16MnR(HIC)钢焊接接头抗氢致裂纹的试验研究
氢致裂纹中氢压的理论表征及有限元求解方法
表征氢压作用.
关键词： 氢压理论；断裂力学；有限元计算；线弹性模型；弹塑性模型
中图分类号：TG 404
文献标识码：A
doi：10.12073/j.hjxb.2019400280
0 序 言
金属材料中氢的作用主要体现在两个方面：其 一是载荷作用，主要是裂纹内腔中形成氢分子气压 力[1]，压力方向从裂纹内腔向外，氢气压力可以作为 裂纹扩展的驱动力[2]；其二是脆化作用，扩散氢原子 的存在使得金属材料某些力学性能改变[3-4]，比如塑 性变形能力变弱[5]，抵抗裂纹扩展的能力变弱[6]，从 而导致断裂韧性的降低. 这两种作用都会加速氢致 裂纹的形成.
理论为基础推导了应力强度因子表征氢压作用的公式，包含线弹性模型与弹塑性模型下氢压单独加载与氢压和外
载混合加载两种情形下的理论表征方式，分析了有限元方法求解氢压作用表征的几种方法. 结果表明，使用 J 积分
表征氢压对裂纹作用强度并不适用，而 K 因子表征却具有相当高的合理性与准确性，并且位移法比应力法更适宜
学模型，而在小范围屈服条件下，即裂尖的塑性区 尺寸与裂纹长度相差一个数量级以上，工程上仍然 可以采用线弹性理论计算应力强度因子，只是需要 考虑裂尖的塑性变形，从而对应力强度因子进行修 正，称为等效裂纹法修正. 而氢压与外载作用范围 的差异导致裂尖周围的应力应变分布也不相同，进
以裂尖为原点构建坐标系，如图 2 所示，根据 应力强度因子的叠加原理，当氢压单独作用在裂纹 内腔时，裂尖前方沿 x 轴正方向的应力 σy 满足式 (5)， 此等式也可通过有限元模拟得以证明.
σy
F
RA eL
B
C
y
−a −b
x
ba Pb
a
O
O1
管道抗氢致开裂(二)
抗氢致开裂（ANTI-HIC）HIC是氢诱导裂纹的意思Hydrogen Induced Cracking1,化学成分，P，S含量要求控制在0.020%和0.015%以下；2,屈服强度，要小于345MPa；3,材料必须是硅镇静钢.4,应符合NACE MR0175和NACE MR0103的规定。
（这个还可以看看？）5,碳当量CE应小于0.42%。
6,材料表面不能有大于0.5mm的尖锐缺隐存在.7,材料必须热处理交付.其中NACE：美国腐蚀工程师学会16MnR(R-HIC)钢板适用于什么工况？典型的适用于湿HS环境的材料，材料的S、P含量要求相当低，S≤0.002%、P2≤0.008%。
产品适用于低温环境下使用的抗硫化氢腐蚀设备，冲击韧性比普通的16MnR高，16MnR(HIC)耐腐蚀钢（抗氢钢、抗硫化氢腐蚀用钢）16MnR(HIC)产品执行GB6654，GB6654是强制性标准，但需抗HIC（氢致裂纹）16MnR钢板属于压力容器范畴，走的压力容器材料标准，归6654管理。
HIC为抗氢致开裂钢，16MnR(HIC)比16MnR有更严格的制造、检验要求。
一、材料：1、标准σs≤355MPa。
2、实测σb≤630MPa。
3、使用状态为正火、正火+回火、退火或[wiki]调质[/wiki]。
4、碳当量≤0.45。
5、焊接接头HB≤200。
6、S、P≤0.006%，更严格时控制S、P≤0.002%。
二、制造要求：1、冷变形量≤5%时，进行消除应力热处理，大于5%时，进行正火处理。
2、焊后进行消除应力热处理。
氢诱裂纹（HIC）性能采用NACE TM0284－2003标准进行HIC性能评价，试验溶液由供需双方协商确定，其HIC试验的平均值满足：裂纹敏感率（CSR）≤2％裂纹长度率（CLR）≤15％裂纹厚度率（CTR）≤5％注：只有钢板和板卷钢管才考虑在湿硫化氢环境下的抗HIC问题，轧制钢管不考虑HIC，20＃ANTI-HIC钢管是错误的，没有标准，没有制造厂家。
16MnR钢焊接接头氢扩散三维有限元模拟
（ 南京 工业大 学机 械与 动力 工程 学 院 南京 ２ ００ ） １０ ９
摘要 ：利用 电化 学渗透 法测 定氢在 １Ｍｎ 钢焊接接头处的焊缝金属、热影响区金属 以及母材中的扩散系数 。基 ６ Ｒ 于有 限元 软件 ＡＢ ＱＵ ，开 发焊接接 头在氢环境下 的三维氢扩散耦合有 限元计算程序 ，考虑焊接残余应力 、不 同 Ａ Ｓ 组织对氢扩散 的影 响，得到氢浓度随 时间的分布规律 。计算结果表 明，在焊缝和热影响 区，由于氢聚集的浓度和 焊接残余应 力较大 ，这很容易使材料在应力作用 下发 生与氢有关的开裂 。 关键 词：焊接接头 氢扩散 残余应力 不同组织 有 限元分析
成 了极大 威胁 ，严 重 影响我 国的能源 安全 。因此 ，
１ 氢扩散基本理论 】 Ｈ
１１ 控 制方 程 ．
氢在扩 散过程 中满 足质 量 守恒定律 ，即
Ｌ 叫 ＝ ， ｏ ｚ
式 中
— —
（ １ ）
体 积 体 积 Ｖ的表 面积 氢 扩散 的浓度 流 ｎ —— 表 面积 的外法线
中图分类号：Ｔ ４ ７ Ｇ ５
留在 单独 的焊接 残余 应 力模拟 ［－］ 氢扩 散 的模 １１或者 ６７
０ 前言
氢致 开裂 是氢环 境 下压力 容器 和管 道 常见 的失 效形 式之一 【 ，引起设备 的破裂 、泄漏 甚至 爆炸 ， ｌ 造成 巨大 的经 济损 失与 人员伤 亡 。尤其 是在 焊接 接
直 以来 ，关 于焊接 接头氢 扩 散 的数值 模拟 ，仅 仅
局 限在 焊接 过程 中氢 随焊 接热 输入 的扩 散和 聚集 行
为的研究［－】 １１，氢扩散的驱动力是浓度梯度 ，没有 ４５
抗氢致开裂钢16MnR(R-HIC)在加氢装置中的应用
之一 。
应 力腐 蚀 开 裂 ） Ｓ 和 ＯＨＩ 应 力 导 向 氢 致 开 裂 ） Ｃ（ 等， 因此 应根 据不 同的工况 采 取相应 的防腐措 施 。 Байду номын сангаас
ＨＩ Ｃ是 由于氢 原子 渗 入 到 钢 内 ， 在 钢 材 内 并
部 空穴 处变 为分 子态 集 聚 而 产 生很 高 的压 力 ， 使
刘 继 欣
（ 阳石 化工 程 设 计 有 限公 司 ， 河 南 洛 阳 ４ １ １ ） 洛 ７０ ２
摘
要 ： 氢 致 开 裂 （ Ｃ 的腐 蚀 机 理 出发 ， 合 洛 阳分 公 司 ８ ０ ｔａ柴 油 加 氢精 制 装 置 中 的 循 环 氢压 从 ＨＩ ） 结 ０ ｋ／
缩机 入 口分 液 罐 的设 计 选 材 问题 ， 述 了抗 氢 致 开 裂 钢 １ Ｍ ｎ Ｒ ＨＩ ） 加 氢装 置 中 的 实 际 应 用 情 况 。对 阐 ６ Ｒ（ － Ｃ 在 １ Ｍｎ （ － Ｃ 、６ Ｒ、０ ６ Ｒ Ｒ ＨＩ ） １ Ｍｎ ２ ｇ在 化 学成 分 以及 抵 抗 湿 硫 化 氢 腐 蚀 性 能 上 进 行 了对 比 ， 对 应 用 抗 氢 致 开 裂 并
钢 材 产 生 内部 裂 纹 。产 生 ＨＩ 的 内部 因素 主要 Ｃ
１ 分 液罐 改造前 后设 计条 件对 照
分 液罐 改造前 后设 计条件 如 表 １ 示 。 所
表 １ 分 液 罐 改造 前 、 设 计 条 件 后
容器 设 计 条 件 改 造 前 改造 后
是 钢 中存 在 延伸 状 Ｍｎ 杂 物 。此外 夹杂偏 析 、 Ｓ夹 局 部马 氏体 、 氏体 组织等 也 是 ＨＩ 贝 Ｃ形成 和 扩展
关于抗氢致开裂开裂及抗硫化物应力腐蚀开裂试验R-HIC钢板的问答
通常抗氢致开裂HIC（Hydrogen Induced Crack）主要是针对低碳高强度结构钢制压力管线讲的( 现代管线钢属于低碳或超低碳的微合金化钢)。
目前国内生产的此类专用钢(抗HIC专用钢)主要材料牌号有：16MnR(HIC),20R(HIC),SA516(HIC)。
该类钢的碳当量可用Ce=C+Mn6+(Cr+Mo+V)5+(Ni+Cu)15计算。
质保书中C：0.022，Mn：1.05，Cr：18.20，Ni：8.32材料成分大致符合不锈钢00Cr19Ni10(GBT1220—1992)主要元素成分要求。
提供的是00Cr19Ni10或类似材质，应该没有太大问题。
参考资料：关于提高提高管线钢抗HIC能力的措施提高管线钢抗HIC能力的措施有成份设计、冶炼控制、连铸工艺、控轧控冷等四个方面。
展开来说，主要有三点：提高钢的线纯净度。
采用精料及高效铁水预处理（三脱）及复合炉外精炼，达到S≤0.001%，P≤0.010%，[O]≤20ppm，[H]≤1.3ppm。
同时采用Ca处理。
②晶粒细化。
主要通过微合金化和控轧工艺使晶粒充分细化，提高成分和组织的均匀性。
为此，钢水和连铸过程要电磁搅拌；连铸过程采用轻压下技术；多阶段控制轧制及强制加速冷却工艺；Tio处理，使得钢获得优良的显微组织和超细晶粒，最终组织状态是没有带状珠光体的针状铁素体或贝氏体。
③昼降低含C量（C ≤0.06%），控制Mn含量，并添加Cu和Ni。
从炼钢来看，宝钢、武钢、鞍钢、攀钢、太钢等企业能生产不同等级的管线钢种，目前国内能生产X42、X52、X60、X65、X70等，X70目前在试用。
管线钢国产化程度大幅度提高，产品质量有了显著的改进，产品的成份控制、强度、韧性、晶粒度、焊接性能等均已接近或达到国外同类产品的水平。
高S原油加工过程中硫腐蚀及防护选材准则 thread-4029-1-1.html（作者前言）：2001年1月，中国石化科技开发部邀请英国壳牌石油公司材料专家霍普金申（音译）在南京就“高S原油加工过程中硫腐蚀及防护选材准则”做了讲座。
HIC氢致开裂试验详解
HIC氢致开裂试验又叫抗氢诱导裂纹试验、抗氢脆试验，氢致开裂(HIC)英文全称是：Hydrogeninducedcracking,简称HIC o与金属原子相比，氢原子尺寸很小，容易从金属原子间的间隙扩散至金属基体内部，与基体发生物理化学作用，从而降低金属基体的机械性能。
氢致开裂的原理氢致开裂的机理：当钢浸渍在含硫化氢的环境中，因腐蚀而产生的氢便渗入钢中，原子状氢扩散到达非金属夹杂物等界面，在其缺陷部位转变为分子氢，提高了空洞的内压。
(1)氢脆各种情况下产生的氢原子直接渗透到钢内部后，使钢晶粒间原子结合力降低，造成钢材的延伸性、端面收缩率降低，强度也发生变化。
氢脆理论：在裂纹尖端有与阳极反应相应的阴极反应发生。
所生成的氢或加工氢进入钢中引起氢致开裂。
(2)氢腐蚀氢与钢中的碳化物发生反应产生甲烷，甲烷气体不能从钢中扩散出去，聚集在晶粒间形成局部高压，造成应力集中，进而使钢材产生微裂纹或鼓泡。
氢的来源可分为内氢和外氢两种：（1）内氢是指材料在使用前内部就已经存在的氢，主要是冶炼（原材料中的水分）、酸洗（酸）、电镀（阴极析氢）、焊接（焊接前未烘干）、热处理（淬火等）等过程中；（2）外氢或环境氢是指材料在使用过程中吸收的氢。
如在H2或H2S气体或H2S水溶液中服役时，H2或H2S能分解出H进入构件或试样。
在氢气压力的作用下，不同层面上的相邻氢鼓泡裂纹相互连接，形成阶梯状特征的内部裂纹称为氢致开裂，裂纹有时也可扩展到金属表面。
HIC的发生也无需外加应力，一般与钢中高密度的大平面夹杂物或合金元素在钢中偏析产生的不规则微观组织有关。
现在已广泛运用氢致裂纹（H1C）来描述裂纹类型，并且被NACE国际组织采用。
试验方案及标准NACETMO284管线钢和压力容器抗氢致开裂评定方法GB/T8650管线钢和压力容器钢抗氢致开裂评定方试样要求：样品尺寸：长IOOmm,宽20mm o1)厚度＜30mm:平行取样，同一产品取1组样品，数量为3个；2)3。
HIC试验作业指导书
HIC试验操作规程1.试验原理HIC试验(Hydrogen-Induced Cracking)，即氢致开裂试验，是氢原子在金属S与钢材中扩散所诱发的敏感材料的开裂机理，通常氢原子是在有水的情况下由H2S的饱和溶发生反应产生的。
HIC试验通过模拟这种酸性环境系统，让钢材在含H2液中浸泡一定的时间，然后观察钢材截面是否发生氢致裂纹来评价钢材的抗酸性能。
2.设备装置试验装置应有足够大的可容纳试样的空间，在经过净化和导入HS的密闭容器2内进行，任何试验材料都不应污染试验环境或者与试验环境发生反应。
图1为典型试验装置简图。
图1: 典型的试验装置简图所用设备主要有：（1）HIC试验反应釜规格：Φ470×360mm，有机玻璃制造（2）HS气体吸收塔2（3）通风橱操作台规格：2350×1500×840mm；生产厂商：XX雄城泛美科学实验室设备XX（4）水浴箱规格：680×580×380mm；生产厂商：WINPARK（5）金相显微镜规格：XJL-02A；生产厂商：XX江南光学仪器厂（6）超声波清洗器内槽尺寸：300×250mm；功率：185W；频率：42KHz；生产厂商：XX精华超声波仪器XXS有毒气体报警器规格：SFD-300II；生产厂商：XX索福达电子XX （7）H2（8）线切割机规格：通用型快走丝；生产厂商：XX庆元精密机械XX3.试样制备3.1试样尺寸3.1.1试样尺寸应为100±1mm长，20±1mm 宽。
3.1.2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。
3.1.3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，应从钢管上取弧形试样进行试验，试样坯料不应被矫平。
3.2试样数量、位置和方向3.2.1每根试验管应从焊缝、焊缝90°以与180°位置取样，或按订单要求取样。
氢致开裂HIC试验概述及注意事项2016.12
氢致开裂试验HIC-取样示意图
管材
氢致开裂试验HIC-取样示意图
板材
氢致开裂试验HIC-取样示意图
管件
氢致开裂试验HIC-取样示意图
管件
氢致开裂试验HIC-取样示意图
法兰
氢致开裂试验HIC-实验步骤
• 配制溶液 溶液制备 • 预除氧-流速100ml/min/每升的N2净化处理1h
x H2S（mole-%） 0.1≤x H2S≤0.3
试验周期（h/天） 2160/90
0.003＜p H2S≤0.01
0.01＜p H2S≤0.1 0.1＜p H2S
0.3＜x H2S≤1
1＜x H2S≤10 10＜x H2S
720/30 336/14
9ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ/4
氢致开裂试验HIC-结果评价
结果评价 氢鼓泡-数量、最大尺寸、面积比
• 放置试样-宽面垂直 • 除氧-流速100ml/min/每升的N2净化处理1h 试样暴露 • 试验气体饱和并测量浓度-200ml/min/每升的试验气体，
60min
• 清洗 • 氢鼓泡 结果评价 • 裂纹分析及计算
氢致开裂试验HIC-实验步骤
溶液配制
A溶液: 0.5 wt%CH3COOH + 5 wt% NaCl+蒸馏水 初始pH:2.7±0.1；硫化氢饱和时：2.7～3.3；结束<4.0 硫化氢含量：不低于2300ppm
氢致开裂（HIC）试验 概要及注意事项
制作人：魏林 2016 年 12 月 30 日
氢致开裂试验HIC
采标情况： NACE TM 0284-2016 GB/T 8650-2015
NACE TM 0284-2016于2016.3.22日批准实施，代替11版。