.5MH2SO4+3.1×10-3MNa2S溶液，充氢时间为72h，充氢电流为0.3A，电化学充氢后的冲击试样中氢浓度为6mg/L。

冲击试验按照GB/T229-1994《金属夏比缺口冲击试验方法》进行。根据冲击韧性随温度的变化曲线确定被评定材料的54J能量转变温度（VTr54)，根据冲击韧性随断口形貌的变化曲线确定被评定材料的50%断口形貌转变温度（FATT)。

2 实验结果

图2示出了原始状态、回火状态及回火/充氢状态母材的冲击功及断口纤维率随温度的变化。图3示出了原始状态、回火状态及回火/充氢状态焊缝的冲击功及断口纤维率随温度的变化。从图2、图3可以看出，回火脆化态及回火/充氢态材料的冲击功-温度曲线及断口纤维率-温度曲线都向右移动，这表明材料发生了脆化。

图2 母材在三种状态下的冲击功(a)及断口纤维率随温度的变化(b)

图3 焊缝在三种状态下的冲击功(a)及断口纤维率随温度的变化(b)

通过对三种状态下母材和焊缝的冲击功及断口纤维率的测量，得到了三种状态下母材和焊缝的VTr54和FATT，数据见表3。

表3 母材和焊缝三种状态下的韧脆转变温度及脆化量

从表3中可以看出，回火后母材和焊缝均出现了一定程度的脆化，回火脆化状态及回火/充氢状态母材的脆化度（△VTr54）分别为8℃和20℃，回火脆化状态及回火/充氢状态焊缝的脆化度（△VTr54）分别为11℃和21℃。这表明充氢对母材和焊缝的韧脆转变温度有影响。从表中还可以看出，三种状态下焊缝的韧脆转变温度高于母材的韧脆转变温度，这表明焊缝是加氢反应器的薄弱环节。

大量研究表明，偏析会降低Fe原子在晶界处的结合力，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。而氢原子的进入会引起材料晶格的变化如氢致晶格畸变、氢致空位

和氢化物相析出等，这些变化会降低材料的韧性[4]。因此使回火/充氢状态的母材和焊缝韧脆转变温度进一步降低。

1 林建鸿,柳曾典,吴东棣.热壁加氢反应器运行过程中的材质劣化问题.石油化工设备技术,1997,(5)：4－20

2 邓康.加氢反应器材料选用,石油化工设备,2004,33(3)：67－69

3 郭为民,万嵘.加氢反应器!高压分离器用新材料的开发和应用.炼油设计2002,(10)：18－2

4 褚武扬,乔利杰,陈奇志,等.断裂与环境断裂.北京：科学出版社,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）