异质焊接接头残余应力及抗H2S腐蚀性能研究

摘要

近几年来我国越来越多地进口中东地区含硫原油。硫含量高不仅带来加工问题、环保问题，而且还带来了石油化工装置的腐蚀问题。目前石化装置中许多压力管道材料为20钢，为预防高硫腐蚀失效，一些在腐蚀环境下服役的管道需要提升材料级别。一般是将碳钢管道更换为0Cr18Ni9和1Cr5Mo，焊接材料使用A302或Inconel182。这就存在更换材料与原有碳钢之间的异质焊接。由于它们在化学成分、组织结构、机械性能及热物理性能存在差异，导致接头处存在复杂的残余应力分布。在易燃、易爆和有毒等腐蚀介质作用下容易引起应力腐蚀开裂。因此，如何预测和降低接头处的残余应力，对于保证异种钢焊接接头的可靠性具有重要的意义。
　　 本文针对20钢、0Cr18Ni9和1Cr5Mo及焊缝材料.A302或Inconel182之间异种钢焊接问题，通过对异质接头的力学性能试验、热应力数值分析、焊接残余应力模拟和测定、应力腐蚀试验等，研究了六种异质接头的残余应力及抗H2S应力腐蚀性能。主要工作和结论如下：
　　 (1)利用有限元法，模拟分析了异质接头20/1Cr5Mo和20/0Cr18Ni9从室温加热到450℃、1Cr5Mo/0Cr18Ni9从室温加热到500℃后的热应力分布情况，得出了热应力的分布规律。结果表明：采用A302焊接时，在焊缝或母材0Cr18Ni9熔合线及热影响区上有较大的轴向拉应力；而在母材1Cr5Mo或20钢的熔合线附近及热影响区处于胍应力或低拉应力状态。环向最大拉应力出现在1Cr5Mo或20钢上，而0Cr18Ni9上有较大的压应力或低拉应力。采用Inconel182代替A302焊接后，热应力的分布得到了很大的改善，应力值有了一定程度的下降。可见，采用Inconel182来代替A302能有效的改变接头热应力的分布，有利于提高接头的使用寿命。
　　 (2)对异质接头在室温和高温环境下分别进行力学性能拉伸试验，对比其室温与高温力学性能。接头1Cr5Mo/20和0Cr18Ni9/20的高温强度与室温相比，均有所下降，而延伸率有所提高；而接头0Cr18Ni9/1Cr5Mo的高温强度和韧性相比常温均有所下降。异质接头1Cr5Mo/0Cr18Ni9常温拉伸时，断裂主要产生在1Cr5Mo侧的熔合线处，而在高温下拉伸时，断裂位置却在0Cr18Ni9侧的熔合线。可见，高温下的0Cr18Ni9不锈钢强度有一定下降。而20/0Cr18Ni9和20/1Cr5Mo断裂均产生在20钢侧的熔合线处。
　　 (3)利用有限元软件ABAQUS，开发了一个顺次耦合的焊接残余应力有限元计算程序，对0Cr18Ni9/20、1Cr5Mo/20及1Cr5Mo/0Cr18Ni9异种钢焊接接头残余应力进行有限元分析。结果表明：无论是采用奥氏体不锈钢焊条A302还是镍基焊条Ineonel182，0Cr18Ni9/20钢和1Cr5Mo/20钢焊接接头中最大的轴向残余应力均产生在20钢侧的热影响区，1Cr5Mo/0Cr18Ni9焊接接头最大的轴向残余应力产生在1Cr5Mo侧热影响区；所有接头的环向应力相对于轴向应力较大，最大的均在两种材料热影响区。另外，采用Inconel182来代替A302可以有效地降低残余应力，提高抗应力腐蚀开裂的能力，对管道的更换以及异种钢焊接有一定的指导意义。
　　 (4)通过X射线衍射法测定了接头的外表面焊接残余应力分布。数据表明：在焊缝融合线及热影响区部位有较大的残余应力，而在焊缝上轴向残余应力偏小，而环向残余应力较大；用Inconel182的接头的残余应力测定值比用A302的焊接的接头要小，起到一定的改善作用。比较模拟结果与实验结果，残余应力的分布规律基本一致，验证了采用非线性有限元模拟研究焊接残余应力的有效性和正确性。
　　 (5)利用慢应变速率拉伸法，研究了六种异种钢焊接接头在1000ppm、2000ppm、饱和的湿H2S的NACE溶液下的应力腐蚀开裂行为，分析了不同H2S浓度及焊缝材料对接头应力腐蚀开裂的影响。研究结果表明：H2S浓度大于1000ppm后，应力腐蚀开裂较为敏感。H2S浓度再增加时，焊接接头1Cr5Mo/20刷0Cr18Ni9/1Cr5Mo的最大应力和延伸率明显下降，断裂时间明显缩短，应力腐蚀敏感性明显加强；而0Cr18Ni9/20最大应力、延伸率以及断裂时间变化不大，应力腐蚀敏感性受H2S浓度影响不大。采用镍基焊条后，明显提高了1Cr5Mo/20的抗腐蚀性能，而对0Cr18Ni9/20及0Cr18Ni9/1Cr5Mo抗腐蚀性能的影响不大。