簡(jiǎn)析壓力容器在濕硫化氫環(huán)境下的氫損傷

蘇成龍(甘肅省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

在濕硫化氫環(huán)境中，氫損傷問(wèn)題是非常常見的，它具體就出現(xiàn)在各種壓力容器中，危害性極大，為此需要對(duì)壓力容器進(jìn)行定期檢驗(yàn)，深層次分析濕硫化氫環(huán)境下的電化學(xué)腐蝕過(guò)程。

1 濕硫化氫環(huán)境下的電化學(xué)腐蝕過(guò)程分析

濕硫化氫環(huán)境下的電化學(xué)腐蝕過(guò)程是顯而易見的，雖然它對(duì)壓力容器沒有腐蝕性，但如果在有水環(huán)境下，就會(huì)形成H2OH2S特殊環(huán)境，這就是濕硫化氫環(huán)境。在濕硫化氫環(huán)境下，它其中的H2S會(huì)出現(xiàn)電離情況，它的電離過(guò)程應(yīng)該如下：

基于上述過(guò)程進(jìn)行分析，分析壓力容器表面所發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)，它會(huì)同時(shí)產(chǎn)生陽(yáng)極反應(yīng)與陰極反應(yīng)，如下：

如上所述，它其中就包含了氫分子、吸附氫以及吸收氫，結(jié)合化學(xué)反應(yīng)過(guò)程建立壓力容器表面氫離子，確保氫離子與陽(yáng)極反應(yīng)后充分釋放電子，最終形成吸附氫，保證壓力容器內(nèi)部有效滲入硫化物，建立應(yīng)力腐蝕開裂體系。而在濕硫化氫環(huán)境下，電化學(xué)腐蝕會(huì)造成壓力容器氫損傷，以下就分析了氫損傷的基本類型。

2 濕硫化氫環(huán)境下的氫損傷基本類型

在壓力容器內(nèi)部會(huì)滲入大量氫原子，它基于不同組織結(jié)構(gòu)與不同強(qiáng)度級(jí)別形成壓力容器氫損傷，且氫損傷類型表現(xiàn)十分豐富。這里就主要分析了金屬制壓力容器在濕硫化氫環(huán)境下氫損傷發(fā)生類型，下文簡(jiǎn)單介紹其中4種。

2.1 氫鼓包氫損傷類型

氫鼓包(HB)屬于典型的氫損傷類型，它在深入壓力容器內(nèi)部就容易產(chǎn)生過(guò)飽和空位問(wèn)題，其氫鼓包量相對(duì)較大。具體分析，如果氫分壓過(guò)大，它會(huì)導(dǎo)致周圍金屬材料發(fā)生局部塑性變形問(wèn)題，出現(xiàn)平行于壓力的容器表面鼓包問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，氫鼓包問(wèn)題是在不具備任何外加應(yīng)力的常溫狀態(tài)下產(chǎn)生的。通常來(lái)講，氫鼓包可通過(guò)肉眼或手電筒宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，在測(cè)量其質(zhì)量大小過(guò)程中，需要對(duì)氫鼓包問(wèn)題進(jìn)行分析。不過(guò)，氫鼓包尺寸一般偏小，但通過(guò)手觸摸方式可以感受到它的存在。

2.2 氫致開裂氫損傷類型

氫致開裂(HIC)氫損傷類型是在氫分壓作用下產(chǎn)生的，它是基于不同層面相鄰氫鼓包裂紋形成連接，細(xì)致觀察，氫致開裂屬于階梯狀內(nèi)部裂紋?？紤]到氫致開裂多發(fā)生于壓力容器內(nèi)部位置，較難用肉眼發(fā)現(xiàn)，所以在壓力容器定期檢驗(yàn)過(guò)程中可借助聲發(fā)射以及超聲相控陣分析氫致開裂缺陷問(wèn)題。

2.3 硫化物應(yīng)力腐蝕開裂氫損傷類型

硫化物應(yīng)力腐蝕開裂(SSCC)氫損傷問(wèn)題一般發(fā)生于中高強(qiáng)度的焊接熔合區(qū)域中，形成合金鋼熱影響區(qū)。在分析應(yīng)力與殘余應(yīng)力過(guò)程中，需要了解焊接工藝內(nèi)容，了解其開裂預(yù)兆危害問(wèn)題[1]。

3 濕硫化氫環(huán)境下的氫損傷不同類型之間的相互關(guān)聯(lián)與區(qū)別分析

3.1 濕硫化氫環(huán)境下的氫損傷不同類型之間相互關(guān)聯(lián)

氫損傷類型表現(xiàn)多樣，它們發(fā)生的實(shí)質(zhì)都可歸納為“鋼中滲氫”，深層次理解就是氫原子本身來(lái)源于H2S的腐蝕反應(yīng)，所以各種氫損傷類型的發(fā)生機(jī)理是相互一致的，無(wú)需加入任何外營(yíng)力，而吸附硫化物腐蝕過(guò)程則一般發(fā)生于金屬表面，生成大量氫原子。

3.2 濕硫化氫環(huán)境下的氫損傷不同類型之間相互區(qū)別

一般來(lái)說(shuō)，濕硫化氫環(huán)境下氫損傷的不同類型之間存在區(qū)別，應(yīng)該結(jié)合不同鋼材硬度進(jìn)行分析，例如對(duì)高強(qiáng)度、低強(qiáng)度、中高強(qiáng)度、中低強(qiáng)度鋼材的分析需要做到位。首先是高強(qiáng)度鋼材，要分析其應(yīng)力導(dǎo)向背景下的氫致開裂情況，了解其發(fā)生部位，應(yīng)該為焊縫以及熱影響區(qū)，這些也是高應(yīng)力的集中區(qū)，它的腐蝕原理應(yīng)該為滲氫+應(yīng)力結(jié)合形式，在應(yīng)力作用下，夾雜物與缺陷位置因?yàn)闅渚奂纬傻男×鸭y問(wèn)題進(jìn)行分析，避免其裂紋越來(lái)越大。在整個(gè)過(guò)程中，需要分析鋼材質(zhì)量與內(nèi)應(yīng)力情況，計(jì)算其H2S的濃度pH值變化；其次分析低強(qiáng)度鋼材，它的氫損傷發(fā)生部位一般平行于鋼表面位置，即鋼中夾雜物位置，它的腐蝕原理為滲氫。當(dāng)氫原子向鋼中滲透并形成氫分子時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生較大應(yīng)力，形成氫鼓包[2]。

4 濕硫化氫環(huán)境下的氫損傷的案例分析

煉油廠生產(chǎn)就包含了濕硫化氫環(huán)境，它也是引發(fā)氫損傷問(wèn)題，導(dǎo)致煉油廠生產(chǎn)效率降低的關(guān)鍵。為了延長(zhǎng)煉油廠中某些金屬裝置以及管道結(jié)構(gòu)的整體使用壽命，還需要對(duì)煉油廠的綜合運(yùn)行水平與現(xiàn)實(shí)作用進(jìn)行分析。

4.1 某煉油廠的濕硫化氫環(huán)境簡(jiǎn)述

4.1.1 環(huán)境簡(jiǎn)述

某煉油廠中煉油設(shè)備裝置均在惡劣環(huán)境下運(yùn)行工作，其所形成的濕硫化氫環(huán)境溫度整體偏低，不會(huì)導(dǎo)致裝置著火和爆炸等嚴(yán)重問(wèn)題，但容易出現(xiàn)設(shè)備壓力容器的不均勻腐蝕問(wèn)題。具體來(lái)說(shuō)，某煉油廠在是硫化氫環(huán)境下就會(huì)出現(xiàn)材料腐蝕問(wèn)題，其具體表現(xiàn)為材料開裂破壞，其腐蝕現(xiàn)象主要是由氫損傷所導(dǎo)致。在對(duì)其進(jìn)行開裂破壞表現(xiàn)形式分析可以了解到，其材料氫損傷敏感程度較高，且腐蝕類型相當(dāng)豐富。

4.2 濕硫化氫環(huán)境腐蝕類型分析

某煉油廠的設(shè)備壓力容器在是硫化氫環(huán)境下表現(xiàn)出多種腐蝕類型，具體分析以下三點(diǎn)[3]。

4.2.1 硫化物的應(yīng)力腐蝕開裂

首先，某煉油廠壓力容器針對(duì)硫化物的應(yīng)力腐蝕開裂情況比較常見，在深度研究其腐蝕開裂情況時(shí)應(yīng)該對(duì)其硫化氫環(huán)境與拉伸應(yīng)力共同作用進(jìn)行分析，深度了解其金屬開裂現(xiàn)象問(wèn)題。具體來(lái)講，由于煉油廠壓力容器在是硫化氫環(huán)境中產(chǎn)生了大量的氫原子，所以其在被金屬材料吸收后會(huì)產(chǎn)生明顯的硫化物應(yīng)力腐蝕開裂問(wèn)題，如果不能有效處理腐蝕開裂問(wèn)題就會(huì)導(dǎo)致煉油廠濕硫化氫環(huán)境下不同金屬材料質(zhì)量下降，應(yīng)用穩(wěn)定性也會(huì)大打折扣。

4.2.2 氫鼓包的氫致開裂

再者分析了煉油廠在濕硫化氫環(huán)境下的金屬材料氫鼓包以及氫致開裂問(wèn)題。就以氫致開裂這一問(wèn)題為例，它是指代金屬材料內(nèi)部不同平面出現(xiàn)了臨近氫鼓包問(wèn)題，對(duì)其內(nèi)部不平整平面進(jìn)行分析，了解可能導(dǎo)致氫致開裂現(xiàn)象的復(fù)雜原因。經(jīng)過(guò)分析后發(fā)現(xiàn)，壓力設(shè)備中氫鼓包周圍應(yīng)力相對(duì)較高，且金屬材料在不同層面上的氫鼓包存在相互連接條件，在如此條件下也可能會(huì)產(chǎn)生不同嚴(yán)重程度的氫致開裂現(xiàn)象問(wèn)題[4]。

4.3 某煉油廠的濕硫化氫環(huán)境下金屬材料的氫損傷判定分析

要對(duì)某煉油廠在濕硫化環(huán)境下金屬材料所產(chǎn)生的氫損傷情況進(jìn)行判定，下文簡(jiǎn)單分析兩點(diǎn)。

4.3.1 氫鼓包與氫致開裂條件下的金屬材料氫損傷判定

考慮到金屬材料表面上存在氫鼓包問(wèn)題，煉油廠就希望為壓力容器建立氫鼓包與氫致開裂之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，結(jié)合這一關(guān)系綜合判斷金屬材料的氫損傷問(wèn)題，并提出后期處理技術(shù)要求。在判定過(guò)程中，需要對(duì)氫致開裂與氫鼓包材料敏感度進(jìn)行判斷，保證判定結(jié)果準(zhǔn)確性有所優(yōu)化。而在判定過(guò)程中，還需要對(duì)水中硫化氫的具體濃度進(jìn)行分析，計(jì)算其酸堿值與金屬材料含硫量，不斷強(qiáng)化煉油廠在濕硫化氫環(huán)境分析背景下的結(jié)果與基礎(chǔ)因素變化，解決金屬材料所存在的氫損傷問(wèn)題[5]。

4.3.2 應(yīng)力導(dǎo)向氫致開裂條件下的金屬材料氫損傷判定

需要對(duì)煉油廠壓力容器的應(yīng)力導(dǎo)向氫致開裂條件進(jìn)行分析，進(jìn)一步調(diào)整金屬材料的氫損傷判定標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到金屬材料應(yīng)力受到外力作用與濕硫化氫環(huán)境共同導(dǎo)致了氫損傷問(wèn)題的發(fā)生，因此還需要結(jié)合實(shí)際問(wèn)題對(duì)氫損傷表現(xiàn)進(jìn)行分析，提出合理改善措施，有效規(guī)避煉油廠中金屬材料的應(yīng)力導(dǎo)向氫致開裂問(wèn)題，分析其氫損傷程度。在判定金屬材料敏感程度時(shí)，還需要對(duì)金屬材料的整體規(guī)模形態(tài)與諸多基礎(chǔ)因素進(jìn)行分析，調(diào)整材料敏感程度，判定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)煉油廠中壓力容器在濕硫化氫環(huán)境相的金屬材料應(yīng)力變化進(jìn)行分析，了解其應(yīng)力導(dǎo)向氫致開裂的敏感程度變化，獲得正確判定結(jié)果。

5 結(jié)語(yǔ)

如果設(shè)備壓力容器長(zhǎng)期運(yùn)行于濕硫化氫環(huán)境中，它的環(huán)境腐蝕類型就會(huì)逐漸變復(fù)雜，形成包括氫致開裂、氫鼓包等等不同腐蝕類型，導(dǎo)致氫損傷問(wèn)題的出現(xiàn)。所以在科學(xué)合理判定設(shè)備壓力容器金屬材料氫損傷之后，就需要結(jié)合不同氫損傷類型分析它們之間關(guān)系，明確判定標(biāo)準(zhǔn)并實(shí)施優(yōu)化處理，延長(zhǎng)設(shè)備金屬材料整體使用壽命，為提高諸如煉油廠等工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)的壓力設(shè)備綜合運(yùn)行效果創(chuàng)造更優(yōu)基礎(chǔ)。