CN110455700A - 小直径薄壁管氢致开裂试验方法与评价方法 - Google Patents

小直径薄壁管氢致开裂试验方法与评价方法 Download PDF

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Abstract

一种小直径薄壁管氢致开裂试验方法与评价方法，该试验方法包括以下步骤：S1、小直径薄壁沿着长度方向截断成若干根环形管段作为试样原管；S2、试验前测量每个试样原管的几何尺寸，并进行脱脂处理；S3、将试样原管置于试样容器中，将试样原管固定；S4、在试验容器中对试样进行试验处理，记录试样原管试验处理后表面情况；S5、获取金相面；S6、标记每一个裂纹并计算裂纹率。本发明解决了试样难以制作和金相检查面难以制备的问题；明确了小直径薄壁钢管的氢致开裂裂纹认定方法和裂纹尺寸测量方法；将不在标准适用范围内的钢管，参照本发明的试验方法进行试验和裂纹统计，使其适用于现有的标准评价体系。

Description

小直径薄壁管氢致开裂试验方法与评价方法
技术领域
本发明涉及于材料检测领域，尤其涉及小直径薄壁管氢致开裂试验方法与评价方法。
背景技术
随着国民经济的快速发展，能源的需求量越来越大，国家对环境保护的要求也越来越高，能源结构逐渐发生了变化，石油、天然气的消耗量逐年上升，大有代替煤炭成为主要能源的趋势。管线钢作为石油、天然气资源的主要运输载体，使用量逐年增加，但伴随着油气田的开发和进口高硫原油加工量的不断增加，硫化氢介质腐蚀破坏已经渗透到石油天然气的钻采、输送和加工行业。越来越多的管道在湿硫化氢环境中发生腐蚀开裂。氢致开裂是其中最常见的一种腐蚀开裂，为此各国针对氢致开裂制定了相关的检测标准，目前国内应用最广泛的氢致开裂检验标准主要为GB/T 8650-2015《管线钢和压力容器钢抗氢致开裂评定方法》和NACE TM0284-2016Laboratory Testing of Metals for Resistance toSulfide Stress Cracking and Stress Corrosion Cracking in H2S Environments,其对小直径管的适用范围是公称直径为DN50～150mm、壁厚≤6mm的电阻焊和无缝钢管，对于直径小于50mm的钢管目前标准并未规定如何进行氢致开裂试验。换热管作为换热器中的主要部件，通常使用小直径薄壁钢管，这类管线钢恰好不在氢致开裂试验标准的适用范围内，而相关的技术文件一般都要求该类钢管参照GB/T 8650或NACE TM0284进行氢致开裂试验。现有的技术方案并不能真实的反应氢致开裂试样的腐蚀情况，其试验结果与实际结果相比偏小，进而导致石化装备的安全长周期运行出现安全隐患。
裂纹的认定与裂纹的几何尺寸对小直径薄壁钢管的氢致开裂试验结果有着显著的影响。现行的氢致开裂试验标准规定“试样上、下表面1mm以内的裂纹不算做氢致开裂的裂纹”，这对薄壁钢管的氢致开裂试验结果评定影响显著，薄壁钢管试样的壁厚本来就很薄，去除内壁和外壁1mm以内的裂纹不计算为氢致开裂裂纹，会极大的放大薄壁钢管的使用风险。如对于壁厚为2.5mm的换热管试样，去除内壁和外壁的氧化皮，就会使试样的实测壁厚接近2mm，试验后内壁和外壁1mm以内的裂纹不参与裂纹率的计算，导致壁厚≤2.5mm的钢管基本可以不必进行氢致开裂性能试验，因为在现有的规定下，即使有裂纹，该裂纹也很可能不被认可为氢致开裂裂纹，这为设备的安全长周期运行埋下可很大的隐患。针对小直径薄壁钢管的氢致开裂裂纹应有自己的规定，由于试样表面氢鼓泡和试样内部的氢致开裂裂纹的形成机理是一致的，试样表面氢鼓包形成的裂纹也是氢致开裂的裂纹。
钢管中的氢致开裂裂纹与钢板中的氢致开裂裂纹存在些许区别，钢管的氢致开裂裂纹可能呈现为不规则状。不规则状的裂纹在几何尺寸测量上与试样的摆放位置密切相关，同一条裂纹，不同视角的观察，表现出的裂纹几何尺寸差异明显，而薄壁管件对裂纹厚度率非常敏感，对裂纹长度与厚度的界定会影响最终结果的评判，但目前针对小直径薄壁管材氢致开裂裂纹长度与厚度的界定没有统一的规定可供参考执行。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，为此，本发明提供小直径薄壁管氢致开裂试验方法与评价方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
S1、小直径薄壁管经过外壁和内壁处理除去氧化层或锈蚀层，保证小直径薄壁管设定壁厚与表面粗糙度，然后沿着长度方向截断成若干根单位长度的环形管段或沿轴向剖开得到的弧形段作为试样原管；
S2、试验前测量每个试样原管的几何尺寸，并进行脱脂处理；
S3、将试样原管置于试验容器中，试样原管之间相互间隔不小于设定距离，将试样原管固定；
S4、在试验容器中对试样进行氢致开裂腐蚀试验，待试验结束后取出试样原管清洗干燥后拍照，记录试样原管腐蚀后表面情况；
S5、获取金相面，当试样原管为母材或直焊缝时，将试样原管按长度方向进行多份等分，等分面作为金相检查面；当试样原管为环形焊缝试样时，将环形焊缝试样在长度方向上进行N等分形成N个焊缝试样子段；每个焊缝试样子段两端面的水平切割后的上表面作为金相检查面，每一个金相检查面到对应焊缝试样子段上表面的距离不同；
S6、标记金相检查面上的每一个裂纹。
对小直径薄壁管氢致开裂试验方法后获取的数据进行评价的方法，包括以下步骤：
S7、设定平行于试样原管中性层(102)的方向为裂纹(104)的长度方向，垂直于试样原管中性层(102)的方向为裂纹(104)的厚度方向，将显微镜对准裂纹(104)所在位置，对于母材或直焊缝试样通过旋转试样原管来转换扫描视场，获得每一个裂纹(104)对应尺寸，不同裂纹(104)所在圆弧的周长统一以中性层(102)的周长作为计算依据；
S8、计算单个检查面裂纹率，其计算公式为：
其中a表示裂纹(104)的长度，b表示裂纹(104)的厚度，对于母材或直焊缝L表示试样原管中性层(102)的周长，T表示试样原管壁厚；对于环焊缝试样，L表示试样原管检查面212的长度，T表示试样检查面212与钢管单侧壁重叠的宽度。
本发明的优点在于：
(1)本发明以环形管整管或沿直径剖开得到的弧形段的方式进行氢致开裂试验，相对于GB/T 8650-2015标准中的舟型试样需要取设定宽度，本发明解决了试样难以制作和金相检查面难以获得的问题。
(2)针对小直径薄壁钢管的氢致开裂裂纹认定建立新的规定，由于试样表面氢鼓泡和试样内部的氢致开裂裂纹的形成机理是一致的，本发明将试样表面氢鼓包形成的裂纹也算做是氢致开裂的裂纹，即试样检查截面上的裂纹都是氢致开裂裂纹。
(3)本发明规定按照步骤S7和步骤S8提供了一套裂纹长度与裂纹厚度的界定方法。该方法消除了因为视角转换的原因导致裂纹的几何尺寸认定发生改变，实际操作过程中，可将显微镜物镜对准裂纹所在位置，对于母材或直焊缝试样，通过旋转而非平移试样来转换扫查视场，得到的裂纹长度与裂纹厚度非常容易确定，且此时放大100倍的视野中裂纹尺寸的测量不再考虑弧度的影响。由于是薄壁钢管，不同裂纹所在的圆周弧长并不相等也不考虑，统一以中性层的周长计量。
(4)本发明中虽然扩大了检查范围，提高了发现裂纹的可能，使得检验的结果更符合实际，从而为石化设备的安全长周期运行提供基础保证。
(5)本发明明确了裂纹长度与裂纹厚度的界定和小直径薄壁钢管氢致开裂裂纹的界定，增大了检查范围，检查更全面。
附图说明
图1为试样原管为母材时金相检查面的位置示意图。
图2为试样原管为焊缝试样时金相检查面的位置示意图。
图3为裂纹几何尺寸界定示意图。
图中标注符号的含义如下：
11-母材 12/212-金相检查面
21-焊缝试样211-焊缝 213-试样断面
101-外壁 102-中性层 103-内壁 104-裂纹
具体实施方式
实施例1
小直径薄壁管氢致开裂试验方法，包括以下步骤：
S1、小直径薄壁管经过外壁101和内壁103处理除去氧化层或锈蚀层，保证小直径薄壁管设定壁厚，然后沿着长度方向截断成3根单位长度为100±1mm长的环形管段作为试样原管；3根样品分别标号为10(HSC)-HIC-11，10(HSC)-HIC-12，10(HSC)-HIC-13。
在方案中，小直径薄壁管采用耐硫化氢腐蚀的10(HSC)钢管。规格为Φ25*2.5mm。内壁103和外壁101精车后截取100±1mm的管段，长度方向沿钢管的轧制方向。采用320#砂纸沿一个方向打磨试样表面形成试样原管。对外壁101的处理方式是通过车床精车后用砂纸打磨，对内壁103的处理方式是通过镗、磨、喷砂等工艺进行处理。处理后，试样原管的壁厚至少为小直径薄壁管壁厚的80％。
S2、实验前测量每个试样原管的几何尺寸，并进行脱脂处理；脱脂是通过将试样原管放入到超声清洗机内进行超声清洗，所述超声清洗机内设置有脱脂剂，在该实施例中，脱脂剂包括丙酮和无水乙醇。
S3、将试样原管置于试样容器中，试样原管之间相互间隔不小于设定距离，设定距离不小于6mm，将试样原管固定，保证试验溶液可以充分的对流，由于采用的是整管试样，试验过程中试样应加以固定，防止试样滚动和接触。
S4、在实验容器中对试样进行试验处理，然后取出试样原管清洗干燥后拍照，记录试样原管试验处理后表面情况；
对试样进行试验处理按照NACE TM0284标准规定进行，具体步骤如下：
S41、密封容器，向容器中注入高纯氮气，高纯氮气流速为每升容积至少100mL/min，时间至少1h，试样容器的容积尽量控制在10L以内；
S42、配置试验所需溶液，所述溶液采用标准规定的A溶液(即5％NaCl+0.5％CH3COOH)，记录溶液初始pH，初始pH为2.7±0.1，并将溶液置于密封的配液容器内，向配液容器通入高纯氮气除氧至少1h，流速为每升溶液至少100mL/min；
S43、将配液容器中除过氧的试验溶液导入试样容器中，试验溶液量与试样表面积之比不少于3mL/cm2，导入后，继续对试样容器除氧1h，流速为每升溶液至少100mL/min；
S44、关闭高纯氮气阀；打开硫化氢阀，向试样容器和配液容器中通入硫化氢气体，流速为每升溶液不小于200mL/min，时间至少1h，采用碘量法测定试样容器中溶液的硫化氢含量，测量结果显示溶液中的硫化氢浓度为2657ppm，接着测量溶液的pH值，结果显示为3.1，调小硫化氢流量为每分钟几个泡，保持硫化氢气体为微正压，持续96h，直到试验结束时，测量试样容器中溶液的pH值为3.8。
S5、获取金相面，当试样原管为母材11或直焊缝时，将试样原管按长度方向进行四等分，等分面作为金相检查面12；在图1中等分成4份，即图1中可以看到中部的3个等分面作为金相检查面12。综上，不管试样原管是母材试样11还是直焊缝试样，均包括9个金相检查面12。分别标号为111面，112面，113面，121面，122面，123面，131面，132面，133面。
S6、记录的金相检查面12上的裂纹104包括试样原管试验处理后表面鼓包形成的裂纹104，共发现18条裂纹104。
对上述的小直径薄壁管氢致开裂试验方法后获取的数据进行评价的方法，包括以下步骤：
S7、设定平行于试样原管中性层102的方向为裂纹104的长度方向，垂直于试样原管中性层102的方向为裂纹104的厚度方向，将显微镜对准裂纹104所在位置，通过旋转试样原管来转换扫描视场，不同裂纹104统一以中性层102的周长计量，获得每一个裂纹104对应尺寸；
S8、计算单个检查面裂纹104率，公式为：
其中a表示裂纹104的长度，b表示裂纹104的厚度，L表示试样原管中性层102的周长，T表示试样原管壁厚；在图3中以2个裂纹104为例，长度分别为a1和a2，宽度分别为b1和b2。
在步骤S6中分别测量和记录每条裂纹104的长度和宽度如表1所示，这些裂纹104完全处在试样内壁103和外壁101的1mm范围内。
表1
参照GB/T 8650-2015标准的要求，对于小直径薄壁无缝钢管，试样的厚度至少为管壁厚度的80％，结合试样评价时对裂纹104的要求，处在内壁103和外壁101的1mm以内的裂纹104不能算作是试样内部的裂纹104，裂纹104统计过程中不做统计，评价结果如表2所示。
表2
按照本发明规定的方法进行的氢致开裂裂纹104评价结果如表3所示：
表3
从上述对比可以看出，本发明中虽然扩大了检查范围，提高了发现裂纹104的概率，检查更全面，有助于湿硫化氢环境下石化设备的安全长周期运行。
实施例2
与实施例1不同之处在于，本实施例中的试样为环形焊缝试样21。在获取金相检查面时，如图2所示，将环焊缝试样21在长度方向上进行三等分形成三个焊缝试样子段,等分面为试样断面213；每个焊缝试样子段平行于轴向切割后的上表面作为金相检查面212，即获得3个金相检查面212。每一个金相检查面212到对应焊缝试样子段上表面的距离不同，在该实施例中，金相检查面212到对应焊缝试样子段上表面的距离分别是D/4，D/2，3D/4。三根试样共获得9个检查面，分别标号为111面，112面，113面，121面，122面，123面，131面，132面，133面。焊缝试样中间的焊缝211为两个母材11连接处。
记录的金相检查面212上的所有裂纹104包括试样原管试验处理后表面鼓包形成的裂纹104。
计算单个检查面裂纹104率，对于环焊缝试样其计算公式为：
其中a表示裂纹(104)的长度，b表示裂纹(104)的厚度，L表示试样原管检查面212的长度，T表示试样检查面212与钢管单侧壁重叠的宽度；
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (10)

1.小直径薄壁管氢致开裂试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、小直径薄壁管经过外壁(101)和内壁(103)处理除去氧化层或锈蚀层，保证小直径薄壁管设定壁厚与表面粗糙度，然后沿着长度方向截断成若干根单位长度的环形管段或沿轴向剖开得到的弧形段作为试样原管；
S2、试验前测量每个试样原管的几何尺寸，并进行脱脂处理；
S3、将试样原管置于试验容器中，试样原管之间相互间隔不小于设定距离，将试样原管固定；
S4、在试验容器中对试样进行氢致开裂腐蚀试验，待试验结束后取出试样原管清洗干燥后拍照，记录试样原管腐蚀后表面情况；
S5、获取金相面，当试样原管为母材(11)或直焊缝时，将试样原管按长度方向进行多份等分，等分面作为金相检查面；当试样原管为环形焊缝试样(21)时，将环形焊缝试样(21)在长度方向上进行N等分形成N个焊缝试样(21)子段；每个焊缝试样(21)子段两端面的水平切割后的上表面作为金相检查面，每一个金相检查面到对应焊缝试样(21)子段上表面的距离不同；
S6、标记金相检查面上的每一个裂纹(104)。
2.根据权利要求1所述的小直径薄壁管氢致开裂试验方法，其特征在于，在步骤S1中，对外壁(101)的处理方式是通过车床精车后用砂纸打磨或喷砂工艺进行处理，对内壁(103)的处理方式是通过镗、磨、喷砂工艺进行处理。
3.根据权利要求2所述的小直径薄壁管氢致开裂试验方法，其特征在于，为保证氧化层或锈蚀层去除干净，应尽可能多的去除试样表面的材料，所述试样原管的厚度至少为小直径薄壁管厚度的80％，且内外壁最多去除1mm。
4.根据权利要求1所述的小直径薄壁管氢致开裂试验方法，其特征在于，在步骤S4中试验处理的步骤如下：
S41、密封容器，向容器中注入高纯氮气；
S42、配置试验所需溶液，记录溶液初始pH，而后将溶液置于密封的配液容器内，向配液容器通入高纯氮气除氧；
S43、将配液容器中除过氧的试验溶液导入试样容器中，试验溶液量与试样表面积之比至设定范围，导入后，继续对试样容器除氧；
S44、向试样容器中通入硫化氢气体，而后采用碘量法测定试样容器中溶液的硫化氢含量，当硫化氢达到饱和时，记录溶液的pH值，而后调小硫化氢流量，保持硫化氢气体为微正压，持续到试验结束，试验结束时记录试样容器中溶液的pH值。
5.根据权利要求1所述的小直径薄壁管氢致开裂试验方法，其特征在于，在步骤S5中，当试样原管为环形焊缝试样(21)时，金相检查面到对应焊缝试样(21)子段上表面的距离分别是M*D/(N+1)，其中M＝1,2,3……N。
6.根据权利要求1所述的小直径薄壁管氢致开裂试验方法，其特征在于，在步骤S6中，记录的金相检查面上的裂纹(104)包括试样原管试验处理后表面鼓包形成的裂纹(104)。
7.根据权利要求1所述的小直径薄壁管氢致开裂试验方法，其特征在于，所述试样原管在每组试验中的数量为3个。
8.根据权利要求5所述的小直径薄壁管氢致开裂试验方法，其特征在于，每根原管的金相检查面数量均为3个。
9.根据权利要求1所述的小直径薄壁管氢致开裂试验方法，其特征在于，在步骤S2中脱脂是通过将试样原管放入到超声清洗机内，所述超声清洗剂内设置有脱脂剂。
10.对权利要求1-9任意一项所述的小直径薄壁管氢致开裂试验方法后获取的数据进行评价的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S7、设定平行于试样原管中性层(102)的方向为裂纹(104)的长度方向，垂直于试样原管中性层(102)的方向为裂纹(104)的厚度方向，将显微镜对准裂纹(104)所在位置，对于母材或直焊缝试样通过旋转试样原管来转换扫描视场，获得每一个裂纹(104)对应尺寸，不同裂纹(104)所在圆弧的周长统一以中性层(102)的周长作为计算依据；
S8、计算单个检查面裂纹率，其计算公式为：
其中a表示裂纹(104)的长度，b表示裂纹(104)的厚度，对于母材或直焊缝，L表示试样原管中性层(102)的周长，T表示试样原管壁厚；对于环焊缝试样L表示试样原管检查面212的长度，T表示试样检查面212与钢管单侧壁重叠的宽度。
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