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高压高温精炼氢设备用双金属不锈钢合金/钢板剥离性能的标准评定规程ASTM G146−01(中文翻译版)

ASTM G146−012013年重新批准)

高压高温精炼氢设备用双金属不锈钢合金/钢板剥离性能的标准评定规程(仅供参考)

1本规程由美国材料与试验协会金属腐蚀委员会G01管辖,并由实验室腐蚀试验小组委员会G01.05直接负责。

现行版本于201351日批准。20137月出版。最初于1996年批准。上一版2007年为G146-01(2007)DOI:10.1520/G0146-01R13

 

本标准以固定名称G146发行;名称后的数字表示最初采用的年份,如果是修订版,则表示最后修订的年份。括号中的数字表示上次重新批准的年份。上标(´)表示自上次修订或重新批准以来的编辑更改。

 

1.范围

1.1该实践涵盖评估用于炼油厂高压/高温(HP/HT)气态氢设备中的双金属不锈钢合金/钢板剥离评定程序。它包括以下步骤:(1)制作合适的实验室试样,(2)在实验室中获得与炼油厂高压/高温氢气服务类似的充氢条件,以评估暴露在这些环境中的双金属试样,以及(3)对试验数据进行分析。本规程的目的是允许在试验实验室之间比较双金属不锈钢合金/钢抗氢致剥离(HID)的数据。

1.2本规程主要适用于通过在钢基体上堆焊不锈钢合金制成的双金属产品。利用这种做法开发的大多数信息都是为这些材料获得的。本文所述的程序也可适用于评估热轧粘合、爆炸粘合或其他适用于在钢基体上应用不锈钢合金的工艺。然而,由于可能的材料、试验条件和试验程序的变化范围很广,应由本规程的用户确定这些程序在评估此类材料时的适用性和可行性。

1.3本规程适用于评估使用条件下可能产生HID的材料,如图1所示的用于钢设备上的不锈钢堆焊层(见附录X1中的参考文献12)。但是,应注意的是,这种做法可能不适用于双金属结构形式或使用条件,这些形式或条件未被观察到会导致HID在使用中。

1.4附录X1中提供了有关HID用双金属不锈钢合金/钢板的评估、试验方法、试验条件、材料、焊接变量和检验技术的影响的附加信息。

1.5以国际单位制表示的数值应视为标准值。本标准不包括其他计量单位。

1.6本标准并非旨在解决与其使用相关的所有安全问题(如有)。本标准的使用者有责任在使用前建立适当的安全和健康实践,并确定法规限制的适用性。其他安全信息见第6节。

 

2.参考文件

2.1 ASTM标准2

2有关参考的ASTM标准,请访问ASTM网站www.ASTM.org,或通过Service@ASTM.org联系ASTM客户服务。有关ASTM标准年鉴卷信息,请参阅ASTM网站上的标准文件摘要页。

G111高温或高压环境腐蚀试验指南

E3金相试样制备指南

2.2 ASME标准

锅炉及压力容器规范第五节,第5条,技术二3

3可从美国机械工程师学会(ASME)获得,美国机械工程师学会国际总部,纽约市三公园大道,邮编:10016-5990http://www.asme.org

 

3.术语

3.1定义

3.1.1 HID——将材料暴露在氢环境中,使不锈钢合金表面层从其钢基体上剥离。

3.1.1.1讨论——在炼油厂加氢处理过程中,暴露在涉及高压/高温氢的使用条件下,在钢和不锈钢合金表面层之间的界面处的冶金结合区域积聚分子氢,从而在不锈钢内衬钢设备内发生这种现象。

 

image.png/// 

1:开放式符号,无脱胶报告。报告填充符号脱胶。

1 炼油厂高压氢装置中氢分压和温度对氢剥离敏感性的条件

 

4.实践总结

4.1不锈钢合金/钢试样在高压/高温条件下暴露在气态含氢环境中,有足够的时间在材料中产生充氢。暴露后,以受控速率将试样冷却至环境温度。然后将试样在室温下保持指定的时间,以便在不锈钢合金表面层和钢之间形成HID。在保持期结束后,使用直束超声波方法和金相检验对该界面处的试样进行HID评估,以确认是否发现任何HID。然后,用这种方法表征脱胶区域的大小和分布。

......

 

5.意义和用途

5.1本规程提供了在高压/高温条件下暴露于含氢气体环境下,钢基体上冶金结合不锈钢表面层对HID的电阻或敏感性,或两者兼而有之的指示。本规程适用于广泛的压力、温度、冷却速度和气态氢环境,其中HID可能是一个重大问题。这些程序可用于评估材料组成、加工方法、制造技术和热处理的影响,以及氢分压、工作温度和冷却速度的影响。这些过程产生的HID可能与特定应用程序的服务体验不直接相关。

......

 

6.仪器

6.1由于本规程的目的是在高压和高温下进行,因此该装置的结构必须能够安全地容纳试验环境,同时能够抵抗氢的累积脆化效应。其次,试验装置必须能够允许(1)引入试验气体,(2)从试验室排出空气,(3)均匀加热试样,以及(4)以受控速率冷却试样。

6.2有许多类型的测试单元配置可用于对HID进行评估。本规程不推荐或认可任何特定的测试单元设计。图2显示了设计用于在高压/高温气态氢环境中进行HID测试的典型测试单元的示意图。其他设计也可以提供可接受的性能。但是,典型组件应包括以下内容:

6.2.1金属试验池——试验池应由在预期试验条件下已证明具有高抗氢脆和高温氢侵蚀能力的材料制成。应避免使用对这些现象抵抗力低的材料。高压氢试验的典型试验室由固溶退火条件下的不锈钢(UNS S31600S34700)或镍合金(UNS N10276N06625)制成。不锈钢合金外露表面的钢制容器也可能适用。


image.png/// 

2典型测试单元

 

6.2.2关闭和密封——为了便于试验室的操作,关闭应能快速打开和关闭试验室,同时保持对氢气的可靠密封能力。这可以包括金属或非金属材料具有高的耐热降解性和氢腐蚀性。

......

6.2.5电阻或感应加热器——可使用内部或外部加热器获得高温。对于较低的温度(<300℃),试验室的外部加热通常更为方便,但可能会限制冷却速率,因为它们会加热整个容器。对于高温(>300℃),通常使用内部加热器仅加热试样和试样附近的气体环境,以限制功率要求和高温密封和压力容器问题。

 

7.试剂

7.1试剂的纯度-所有试验应使用低氧气体(<1ppm)。

 

8.测试条件

8.1试验环境基于高压氢气的获得条件。选择试验温度和氢气压力来模拟炼油厂含氢环境中的这些条件。根据所考虑的实际炼油厂服务条件,这些压力通常在1420 MPa的氢气压力和300500℃的温度范围内,但可在图1所示产生HID的条件范围内进行选择。

8.2不锈钢合金/钢板HID试验的一个主要变量是选择用于评估的冷却速率。为了研究氢剥离机理,采用了高达260℃/h的冷却速度来故意产生剥离。鉴定试验中最容易采用的冷却速度为150℃/h。可采用较慢的冷却速度来模拟炼油厂设备中特殊停堆条件的影响。当试样处于高压氢环境中时,应控制从试验温度到200℃的冷却速率并保持恒定。一旦试样温度达到200℃,可移除氢气环境,并用惰性气体替换,然后将试验容器打开至空气中。随后从200℃开始冷却,使试样在支撑在陶瓷块或垫片上时,在试样的所有侧面周围用3060 m/min的强制空气冷却至环境温度。如果在这一范围内不能用强制空气获得线性冷却,则可以用水对试样进行喷雾,以提供额外的控制。

......

 

9.抽样

9.1不锈钢合金双金属制品的取样程序应足以提供代表所取板材的试样。本程序的细节应包含在产品或采购规范中,而不包含在本规程中。

9.2建议对试验环境进行取样,以确认试验程序符合本规程并达到预期试验条件。环境采样频率应包含在适用的产品、采购或测试规范中,或两者都包含在内。作为符合本规程的最低要求,试验环境的取样应在特定仪器的试验开始时以及试验程序或试验系统的任何元件发生变化或修改时进行。

 

10.测试标本

10.1标准试样如图3所示。它由一个圆柱形截面组成,该截面由不锈钢合金/钢板试样加工而成,该试样的制造方法将用于考虑中的实际设备制造。图3试样的结构尺寸应为直径73±2 mm,厚度45±2 mm。但是,对于较薄的横截面材料,可以减小试样的厚度,以匹配所评估的板厚度。


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3 试样配置

10.2待评估不锈钢合金表面层的厚度名义上应与待评估工艺中使用的厚度相同。

10.3应在试样侧面采用不锈钢合金堆焊,以促进暴露后氢的厚度扩散。如果双金属板在制造后尚未进行热处理,则应按照时间和温度对整个试样进行热处理,并采用与双金属产品通常要求的热处理温度相似的冷却速率。然而,如果双金属板试样已经经过热处理,则侧覆盖焊缝应在最大600℃的温度下进行热处理,在测试之前,双金属产品采用类似的冷却速率。

......

 

11.标准化

11.1为了提供与正确试验条件发生某些意外偏差的指示,可能需要使用本文给出的程序对已知易受HID影响的材料试样进行试验。该对照材料应具有从先前评估的材料中获得的易再现的剥离程度。但是,如果认为有必要,控制材料的规范应包含在产品或采购规范中,而不在本规程中。

 

12.程序

12.1适用时,应遵循指南G111中给出的高压/高温试验基本指南。

12.2应在侧面堆焊之前测量初始试样尺寸。测量尺寸为(1)试样直径,(2)试样厚度和(3)不锈钢合金表面厚度。

12.3在每次测量之前,应通过扫描双金属校准试块和采用相同评估程序的不锈钢合金表面来验证超声波设备的灵敏度。不锈钢合金表面层应在不锈钢合金/钢界面上钻一个3.0 mm的平底孔(见图4)。

 

image.png/// 

1t=待评估的包层厚度

4 超声波检测校准块

12.4暴露前,应使用ASMEV节第5条技术2中给出的方法对试样进行基线超声直束扫描。试样的评估部分应为侧面堆焊前试样的原始直径(小于6.4 mm),除非试验的具体目的是评估堆焊重叠区域的性能。应报告在不锈钢合金/钢界面或其1 mm范围内发现的任何缺陷、裂纹或分层。

12.5试样应在非氯化溶剂中脱脂和清洗。清洁后,不得徒手操作试样。

12.6应使用合适的夹具将试样安装在试验室中,该夹具用于将试样放置在适当位置,以便均匀加热。应使用炉内热区的一个或多个热电偶,定期对试验室中所需数量的试样进行均匀热分布验证。

12.7在密封试验室后,使用交替的真空/惰性气体(即氩或氦)净化,从试验容器和相关系统中排出空气,以降低试验室中的氧气水平。该程序包括用机械真空泵排空试验室,然后用惰性气体回填。至少使用三个真空/惰性气体循环。除氧过程中使用的程序应在使用特定设备进行试验时通过气体分析进行验证,并在试验系统或除氧程序的承压部分发生任何变化后重新验证。

12.8为确保试验前系统的压力完整性,应使用氮气对试验室进行压力试验,至少达到预期试验压力,并在监测泄漏或压力损失或两者的同时保持至少10分钟。

12.9压力试验完成后,释放惰性气体并施加另一个真空。然后将试验气体回填至试验室,并加压至预期压力。这可以通过使用瓶压或使用气体增压泵来实现。应注意确保在泵送过程中空气不会进入试验室。初始气体压力应为加热至所需温度时产生预期试验压力的压力。

12.10如果在用惰性气体或试验气体加压的过程中,试验系统的任何部分被断开或更换,则必须重新启动除氧程序。

......

12.15使用12.3中给出的相同超声波方法,应确定和记录剥离区域的数量、尺寸和分布。试样的评估部分应与12.4中所述的基线超声评估中使用的部分相同。

12.16超声波检测结果如下:

面积等级  剥离面积,%
A
   ≤5
B
   5<X≤10
C
   10<X≤30
D
   30<X≤50
E
   >50
分布等级
 分布

1    孤立的未粘合区域
2
   相互关联的未粘合区域
3
   焊道搭接处剥离
4
   与侧面覆盖层接合处剥离
5
   其他(请描述)
可以指示一个以上的类别。

12.17如果正在评估多个暴露周期的影响,则样品可在24±2.5℃下保持48小时,然后进行超声波评估。如果在48小时的保持期后,超声波检测不到氢剥离或裂纹扩展,则可以开始随后的氢压/温度循环。如果在48小时后观察到剥离或裂纹扩展,则(1)可以停止试验,或(2)必须在下一个氢/温度循环之前保持完整的7天保持期。

12.18试验完成后,应将试样切片,露出不锈钢合金表面层、不锈钢合金/钢界面和钢基体。如果超声波检查未发现剥离,则应通过试样中心进行截面。如果超声波检测检测到HID,则应通过最大剥离区域定位。

12.19应使用规程E3中给出的程序对试样进行金相研磨和抛光。边缘可以斜切,与不锈钢合金层相对的截面的一半可以移除,以便于在金相制备期间进行处理。

12.20应检查不锈钢合金/钢界面。应在200×处拍摄代表性的未匹配显微照片。在未匹配的检查之后,应蚀刻试样,以显示不锈钢合金表面层的结构和该界面处钢基体的微观结构。不锈钢合金和钢蚀刻截面的代表性显微照片应在200×。从截面的金相检验来看,若存在剥离,则应说明剥离的位置和性质,与不锈钢表面层、不锈钢合金/钢界面和钢基体有关。

 

13.报告

13.1报告所有氢剥离试验的以下信息

13.1.1试验条件,

13.1.1.1试验温度,

13.1.1.2试验温度下的氢气压力,

13.1.1.3试验条件下的保持时间,

13.1.1.4从试验温度范围到环境温度的冷却速率,

13.1.1.5氢气压力/温度循环次数,

13.1.1.6超声波检查前,在24±2.5℃下的试验后保持时间,以及

13.1.1.7两个温度循环之间的保持时间(如适用)。

13.1.2超声波检查

13.1.2.1用于试验前和试验后检验的不锈钢合金/钢界面剥离区域的数量、尺寸和分布,以及

13.1.2.2使用第12节中提供的字母数字编码进行试验后检查的剥离等级。

13.1.3试验后的金相检验:

13.1.3.1 200×不锈钢合金/钢界面截面的代表性显微照片,应包括:

1)未蚀刻,

2) 不锈钢合金蚀刻,和

3) 钢基板腐蚀。

13.1.3.2说明HID相对于不锈钢合金表面层、不锈钢合金/钢界面和钢基体的位置和性质。

13.1.4试样特性,包括取向、类型、尺寸、试样数量和表面处理。

......

 

14.关键字
14.1高压釜;剥离;高压;高温;氢气;加氢处理;金相;精炼;超声波检测

 

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