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湿H_2S及硝酸盐环境中低合金高强度钢制压力容器应力腐蚀开裂敏感性条件分析与安全保障技术研究

作　者: 陈学东
导　师: 蒋家羚
学　校: 浙江大学
专　业: 化工过程机械
关键词: 压力容器 低合金高强钢 湿H2S环境 硝酸盐环境 应力腐蚀开裂 敏感性条件 门槛值 估算方法 预防对策
分类号: TQ05
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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内容摘要


介质环境作用下的应力腐蚀开裂问题是影响压力容器安全的突出问题之一。在国家“九五”重点科技攻关专题（96-918-02-04）及国家科技部社会公益研究专题基金（043GS）的支持下，本文在试验研究、失效机理与工程实际案例分析的基础上，针对典型压力容器用钢07MnCrMoVR系列钢，15MnNbR钢及16MnR钢及其焊接接头在湿H2S环境的应力腐蚀开裂现象，较为系统地分析了其产生机理、敏感性条件，导出了临界条件下衡量典型钢种应力腐蚀的开裂状态的力学参量KI（ISCC）与动力学参量da/dt的估算工程表达式，揭示了典型压力容器开裂本质原因，提出了预防湿H2S应力腐蚀开裂的工程化方法与建议。此外本文还针对石化系统催化再生器开裂现象，模拟再生器介质条件进行了硝酸盐应力腐蚀开裂试验研究，提出了安全保障工程技术方法。本文的主要内容如下： （1）对07MnCrMoVR系列钢、15MnNbR钢、16MnR钢及其焊接接头在湿H2S环境下较为系统地进行慢拉伸（SSRT）试验、改进WOL试样的KISCC与da/dt测试试验和抗HIC的浸泡试验。试验分析了介质中H2S浓度与PH值、焊接接头及热处理状态、材料纯净度及表面涂层等对应力腐蚀开裂宏观敏感性的影响规律，并测试了三种材料及焊接接头的KISCC下限值和平台裂纹扩展速率da/dt的范围，对三种材料的抗HIC与HB的特性与影响因素，进行了试验分析。其中考虑焊接接头热处理状态影响，系统地进行07MnCrMoVR和15MnNbR的KISCC与da/dt的测试在国内还是首次。 （2）从氢的来源，扩散富集过程详细地分析湿H2S环境下压力容器用钢的“氢脆”型开裂机制，针对H2S低合金钢的两大失效模式的机理不同，结合断裂力学模型分别推导了三种材料在HIC和HB情况下的临界门槛值Cth估算表达式及在SSCC情况下KISCC表达式，并与试验结果进行比较对应关系较好，可作为工程估算方法。 （3）利用Gerberich模型推导了以扩散过程为主要控制过程的应力腐蚀开裂三个阶段的daldt表达式，给出了16MnR、15MnNbR、07MnCrMoVR三种材料的平台da／dt估算式，与高H2S浓度下的试验值基本吻合，可作为高浓度H2S下的近似工程估算方法。 （4）从“开裂”机理出发，结合试验研究，分析了影响湿H2S开裂的影响因素，重点讨论了所谓绝对不发生SSCC的“极限浓度”概念，提出了只要有足够大应力梯度存在，在足够长的时间内，即使浓度再小，也会发生H2S应力腐蚀开裂的新观点， 浙江大学博士学位论文并在试验与工程实例中得到证实。 （5）作为一个特例，本文还从冷裂纹敏感性与再热裂纹敏感性试验结果分析了07Mnc产龙勿vR系列钢由于再热裂纹与消除应力热处理之间不可避免的矛盾，使得大量裂纹先天存在，并由于现行制造安装标准规范的漏洞而保留到使用环节。这些会裂纹形成许多应力梯度区，在湿HZS条件下使裂纹发生应力腐蚀开裂并进一步扩展，从而首次揭示了国内07人如C护龙白VR系列钢球罐频繁开裂的本质原因。本文提出的关于07人力，Cr人fovR容器的检验时机与方法及限制使用厚度的建议已逐渐被有关标准规范采纳。 （6）本文在试验研究、机理分析及工程实践基础上，分别提出了避免月万（月兀）)、SOH兀了及SSCC一般准则，对三种材料在设计、制造、安装及在役使用环节上分别提出了避免湿HZS开裂的详细而具体的建议，并在工程实践中进行了成功应用。 （7）本文还在模拟再生器介质条件下的硝酸盐介质中进行了16山加R钢及焊接接头55尺T试验，并用不弘口乙试样测试了16MnR钢Klsc。值与平台裂纹扩展速率da/dt的范围，分析了再生器开裂的机理，提出了实际结构的安全保障条件。

全文目录


第一章 绪论  11-29
  1.1 本文研究背景  11-12
  1.2 国内外研究现状  12-22
    1.2.1 关于低合金高强钢应力腐蚀开裂的一般讨论  12-13
    1.2.2 关于湿H_2S环境下低合金高强钢的应力腐蚀开裂研究  13-22
    1.2.3 关于硝酸盐应力腐蚀开裂  22
  1.3 存在的主要问题  22-23
  1.4 本文的研究内容、技术关键与技术路线  23-24
    1.4.1 研究内容  23
    1.4.2 技术关键  23
    1.4.3 技术路线  23-24
  参考文献  24-29
第二章 07MnCrMoVR系列钢在湿H_2S中的应力腐蚀开裂试验研究  29-65
  2.1 引言  29
  2.2 07MnCrMoVR在湿H_2S中的SSRT试验  29-44
    2.2.1 试验目的  29-30
    2.2.2 试验的设计  30
    2.2.3 试验条件与试验过程  30-33
    2.2.4 试验结果的评定方法  33-34
    2.2.5 试验结果  34-42
    2.2.6 试验结果的分析与讨论  42-44
  2.3 07MnCrMoVR钢在湿H_2S介质中的KISSCC与da／dt测试  44-59
    2.3.1 试验目的  44
    2.3.2 试验设计  44-45
    2.3.3 试验条件与试验过程  45-50
    2.3.4 测试结果  50-58
    2.3.5 测试结果分析  58-59
  2.4 抗HIC的浸泡试验  59-62
    2.4.1 试验目的  59
    2.4.2 试验设计  59-60
    2.4.3 试验条件及试验过程  60-61
    2.4.4 测试结果  61-62
    2.4.5 结果的分析讨论  62
  2.5 小结  62-63
  参考文献  63-65
第三章 15MnNbR钢在湿H_2S中的应力腐蚀开裂试验研究  65-89
  3.1 引言  65
  3.2 15MnNbR钢在湿H_2S中的SSRT试验  65-72
    3.2.1 试验目的  65
    3.2.2 试验的设计  65-66
    3.2.3 试验条件与试验过程  66-67
    3.2.4 试验结果的评定分析  67-68
    3.2.5 试验结果  68-71
    3.2.6 试验结果的分析与讨论  71-72
  3.3 15MnNbR钢在湿H_2S介质中的KISSCC与da／dt测试  72-85
    3.3.1 试验目的  72
    3.3.2 试验设计  72-73
    3.3.3 试验条件与试验过程  73-74
    3.3.4 测试结果  74-84
    3.3.5 测试结果分析  84-85
  3.4 抗H／C的浸泡试验  85-87
    3.4.1 试验目的  85
    3.4.2 试验设计  85
    3.4.3 试验条件及试验过程  85-86
    3.4.4 测试结果  86-87
    3.4.5 结果的分析讨论  87
  3.5 小结  87-88
  参考文献  88-89
第四章 16MnR钢在湿H_2S中的应力腐蚀开裂试验研究  89-117
  4.1 引言  89
  4.2 16MnR钢在湿H_2S中的SSRT试验  89-100
    4.2.1 试验目的  89-90
    4.2.2 试验设计  90-92
    4.2.3 试验条件与试验过程  92
    4.2.4 试验结果的评定分析  92-93
    4.2.5 试验结果  93-100
    4.2.6 试验结果的分析与讨论  100
  4.3 16MnR钢在湿H_2S介质中的KISSCC与da／dt测试  100-108
    4.3.1 试验目的  100
    4.3.2 试验设计  100-101
    4.3.3 试验条件与试验过程  101
    4.3.4 测试结果  101-107
    4.3.5 测试结果分析与讨论  107-108
  4.4 16MnR钢抗HIC的浸泡试验  108-110
    4.4.1 试验目的  108
    4.4.2 试验设计  108
    4.4.3 试验条件及试验过程  108
    4.4.4 测试结果  108-110
    4.4.5 结果的分析讨论  110
  4.5 带涂层试样抗湿H_2S应力腐蚀的SSRT试验  110-114
    4.5.1 试验目的  110
    4.5.2 试验设计  110-111
    4.5.3 试验条件与试验过程  111
    4.5.4 试验结果的评定  111
    4.5.5 试验结果  111-113
    4.5.6 试验结果的分析与讨论  113-114
  4.6 小结  114-115
  参考文献  115-117
第五章 典型压力容器用低合金高强钢在湿硫化氢环境中的开裂机理分析及失效预防对策研究  117-191
  5.1 引言  117
  5.2 低合金高强钢在湿H_2S环境中开裂机理  117-148
    5.2.1 钢在硫化氢水溶液中的电化学反应与氢的来源  117-118
    5.2.2 氢在钢中的溶解与氢陷阱  118-120
    5.2.3 氢在中的扩散与富集  120-125
    5.2.4 湿H_2S环境下低合金高强钢压力容器开裂机理  125-132
    5.2.5 湿H_2S环境中氢致滞后断裂门槛应力σ_C与门槛应力强度因子KISCC(K_(IH))表达式  132-136
    5.2.6 湿H_2S环境下裂纹扩展速率da／dt  136-141
    5.2.7 断口形貌观察  141-148
  5.3 影响湿H_2S应力腐蚀开裂的因素  148-153
    5.3.1 影响HB及HIC的因素  148-151
    5.3.2 影响SOHIC与SSCC滞后断裂因素  151-153
  5.4 失效准则的讨论  153-158
    5.4.1 关于湿H_2S环境的界定值的分析  153-155
    5.4.2 关于设计选材的准则  155-158
  5.5 压力容器避免湿H_2S开裂的建议  158-163
    5.5.1 避免湿H_2S开裂的一般准则  158-160
    5.5.2 关于07MnCrMoVR系列钢制压力容器应用若干建议  160-162
    5.5.3 对15MnNbR与16MnR钢制容器的建议  162-163
  5.6 工程应用实例分析讨论  163-185
    5.6.1 16MnR液化石油气贮罐的HB与HIC  163-176
    5.6.2 07MnCrMoVR系列钢的SSCC  176-185
  5.7 小结  185-186
  参考文献  186-191
第六章 16MnR在硝酸盐溶液中的应力腐蚀开裂试验研究  191-215
  6.1 引言  191-192
  6.2 模拟催化再生器介质条件的确定  192-194
    6.2.1 催化再生器的介质条件  192-193
    6.2.2 模拟条件的确定  193-194
  6.3 16MnR钢在硝酸盐中的SSRT试验  194-201
    6.3.1 试验目的  194
    6.3.2 试验设计  194
    6.3.3 试验条件与试验过程  194-195
    6.3.4 试验结果的评定方法  195-196
    6.3.5 试验结果  196-201
    6.3.6 试验结果的分析与讨论  201
  6.4 16MnR在硝酸盐中的KISSCC与da／dt测试  201-209
    6.4.1 试验目的  201
    6.4.2 试验设计  201-202
    6.4.3 试验条件与试验过程  202-209
  6.5 硝酸盐应力腐蚀开裂机理及影响因素分析  209-210
  6.6 再生器开裂的预防对策  210-212
  6.7 小结  212-213
  参考文献  213-215
第七章 结论与展望  215-221
  7.1 结论  215-219
  7.2 展望  219-221
致谢  221-223
附录 攻读博士学位期间发表论文及获奖情况  223-224

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中图分类: > 工业技术 > 化学工业 > 一般性问题 > 化工机械与仪器、设备
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