CN107991455B

CN107991455B - 一种检验与研究hic试样裂纹的可靠方法

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Publication number: CN107991455B
Application number: CN201710948902.1A
Authority: CN
Inventors: 刘振伟; 孙鸣华; 孙宪进; 杨烽; 李曜; 余道军; 陈若进; 鲍雪君
Original assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Current assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Priority date: 2017-10-12
Filing date: 2017-10-12
Publication date: 2020-11-24
Anticipated expiration: 2037-10-12
Also published as: CN107991455A

Abstract

本发明涉及检验与研究HIC试样裂纹的可靠方法主要实验工序为：加工HIC试样；②清洗与储存试样；③浸泡试样；④除氧和H₂S导入；⑤pH值测定；⑥H₂S饱和状态下持续试验96小时；⑦取出试样；⑧无损检测；⑨切取试样；⑩磨制抛光切取样品断面；

试样的评定；

选择辅助焊接件；

焊接；

拉断；

去除辅助部分；

将裂开试样清洗干净后金相显微镜下测量裂纹面深度与宽度；

Description

一种检验与研究HIC试样裂纹的可靠方法

技术领域

本发明涉及材料HIC(Hydrogen-Induced Cracking)检验领域，属于材料检测技术领域。

背景技术

自从20世纪40年代通过处理酸性产品的容器，人们认识到HIC和氢鼓泡有关。此后不久，管线钢HIC也作为一种潜在问题被广泛接受。钢在湿的硫化氢环境下，吸氢产生的腐蚀影响取决于钢的性能、环境特征以及其他方面因素，对于管线钢和压力容器钢的一个不利影响是会产生沿轧制方向的裂纹，一个平面的裂纹倾向于连接临近层面的裂纹，从而产生沿厚度方向的阶梯状裂纹。这些裂纹减少有效壁厚直到管线钢或者压力容器超应力服役或破坏。有时裂纹伴随着表面氢鼓泡同时出现。已有报道将服役失效归因于这种裂纹。以前用阶梯状裂纹、氢压裂纹、鼓泡裂纹和氢致诱导阶梯状裂纹描述管线钢和压力容器用钢的裂纹类型，但是现在已经弃用，目前已经广泛运用氢致裂纹(HIC)来描述裂纹类型，并被NACE国际组织采用。现用标准为NACE TM0284和GB/T 8650标准，然而标准中针对裂纹的评价按照如下图1和图2所示取样，HIC标准试样尺寸为：长度100±1mm，宽度20±1mm；HIC试验后，需要检查垂直于轧制方向裂纹率。

现有试验方法在裂纹率测量上存在漏判或者误判的可能，即：如果检测面上刚好存在裂纹，检测出的结果真实反映了试样情况，如果检测面未通过裂纹区域，表征出的结果将被判为合格试样，检测结果存在漏判和误判，危害性极大。由于不能观察到整个裂纹形貌，同时也无法判断裂纹源等重要特征，所以无法确保研究HIC裂纹的产生机理的可靠性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种研究HIC试样裂纹可靠方法，改善以上不足，主要特征包括1)能够直接观察到HIC裂纹试样裂纹面形貌，包括启裂和扩展过程；2)通过焊接工艺的加热过程，可实现一次裂纹面染色，进而区分HIC裂纹试样一次裂纹面和二次裂纹面；3)可展现HIC裂纹试样所有裂纹面，避免裂纹的漏检，完整的反应裂纹面的形貌和尺寸。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种检验与研究HIC试样裂纹的可靠方法，包括如下步骤：

1)加工HIC试样：试样厚度与样品一致或最小为样品厚度的80％；

2)清洗与储存试样：测量试样的尺寸并观察试样表面是否存在毛刺、油渍、锈迹和加工问题，对所存在的问题做相应的处理，试验前，用丙酮对试件除油，然后用乙醇溶液进行清洗，试验结束后，应对试样进行清洗，去除表面的铁锈及沉积物；可用清洁剂和金属钢丝刷或轻度喷砂法清洁试样。严禁使用酸或其它会促进吸氢量增加的方法。

3)浸泡试样：试样放置在试验容器中，宽面直立，用架子(有机玻璃)将试样与容器及其它试样隔开，试样的纵轴可垂直或水平，试验容器中加入试验溶液；

上述试验溶液可以选在A溶液或B溶液中的任一种，其中A溶液应由含NaCl和CH3COOH的水溶液，初始pH值为2.7±0.1；B溶液是将人工海水充入试验容器中，并测量和记录pH值，其有效值为8.1～8.3范围内；

4)除氧和H2S导入：

试验容器底部引入氮气和H2S气体，密闭容器应用氮气进行除氧，除氧时间大于1小时，试验容器被充满后，应立即进行除氧处理，流速至少为100mL/min每升试验溶液；

除氧后，通入H2S气体，速率应至少为200mL/min每升试验溶液，持续时间为60分钟，然后必须保持H2S气体正压，测定试验溶液中H2S的浓度，H2S最小浓度应为2300ppm；

5)pH值测定：

试验开始时pH值：试验开始时的pH值应在H2S达到饱和状态后立即测量，A溶液的初始pH值应不超过3.3；B溶液的初始pH值应在4.8～5.4范围内，溶液饱和之后再以低流速(每分钟几个气泡)向溶液中继续充入H2S气体，直到到实验结束；

试验终止时pH值：试验终止时，应测定溶液的pH值，对溶液A，有效试验的pH值应不超过4.0；对B溶液，有效的pH值应在4.8～5.4范围内；

6)试液中H2S饱和状态下持续试验时间96小时以上；

7)取出试样：试样取出晾干后，打磨试样表面，观察是否存在氢鼓泡；

8)无损检测：超声波检测试样裂纹位置和形貌特征，并标识裂纹位置；

9)切取试样；针对步骤8检测到裂纹的试样，切取裂纹试样时的切面应处于裂纹相对最大部位，一般取两块待检测试样，对于步骤8没有检测到裂纹的试样，用线切割机按标准对样品位置及指标方向的要求切取三等分样品；

10)磨制抛光切取样品断面：沿着垂直于轧制方向的面进行磨制抛光；

11)试样的评定；对母材分层进行超声波检查和X射线检查，并计算每个试样的裂纹敏感率CLR、裂纹长度率CTR和裂纹厚度率CSR值；

针对步骤8检测到裂纹的试样继续以下步骤，

12)选择辅助焊接件：选取两根圆钢作为辅助件，与HIC试样内外表面垂直焊接；

13)焊接：采用气体保护焊将辅助焊接件与HIC试样内外表面处垂直焊接在一起，须保证辅助件与HIC试样完全焊透；

14)拉断：采用拉伸试验机夹紧焊接在试样两端的辅助焊接件，直至完全拉断试验；

15)去除辅助部分：去除试样上的辅助焊接件，用酒精液清洗试样，吹干待用；

16)将试样的裂开面在金相显微镜下测量裂纹面深度与宽度，作为裂纹率结果的参考值；

17)试验断开面的检测：

采用显微镜观察测量裂纹面长度和宽度，计算裂纹面率，裂纹面率＝裂纹面积/试样断口总面积；采用扫描电镜观察裂纹面细节，包括裂纹断裂面性质，夹杂物情况，裂纹起裂点，同时按照需要针对不同区域采用能谱分析方法检测不同区域裂纹成分情况。

应当注意的是，步骤1)中样壁厚应为样品的整个壁厚，最多允许从内、外表面各去除1mm，试样坯料不应被矫平，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％，对于弧形试样坯料不应被矫平；

每件样品取三个试样，试样应从焊缝、焊缝90°以及180°位置各取一个试样，从样品上取下的试样应满足：

1)无缝管和纵向焊管的母材金属，应平行于管的纵轴；

2)螺旋焊管的母材金属，应平行于焊缝；

3)焊管的焊接区，应垂直于焊缝；

4)小直径电阻焊管的焊接区，应平行于焊缝，焊缝应近似位于试样的中线上。

作为优选，步骤3)中所述试验溶液可以选在A溶液或B溶液中的任一种，其中A溶液应由含5.0％(wt)NaCl和0.50％(wt)CH₃COOH的蒸馏或去离子水构成；初始pH值为2.7±0.1，所有加入试验溶液试剂的数量误差不能超过给定量的±1.0％；B溶液是将人工海水充入试验容器中，并测量和记录pH值，其有效值为8.1～8.3范围内。

优选地，步骤6中初期导入H2S气体60分钟后，作为试验开始计时时间。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

在切取试样前增加了无损检测项目，对试样进行超声或者磁粉检验，并标定缺陷的位置。切取裂纹试样时，切面应处于裂纹相对最大部位，将试板切成2块；针对裂纹试样，在步骤11工序后继续对试样进行拉断检测，选择辅助焊接件、焊接(如下图4和5所示所示)、拉断、去除辅助部分、将断开试样清洗干净后金相显微镜下测量裂纹面深度与宽度、更深入研究裂纹断面。

本方法可结合标准NACE TM0284和GB/T 8650使用，对于检测和研究HIC裂纹情况提供了有效的方法，能够直观的观察到裂纹面整个特征情况，通过焊接两端的辅助件，宏观上，表现较为平整的区域为裂纹面，裂纹面分为一次裂纹面和二次裂纹面；高凸不平区域为韧性止裂区域，这些重要信息在NACE TM0284和GB/T 8650标准中是无法获得的，对于科研人员，在研究HIC裂纹试样起裂扩展机理上意义重大。

本方法主要是在NACE TM0284和GB/T 8650标准中“步骤11用金相显微镜观测每个断面的裂纹率”检测完成后进行的，同时增加了无损检测项目，对HIC试样裂纹情况有初步了解，本方法保留了NACE TM0284和GB/T 8650标准对裂纹率的计算，因此本方法不会对现有标准NACE TM0284和GB/T 8650中所有条款产生影响，而是对现有标准对裂纹检测和研究的有效补充，为科研人员研究HIC试样开裂机理及失效分析提供一种可靠的方法。

本申请的显著进步体现在1)可以直接观察到裂纹面形貌，包括启裂和扩展过程。2)可避免从HIC试验后取出的金相样硝酸酒精酸蚀的影响。3)通过焊接工艺的加热过程，可实现一次裂纹面染色，进而区分一次裂纹面和二次裂纹面。4)可展现所有裂纹面，避免裂纹的漏检，完整的反应裂纹面的形貌和尺寸。

附图说明

图1为NACE TM0284标准中对螺旋焊管焊缝区域取样位置说明；

图2为NACE TM0284标准中对螺旋缝埋弧焊管母材取样位置说明；

图3为NACE TM0284标准中对裂纹长度与宽度测量示意图说明；

图4为本发明实施例中试样与焊接辅助件的位置布图；

图5为本发明实施例中试样与焊接辅助件的焊接示意图；

图6为本发明实施例中拉伸试验机拉断焊接试样所得试样断开后的裂纹面；

图7为试验容器内试样的排列方式。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

以X52MS抗酸管线钢为检测对象，试验卷板化学成分C：0.05；Si：0.24；Mn：1.14；P：0.009；S：0.0008；Cr：≤0.30；Nb+Ti+V：0.051；Ni+Cr+Cu：0.29；Cr+Mo+Mn：1.37；其余为Fe，其中CEpcm：0.19；Ceq：0.30；钢管壁厚为12mm，。本实施例X52MS钢级直缝埋弧焊管HIC试验步骤如下：

1、加工HIC试样。

1.1试样尺寸；

应为100±1mm长，20±1mm宽，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。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，应从钢管上取的弧形试样进行试验，试样坯料不应被矫平。

1.2试样数量、位置和方向；

每根试验管取三个试样。试样应从焊缝、焊缝90°以及180°位置各取一个试样，从钢管上取下的试样应：

1)无缝管和纵向焊管的母材金属，应平行于管的纵轴；

2)螺旋焊管的母材金属，应平行于焊缝；

3)焊管的焊接区，应垂直于焊缝；

4)小直径电阻焊管的焊接区，应平行于焊缝。焊缝应近似位于试样的中线上。

1.3试样制作；

1.可通过任意一种方便的方法切取试样坯料。如坯料是采用气割，则应通过磨、锯或机加工等方法将表面的热影响区全部去掉。

2.每个试样的六个表面应水磨或干磨，然后对所有试样表面用320#砂纸打磨抛光。对试样加工的最后两道工序应确保去除材料的最大量为0.05mm。

3.试验时试样六个表面均应暴露在试验溶液中，试样的任何切面不许带有涂层。

2、清洗与储存试样；

对来样进行试验前的登记与打号。测量试样的尺寸并观察试样表面是否存在毛刺、油渍、锈迹和加工问题，对所存在的问题做相应的处理。

试验前，用丙酮对试件除油，然后用乙醇溶液进行清洗。

脱脂后，试样应存放在干燥器中，存放时间不大于24小时。如果存放时间过长，在试验前，应重新进行脱脂处理。

试验结束后，应对试样进行清洗，去除表面的铁锈及沉积物。可用清洁剂和金属钢丝刷或轻度喷砂法清洁试样。严禁使用酸或其它会促进吸氢量增加的方法。

3、浸泡试样；

试样放置在试验容器中,宽面直立，用有机玻璃制成的架子将试样与容器及其它试样隔开，试样的纵轴可垂直或水平。(见图7)。

试验溶液体积与试样总表面积的最小比率为3mL/cm2。并保证试样完全浸没在溶液中。A溶液应由含5.0％NaCl(wt)和0.50％(wt)CH3COOH的蒸馏或去离子水构成，例如：50.0g NaCl和5.00g的CH3COOH应溶解在每945g蒸馏或去离子水中。初始pH值为2.7±0.1，所有加入试验溶液试剂的数量误差不能超过给定量的±1.0％。如果使用B溶液，将人工海水充入试验容器中，并测量和记录pH值，其有效值为8.1～8.3范围内。之后，进行除氧和导入H₂S气体。

4、除氧和H₂S导入；

应从试验容器底部引入氮气和H₂S气体。

密闭容器应用氮气进行除氧，除氧时间大于1小时。试验容器被充满后，应立即进行除氧处理，流速至少为100mL/分每升试验溶液。

除氧后，通入H₂S气体，速率应至少为200mL/分每升试验溶液，持续时间为60分钟。然后，必须保持H₂S气体正压。用碘滴定法测定试验溶液中H2S的浓度，H2S最小浓度应为2300ppm。

5、PH值测定；

试验开始时pH值：试验开始时的pH值应在H₂S达到饱和状态后立即测量，A溶液的初始pH值应不超过3.3；B溶液的初始pH值应在4.8～5.4范围内。溶液饱和之后再以低流速(每分钟几个气泡)向溶液中继续充入H₂S气体，直到到实验结束。

试验终止时pH值：试验终止时，应测定溶液的pH值。对溶液A，有效试验的pH值应不超过4.0；对B溶液，有效的pH值应在4.8～5.4范围内。

6、H₂S饱和状态下持续试验时间为96小时；

初期导入H₂S气体60分钟后，为试验开始计时时间。

7、取出试样；

试样取出晾干后，用600#砂纸打磨表面，观察是否存在氢鼓泡。

8、无损检测；

作为优选，本方法选用超声波检测试样裂纹位置和形貌特征，并标识裂纹位置。

9、切取试样：针对裂纹试样，在原标准基础上，稍加改动，根据无损检测结果，切取裂纹试样时的切面应处于裂纹相对最大部位，待检测试样为2块，而非用线切割机按标准对样品位置及指标方向的要求切取三等分样品；对于无裂纹试样，采用原方法检验。

10、磨制抛光切取样品断面：沿着垂直于轧制方向的面进行磨制抛光(如图1或图2)。

11、试样的评定；

对母材分层进行超声波检查和X射线检查。同时计算每个试样的裂纹敏感率CLR、裂纹长度率CTR和裂纹厚度率CSR值。

12、选择辅助焊接件；

φ18*60mm圆棒2根作为辅助件，用以与HIC试样内外表面垂直焊接(如图5所示)。

13、焊接：采用气体保护焊将辅助焊接件与HIC试样内外表面处垂直焊接在一起(如图5所示)，须保证辅助件与HIC试样完全焊透。

14、拉断：采用拉伸试验机，夹头夹持焊接好的试样辅助部分，直至完全拉断。

15、去除辅助部分：锯床锯掉辅助件，并用酒精清洗掉试样上冷却液，吹干待用。

16、将裂开试样清洗干净后金相显微镜下测量裂纹面深度与宽度：采用游标卡尺测量裂纹面深度和宽度，作为裂纹率结果的参考值。

17、更深入研究裂纹断面；

掰开后的断面分析分为两个步骤研究(如图6所示)，

1)采用单目单筒体视显微镜ZOOM-100观察测量裂纹面长度和宽度，可以计算裂纹面率，即：裂纹面率＝裂纹面积/试样断口总面积。

2)采用扫描电镜高倍下观察裂纹面细节，包括裂纹断裂面性质，夹杂物情况，裂纹起裂点等问题，同时针对不同区域采用能谱分析方法检测不同区域裂纹成分情况。

除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种检验与研究HIC试样裂纹的可靠方法，其特征在于：包括如下步骤：

1）加工HIC试样：试样厚度与样品一致或最小为样品厚度的80%；

2）清洗与储存试样：测量试样的尺寸并观察试样表面是否存在毛刺、油渍、锈迹和加工问题，对所存在的问题做相应的处理，试验前，用丙酮对试件除油，然后用乙醇溶液进行清洗，试验结束后，应对试样进行清洗，去除表面的铁锈及沉积物；

3）浸泡试样：试样放置在试验容器中，宽面直立，用架子将试样与容器及其它试样隔开，试样的纵轴可垂直或水平，试验容器中加入试验溶液；

上述试验溶液可以选自A溶液或B溶液中的任一种，其中A溶液应为含NaCl和 CH₃COOH的水溶液，初始pH值为2.7±0.1；B溶液是将人工海水充入试验容器中，并测量和记录pH值，其有效值为8.1～8.3范围内；

4）除氧和H₂S导入：

试验容器底部引入氮气和H₂S气体，密闭容器应用氮气进行除氧，除氧时间大于1小时，试验容器被充满后，应立即进行除氧处理，流速至少为100mL/min每升试验溶液；

除氧后，通入H₂S气体，速率应至少为200 mL/min每升试验溶液，持续时间为60分钟，然后必须保持H₂S气体正压，测定试验溶液中H₂S的浓度，H₂S最小浓度应为2300ppm；

5）pH值测定：

试验开始时pH值：试验开始时的pH值应在H₂S达到饱和状态后立即测量，A溶液的初始pH值应不超过3.3；B溶液的初始pH值应在4.8～5.4范围内，溶液饱和之后再以低流速即每分钟几个气泡向溶液中继续充入H₂S气体，直到到实验结束；

6）试液中H₂S饱和状态下持续试验时间96小时以上；

7）取出试样：试样取出晾干后，打磨试样表面，观察是否存在氢鼓泡；

8）无损检测：超声波检测试样裂纹位置和形貌特征，并标识裂纹位置；

9）切取试样：针对步骤8）检测到裂纹的试样，切取裂纹试样时的切面应处于裂纹相对最大部位，一般取两块待检测试样，针对步骤8）没有检测到裂纹的试样，用线切割机按标准对样品位置及指标方向的要求切取三等分样品；

10）磨制抛光切取样品断面：沿着垂直于轧制方向的面进行磨制抛光；

11）试样的评定：对母材分层进行超声波检查和X射线检查，并计算每个试样的裂纹敏感率CLR、裂纹长度率CTR和裂纹厚度率CSR值；

针对步骤8）检测到裂纹的试样继续以下步骤

12）选择辅助焊接件：选取两根圆钢作为辅助件，与HIC试样内外表面垂直焊接；

13）焊接：采用气体保护焊将辅助焊接件与HIC试样内外表面处垂直焊接在一起，须保证辅助件与HIC试样完全焊透；

14）拉断：采用拉伸试验机夹紧焊接在试样两端的辅助焊接件，直至完全拉断试样；

15）去除辅助部分：去除试样上的辅助焊接件，用酒精液清洗试样，吹干待用；

16）将试样的裂开面在金相显微镜下测量裂纹面深度与宽度，作为裂纹率结果的参考值；

17）试验断开面的检测：

采用显微镜观察测量裂纹面长度和宽度，计算裂纹面率，裂纹面率=裂纹面积/试样断口总面积；采用扫描电镜观察裂纹面细节，包括裂纹断裂面性质、夹杂物情况和裂纹起裂点，同时按照需要针对不同区域采用能谱分析方法检测不同区域裂纹成分情况。

2.根据权利要求1所述的检验与研究HIC试样裂纹的可靠方法，其特征在于：步骤1）中样壁厚应为样品的整个壁厚，最多允许从内、外表面各去除1mm，试样坯料不应被矫平，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％，对于弧形试样坯料不应被矫平。

3.根据权利要求1所述的检验与研究HIC试样裂纹的可靠方法，其特征在于：步骤1）中每件样品取三个试样，试样应从焊缝、焊缝90°以及180°位置各取一个试样，从样品上取下的试样应满足：

1）无缝管和纵向焊管的母材金属，应平行于管的纵轴；

2）螺旋焊管的母材金属，应平行于焊缝；

3）焊管的焊接区，应垂直于焊缝；

4）小直径电阻焊管的焊接区，应平行于焊缝，焊缝应近似位于试样的中线上。

4.根据权利要求1所述的检验与研究HIC试样裂纹的可靠方法，其特征在于：步骤1）中每个试样的表面应水磨或干磨，然后对所有试样表面用320#砂纸打磨抛光，对试样加工的最后两道工序应确保去除材料的最大量为0.05mm。

5. 根据权利要求1所述的检验与研究HIC试样裂纹的可靠方法，其特征在于：步骤3）中所述试验溶液可以选自A溶液或B溶液中的任一种，其中A溶液应由含5.0 wt% NaCl和 0.50wt %CH₃COOH 的蒸馏或去离子水构成；初始pH值为2.7±0.1，所有加入试验溶液试剂的数量误差不能超过给定量的±1.0%；B溶液是将人工海水充入试验容器中，并测量和记录pH值，其有效值为8.1～8.3范围内。

6.根据权利要求1所述的检验与研究HIC试样裂纹的可靠方法，其特征在于：步骤6）中初期导入H₂S气体60分钟后，作为试验开始计时时间。