淺談壓力容器在濕硫化氫環(huán)境下的氫損傷

劉義偉（德州市產(chǎn)品質(zhì)量標準計量研究院，山東 德州 253000）

濕硫化氫環(huán)境存在于石化行業(yè)的各種壓力容器中，因其常常被忽視，所以濕硫化氫環(huán)境下的氫損傷對壓力容器的危害性更大，因此探討壓力容器在濕硫化氫環(huán)境下的氫損傷對壓力容器的定期檢驗具有重要意義。

1 濕硫化氫環(huán)境下電化學腐蝕的過程

硫化氫本身對壓力容器并無腐蝕性，但是在有水的情況下就會形成H2O-H2S環(huán)境，即濕硫化氫環(huán)境，在濕硫化氫環(huán)境下，H2S會發(fā)生電離，其電離過程如下：

此時在壓力容器表面發(fā)生的電化學反應為：

其中H2-氫分子；Had-吸附氫；Hab-吸收氫。

從上述反應過程中可以看出，本來在壓力容器表面的氫離子（H+），與從陽極反應釋放的電子（e-）按照公式（4）結合成吸附氫Had。由于吸附氫Had之間具有較強的親和力，很容易在壓力容器表面結合成氫分子（H2）釋放出去，但由于H2S 在水溶液按照公式（1）、（2）電離出了HS-和S2-，HS-和S2-的存在削弱了氫原子之間的親和力，使氫離子（H+）不再按照公式（4）的途徑生成吸附氫Had，而是按照公式（5）的途徑形成吸收氫Hab，致使大量半徑極小且滲透能力極強的吸收氫Hab滲入壓力容器內(nèi)部，并積聚在夾雜物或某些雜質(zhì)元素的偏析處，就有可能產(chǎn)生氫鼓包(HB)、氫致腐蝕開裂(HIC)、導向氫致開裂(SOHIC)和硫化物應力腐蝕開裂(SSCC)。

2 濕硫化氫環(huán)境中的氫損傷類型

氫原子進入壓力容器內(nèi)部，在不同組織結構和不同強度級別的壓力容器中會發(fā)生不同類型的氫損傷。金屬制壓力容器在濕硫化氫環(huán)境下發(fā)生的氫損傷的類型主要有以下幾種。

2.1氫鼓包（HB）

滲入壓力容器的內(nèi)部容易產(chǎn)生過飽和空位，而且量比較大，這主要是因為氫原子在晶界、夾雜物和第二相粒子周圍聚集，使其在金屬中的空位濃度大大提高，氫原子在夾雜物周圍聚集越多就會結合氫分子，并形成巨大的氫分壓，當氫分壓足以使周圍金屬材料發(fā)生局部塑性變形時，將出現(xiàn)平行于壓力容器表面的鼓泡。氫鼓泡最容易在沒有任何外加應力的常溫下發(fā)生。

氫鼓包可通過肉眼或者手電筒進行宏觀檢查時發(fā)現(xiàn)，采用量具來測量其尺寸的大小。對于那些大而明顯的氫鼓包直接用肉眼就可以清楚地發(fā)現(xiàn)；而對于那些尺寸較小，且凸起高度不明顯的鼓包可借助手電筒緊貼壓力容器內(nèi)壁的直射光有效地檢出，有時候還可以通過手觸摸的方式感受到其存在。

2.2 氫致開裂（HIC）

在氫分壓作用下不同層面的相鄰氫鼓泡裂紋相互連接，形成直線狀或階梯狀特征的內(nèi)部裂紋稱為氫致開裂（HIC）。

氫致開裂（HIC）的機理與氫鼓泡（HB）一樣，HB 和HIC 的形成過程示意圖，如圖1。

圖1 氫鼓包（HB）和氫致開裂（HIC）形成示意圖

由于氫致開裂一般發(fā)生在壓力容器內(nèi)部，很難用肉眼發(fā)現(xiàn)，在壓力容器定期檢驗過程中可借助聲發(fā)射或者超聲相控陣等先進方法，及時發(fā)現(xiàn)氫鼓包（HB）和氫致開裂（HIC）等缺陷。

2.3 硫化物應力腐蝕開裂（SSCC）

氫原子滲入壓力容器內(nèi)部，在壓力容器內(nèi)部引起微裂紋導致氫脆，在外加拉應力或殘應余力作用下形成的開裂稱為硫化物應力腐蝕開裂（SSCC）。硫化物應力腐蝕開裂（SSCC）通常發(fā)生在中、高強度鋼的焊接熔合區(qū)和低合金鋼的熱影響區(qū)。硫化物應力腐蝕開裂與鋼材的化學成分、顯微組織、力學性能、外加應力與殘余應力及焊接工藝等密切相關。這種類型的開裂由于沒有預兆所以危害非常大。

2.4 應力導向氫致開裂（SOHIC）

在壓力容器的高應力部位處（如壓力容器接管、幾何不連續(xù)處）因氫聚集而形成的微小裂紋，微小裂紋在應力引導下沿著壁厚方向發(fā)展形成的開裂，稱為應力導向氫致開裂（SOHIC）。滲入壓力容器的內(nèi)部的氫原子，在晶界、夾雜物和第二相粒子周圍聚集形成巨大的氫分壓，當氫分壓超過材料結合力時，形成平面裂紋（沿拉伸面平行于試樣長度方向），然后再氫分壓、拉應力和夾雜物的共同作用下產(chǎn)生了縱向裂紋（即垂直于拉伸面，沿著壁厚方向發(fā)展），縱向裂紋在擴展過程中發(fā)生偏轉，當縱向裂紋擴展到平面裂紋面上時，有些裂紋擴展就此終止，有些與平面裂紋合并繼續(xù)擴展，即縱向裂紋不完全垂直于平面裂紋；因此，應力導向氫致開裂典型的特征是裂紋沿“之”字形擴展。

由于資料對應力導向氫致開裂（SOHIC）介紹較少，往往使檢驗人員在壓力容器定期檢驗過程中對應力導向氫致開裂（SOHIC）的認識和重視程度不夠，抑或是對檢驗工作做得粗糙，混淆了應力導向氫致開裂（SOHIC）和硫化物應力腐蝕開裂（SSCC）。

3 濕硫化氫環(huán)境下氫損傷類型間的聯(lián)系與區(qū)別

3.1 氫損傷兩大類型之間的聯(lián)系

所有氫損傷類型發(fā)生的條件均是在濕硫化氫環(huán)境下，發(fā)生的實質(zhì)都是鋼中滲氫，并且氫原子來源于H2S 腐蝕反應。氫致開裂（HIC）的發(fā)生機理與氫鼓包（HB）一樣，并且兩者的發(fā)生都無需外加應力；硫化物應力腐蝕開裂（SSCC）是氫致開裂(HIC)的另一種表現(xiàn)形式，由吸附硫化物腐蝕過程中在金屬表面生成的氫原子引起。

3.2 氫損傷兩大類型之間的區(qū)別

濕硫化氫環(huán)境腐蝕開裂四種類型的比較見表2：

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