[发明专利]用于确定再热裂纹敏感性的方法

说明书

技术领域

本发明总体上涉及用于确定材料中再热裂纹敏感性的系统和方法，更具体而言，涉及用于确定材料中再热裂纹敏感性的机制和技术。 

背景技术

在精炼和石化工业中，各种应用需要在反应器内部使用高温和高压，以用于去除硫或者实现其他期望的化学反应。因此，反应器的壁不仅必须经得住反应器内部化学物的破坏特性，而且必须经得住变化的条件，例如温度、压力等。特殊材料被用来制造反应器的壁，像含有各种合金的不锈钢。 

在过去一些年中，常规的低合金的铬-钼2.25Cr-1Mo钢已被广泛用于反应器容器。反应器通常在低于450℃的温度和高于10MPa的氢分压下工作。更高服役温度/压力的需求的增长迫使增大反应器尺寸，从而在反应器的服役期间产生与建造、运输和高温氢蚀有关的问题。 

为了至少解决上述最后一个问题，开发了新一代钒增强Cr-Mo钢，并且Nuovo Pignone(位于意大利佛罗伦萨的通用电气公司的业务部门)建造了用于石化工业的第一座2.25Cr 1Mo 0.25V反应器，其经得住高温和高氢气压。该反应器的壁厚超过250mm，直径高达6m，长度高达60m，重量高达2000吨。图1示出这样的反应器10。该反应器可在高温高压氢气氛中工作。为了高效地实施例如脱硫反应，服役温度和压力被增大，从而引起厚度增大以及整个反应器尺寸按比例增加。因此，反应器10的大的部件12和14必须在接合区域20处被焊接在一起。 

使用反应器的壁的该材料(2.25Cr 1Mo 0.25V)是因为它显示出用于氢脆、高温氢蚀和堆焊层剥离的适当特性、在低温下良好的韧性、以及改进的抗回火脆性。 

因为反应器的大尺寸，所以组成反应器的壁的许多部件必须如图1所示那样被焊接在一起。焊接过程在接合区域产生残余应力(这是由于在这类过程期间产生的热)，并且应力通过高的壁厚而增大。 

图2示出焊接区域30的更近的视图，其包括在焊接区域20处接合在一起的部件12和14。部件12和14的这些区域(其特性受到在焊接过程期间产生的热的影响)被称为热影响区(HAZ)，并且被指示为区域22和24。因此，热影响区是基础材料的区域22和24，其微观结构和特性为焊接所改变。来自焊接过程以及随后的再冷却的热导致围绕焊缝的区域中的这种变化。特性变化的范围和大小主要取决于基础材料、焊接填充金属、以及在焊接过程期间热输入的量和浓度。为了减少在焊接过程期间产生的应力，可应用如由美国石油学会(API)、美国试验与材料协会(ASTM)、以及美国机械工程师协会(ASME)所指示的消除应力热处理。 

将(i)在反应器的壁的内部焊接期间所形成的残余应力与(ii)消除应力热处理相结合，导致再热裂纹现象的出现。再热裂纹现象主要发生在上述例如图2的区域20中的热处理的应用期间。当边界区域的晶粒在升高温度期间相比于远离边界区域的晶粒显示出更少或稍微更弱的延性特性时，发生再热裂纹(蠕变断裂破坏机制)。 

存在各种用于测量再热裂纹的严重程度的试验。一种这样的试验是Gleeble试验，其提供关于给定结构的延性的定性指示。该试验是基于下述思想，即对热裂最敏感的区域是母体材料的HAZ区域，其中，在晶粒边界处捕捉的污染物形成液体膜或低强度固体膜，而晶粒变得硬且强。还发现，如果这种弱的膜在固化之后在大的温度范围内存在，则焊接材料在HAZ区域中显示出热裂纹。为了确定倾向于热裂的焊接HAZ区域的范围，引入了一种零强度温度的概念以作为脆性范围的更高温度，并且设计了适当的附件来对其进行测量。脆性范围的较低温度(所谓的零延性温度)然后被视为在热拉伸试样上出现面积5％的减少量的温度。 

Gleeble试验过程需要大量的试样来以代表各种焊接方法(热输入)的应变速率进行热拉伸试验。因此，一种更简单的试验即Varestraint试验被提出，并被应用以研究焊接合金的热裂敏感性。Varestraint试验包括，弯曲试验板，同时在该板的长轴上形成焊道。最初的Varestraint试验具有一些限制，例如，在弯曲的外表面控制实际应变量的困难，这是由于弯曲的中性轴的位置而引起的，所述位置取决于在弯曲期间试样的热部分和冷部分之间的强度和应变分配而发生变化。 

然而，上面讨论的试验以及其他试验都面临它们只提供定性结果而不提供破坏原因的选择性响应这一事实，即这些试验不能再现在建造期间使用的实际的热处理(在时间、温度和应力方面)。