淺談基于濕硫化氫應(yīng)力腐蝕的壓力容器設(shè)計(jì)和制造

李慧

（惠生工程（中國(guó)）有限公司，河南 鄭州 450018）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國(guó)政府部門(mén)愈發(fā)提高對(duì)石油化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重視程度，針對(duì)石油化產(chǎn)業(yè)發(fā)展提出各種相關(guān)政策，來(lái)推動(dòng)石油化工產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。而壓力容器設(shè)備作為石油化工企業(yè)提煉原油的重要設(shè)備，一旦該環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，很容易給整個(gè)加工過(guò)程帶來(lái)嚴(yán)重影響。如濕硫化氫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂問(wèn)題，這種問(wèn)題是目前最常見(jiàn)的壓力容器設(shè)備問(wèn)題，這種問(wèn)題的危害性較強(qiáng)，甚至?xí){到工作人員的生命安全。近年來(lái)，我國(guó)國(guó)內(nèi)原油開(kāi)采量較少，其他大部分原油來(lái)自國(guó)外進(jìn)口，其中以中東石油進(jìn)口量較高，油品中含有大量硫化物。針對(duì)該種問(wèn)題，壓力容器設(shè)計(jì)人員要提高對(duì)濕硫化氫應(yīng)力腐蝕問(wèn)題的重視程度，從源頭上解決腐蝕問(wèn)題，避免給原油提煉埋下巨大的安全隱患。

1 濕硫化氫應(yīng)力腐蝕環(huán)境概述

美國(guó)腐蝕工程師協(xié)會(huì)頒布《Specification for design of pressure vessels under stress corrosion conditions of wet hydrogen sulfide》提出：當(dāng)介質(zhì)接觸到容器中的液體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量游離水，當(dāng)游離水中溶解的硫化物濃度高于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，即可被稱(chēng)為濕硫化氫應(yīng)力腐蝕環(huán)境。如游離水中溶解的硫化物濃度高于50mg/L、游離水PH值高于7.6，且總硫化物含量為1mg/L；氣相中硫化氫分壓大于0.3kPa；游離水PH值低于4.0，溶解的硫化物含量高于1mg/L時(shí)，只要滿足上述任何條件。

2 濕硫化氫應(yīng)力腐蝕機(jī)理

硫化氫和水溶液相互融合產(chǎn)生出氫離子，工作人員從鋼材表面能取得電子后可將其還原成氫原子，且不同氫原子間具有較強(qiáng)的親和力，從而形成氫分子，被排出體外。而介質(zhì)中的硫化物能有效降低這種親和力，導(dǎo)致部分氫原子無(wú)法合成氫分子，原子半徑低于標(biāo)準(zhǔn)值的氫原子很容易滲透到鋼材內(nèi)部，甚至溶解到晶格，和晶格中氫元素相互結(jié)合，無(wú)形中提高材料脆化程度。但在濕硫化氫應(yīng)力腐蝕環(huán)境不僅會(huì)出現(xiàn)腐蝕問(wèn)題，還會(huì)誘發(fā)各種腐蝕開(kāi)裂現(xiàn)象，如應(yīng)力導(dǎo)向氫誘導(dǎo)開(kāi)裂、誘導(dǎo)開(kāi)裂、硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂、氫鼓泡等類(lèi)型。

（1）氫鼓泡。氫原子從鋼材表面進(jìn)入，滲透到鋼筋內(nèi)部，在夾雜物和分層位置集中起來(lái)，形成氫分子。但如果氫分子體積較大，無(wú)法從金屬中排除，隨著分子數(shù)量逐漸變多，壓力不斷增加，導(dǎo)致其局部出現(xiàn)變形，這種開(kāi)裂問(wèn)題不需要施加任何外力就會(huì)發(fā)生，所以不屬于應(yīng)力腐蝕破壞環(huán)節(jié)。

（2）硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。該種開(kāi)裂現(xiàn)象是在濕硫化氫應(yīng)力腐蝕環(huán)境和拉應(yīng)力雙重作用下形成的，鋼材中吸收大量硫化物腐蝕介質(zhì)，在鋼材表面產(chǎn)生氫原子。

（3）應(yīng)力導(dǎo)向氫誘導(dǎo)開(kāi)裂。和誘導(dǎo)開(kāi)裂原理基本相同，應(yīng)力導(dǎo)向氫誘導(dǎo)開(kāi)裂的裂紋排序相互重疊，垂直于鋼板表面的裂紋，屬于貫穿性開(kāi)裂，很容易誘發(fā)高盈利水平。在裂紋中各種應(yīng)力引導(dǎo)下，結(jié)合大量氫分子壓力，會(huì)形成應(yīng)力導(dǎo)向氫誘導(dǎo)開(kāi)裂，甚至沿著開(kāi)裂痕跡進(jìn)一步拓展。同時(shí)，在出現(xiàn)應(yīng)力導(dǎo)向氫誘導(dǎo)開(kāi)裂時(shí)會(huì)出現(xiàn)其他腐蝕問(wèn)題，無(wú)形中增加其的危害性，尤其是應(yīng)力導(dǎo)向氫誘導(dǎo)開(kāi)裂和硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂現(xiàn)象同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，會(huì)給壓力容器帶來(lái)嚴(yán)重?fù)p壞。

（4）誘導(dǎo)開(kāi)裂。在正常情況下，氫鼓泡通常在金屬內(nèi)部不同深度都會(huì)出現(xiàn)，相鄰鼓泡將裂紋相互連接，產(chǎn)生階梯式開(kāi)裂問(wèn)題，其同樣不是應(yīng)力腐蝕破壞。

3 壓力容器設(shè)計(jì)中的要求

3.1 材料要求

在設(shè)計(jì)壓力容器時(shí)，工作人員要先考慮到選材，雖然可以采用不銹鋼材料避免設(shè)備出現(xiàn)腐蝕問(wèn)題，但這種方式經(jīng)濟(jì)性較低，所以很多裝置采用低合金鋼和碳鋼。當(dāng)壓力容器長(zhǎng)期處于濕硫化氫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂環(huán)境時(shí)，要求低合金鋼和碳素鋼材料的屈服強(qiáng)度小于355MPa、材料抗拉強(qiáng)度低于630MPa，通常選擇Q345R和Q245R材料，主要原因是鋼材強(qiáng)度越高，越容易出現(xiàn)破壞問(wèn)題，所以當(dāng)設(shè)計(jì)壓力較低時(shí)，可采用Q245R材料（如表1所示）。而鋼管采用GB/T9948石油裂化用無(wú)縫鋼管中20#鋼管，能增加實(shí)際要求，滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 不同材料的硬度值

同時(shí)，材料要經(jīng)過(guò)模擬焊進(jìn)行加熱處理，熱處理溫度為620°，保溫速度高于2.5min/mm，保溫時(shí)間超過(guò)2小時(shí)，材料力學(xué)性能和試樣選擇均在模焊后進(jìn)行。然后進(jìn)行Z向拉伸試驗(yàn)，嚴(yán)格遵循SA-770標(biāo)準(zhǔn)，選擇三個(gè)試樣，保證其平均值高于35%，單個(gè)值不小于25%，再將材料開(kāi)展奧氏體晶粒度檢測(cè)，要求平均晶粒度低于6級(jí)，材料非金屬雜物不能超過(guò)1.5級(jí)，其門(mén)檻值要等于實(shí)際屈服強(qiáng)度的80%。另外，針對(duì)螺旋材料，工作人員通常選擇低強(qiáng)度普通碳素鋼和低合金鋼，普通碳素鋼采用正火，低合金鋼應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間處于調(diào)質(zhì)狀態(tài)。并保證焊接材料中的磷含量、硫含量和母體相互配備，其焊縫熔敷金屬硬度小于200HBW，焊條要采用低氫型材料，這種材料中硅元素和錳元素含量較低，埋弧自動(dòng)焊和焊條電弧焊所使用的焊接材料錳含量在1.0%左右，硅含量為0.50%。

3.2 結(jié)構(gòu)要求

所有焊接頭全部采用全焊透結(jié)構(gòu)，連接殼體和接管位置要進(jìn)行圓滑處理，接管端部?jī)?nèi)部打磨成圓角；補(bǔ)強(qiáng)方面通常利用厚壁管補(bǔ)強(qiáng)和整體補(bǔ)強(qiáng)方法，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重變化，合理控制局部壓力。設(shè)計(jì)人員要按照客戶提出的工藝條件要求，計(jì)算出實(shí)際應(yīng)用中相關(guān)介質(zhì)各方面要素，如成分占比、工作溫度、工作壓力等參數(shù)，再計(jì)算出壓力容器主體厚度，結(jié)合濕硫化氫應(yīng)力腐蝕情況，合理增加設(shè)備腐蝕限度，保證其腐蝕裕量高于3mm。同時(shí)，要根據(jù)工藝要求設(shè)置支座形式和設(shè)備管口，等到圖紙?jiān)O(shè)計(jì)工作完畢后，要傳輸給客戶，確定圖紙內(nèi)容滿足使用要求后，才能進(jìn)一步細(xì)化圖紙內(nèi)容，然后在圖紙輔導(dǎo)下進(jìn)行制造工作。

3.3 制造檢驗(yàn)要求

所有符合焊接工藝要求的焊接接頭都要進(jìn)行硬度試驗(yàn)、SSC試驗(yàn)、HIC試驗(yàn)，保證其硬度低于200HI10；焊頭接頭力學(xué)性能要高于母材性能的最低標(biāo)準(zhǔn)，焊接接頭的抗HIC能力和抗SSC能力要滿足材料基本要求。在進(jìn)行角焊縫焊接和對(duì)接焊縫時(shí)，工作人員優(yōu)選選擇回火焊道的焊接技術(shù)，其以手工GTAW為主體，來(lái)控制焊道和焊道間的回火效果（如表2所示）。但值得注意的是，焊縫禁止出現(xiàn)咬邊現(xiàn)象，螺栓螺紋通常利用滾壓成型措施，盡可能減少應(yīng)力熱處理環(huán)節(jié)，合理控制螺栓實(shí)際硬度不超過(guò)22HRC；在介質(zhì)一側(cè)的焊接焊頭禁止打硬記，設(shè)備均在焊接完成后解決應(yīng)力熱處理作用，將所有焊接接頭應(yīng)力進(jìn)行硬度試驗(yàn)，保證硬度檢測(cè)工作在介質(zhì)側(cè)面進(jìn)行，對(duì)接接頭A類(lèi)和B類(lèi)每隔3m范圍進(jìn)行一次硬度檢測(cè)，標(biāo)準(zhǔn)硬度應(yīng)控制在200HBW。

表2 制造過(guò)程的無(wú)損檢測(cè)數(shù)據(jù)

4 解決濕硫化氫應(yīng)力腐蝕對(duì)策

4.1 化工容器用鋼選用

在石油煉化過(guò)程中，如果長(zhǎng)期處于濕硫化氫應(yīng)力腐蝕環(huán)境下，很容易給壓力容器性能帶來(lái)嚴(yán)重影響。因此，在設(shè)計(jì)壓力容器時(shí)，工作人員要考慮容器材料各方面的性能，如焊接性能、熱處理性能、冷加工性能等，結(jié)合設(shè)備操作環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)運(yùn)行數(shù)據(jù)，從而計(jì)算出介質(zhì)對(duì)壓力容器選材階段帶來(lái)的影響（如表3所示）。

表3 濕硫化氫應(yīng)力腐蝕環(huán)境下壓力容器用碳素鋼和低合金鋼選用原則

4.2 嚴(yán)格制造工藝

靜應(yīng)力是影響應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的主要環(huán)節(jié)，其自身拉應(yīng)力低于材料屈服強(qiáng)度，當(dāng)其應(yīng)力逐漸上升時(shí)，會(huì)降低開(kāi)裂所需時(shí)間。經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)人員統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)應(yīng)力誘發(fā)的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂現(xiàn)象占總應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的80%，應(yīng)力來(lái)源是來(lái)自既有設(shè)備在加工成型中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，且這種應(yīng)力影響程度和應(yīng)力作用方向、金屬晶粒有直接聯(lián)系，橫向應(yīng)力損壞程度要高于縱向應(yīng)力；設(shè)備表面應(yīng)力集中會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象，出現(xiàn)大量開(kāi)裂裂紋源，提高裂紋擴(kuò)展速度。同時(shí)，在金屬構(gòu)件中，當(dāng)其應(yīng)力強(qiáng)度因子高于應(yīng)力強(qiáng)度限定值時(shí)，也很容易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂問(wèn)題，反之，則不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂現(xiàn)象。因此，工作人員要嚴(yán)格遵循行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行各種加工工藝操作，要從結(jié)構(gòu)組裝、材料加工、制造工藝等方面來(lái)降低加工應(yīng)力，盡可能不采用鉚接結(jié)構(gòu)和點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)。當(dāng)殘余應(yīng)力過(guò)高時(shí)，可采用退火方法解決殘余應(yīng)力，超聲波、滾壓等方法能減少應(yīng)力，這是提高材料抗應(yīng)力腐蝕能力的重要方法。

4.3 嚴(yán)格控制介質(zhì)中濕硫化氫應(yīng)力體積分?jǐn)?shù)

當(dāng)采用石腦油和液化石油氣作為主要化工材料時(shí)，要根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行脫硫處理，保證脫硫后的濕硫化氫體積低于5010-6，最大體積不能超過(guò)1006。針對(duì)高強(qiáng)鋼制的零部件，其H2S體積要更小。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著我國(guó)含硫原油煉制數(shù)量不斷增加，很多煉廠設(shè)備都被放置在濕硫化氫應(yīng)力腐蝕環(huán)境下，一旦工作人員對(duì)該環(huán)節(jié)的重視程度不足，很容易出現(xiàn)各種開(kāi)裂問(wèn)題，給壓力容器使用年限帶來(lái)嚴(yán)重影響，甚至威脅到工作人員生命健康。針對(duì)該種情況，相關(guān)企業(yè)要提高對(duì)濕硫化氫應(yīng)力腐蝕環(huán)境的重視程度，在壓力容器設(shè)計(jì)階段要綜合考慮環(huán)境因素，合理優(yōu)化容器材料選擇，嚴(yán)格控制行業(yè)制造工藝，設(shè)計(jì)出預(yù)期的壓力容器，保證整個(gè)石油煉化過(guò)程中順利進(jìn)行。