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(biāo)準(zhǔn)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(xué)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(xué)反應(yīng)為：

其中H2-氫分子；Had-吸附氫；Hab-吸收氫。

從上述反應(yīng)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(yīng)釋放的電子（e-）按照公式（4）結(jié)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(jié)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(dǎo)向氫致開裂(SOHIC)和硫化物應(yīng)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(jié)構(gòu)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(jié)合氫分子，并形成巨大的氫分壓，當(dāng)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(yīng)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(yīng)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(dǎo)致氫脆，在外加拉應(yīng)力或殘應(yīng)余力作用下形成的開裂稱為硫化物應(yīng)力腐蝕開裂（SSCC）。硫化物應(yīng)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(yīng)力腐蝕開裂與鋼材的化學(xué)成分、顯微組織、力學(xué)性能、外加應(yīng)力與殘余應(yīng)力及焊接工藝等密切相關(guān)。這種類型的開裂由于沒有預(yù)兆所以危害非常大。

2.4 應(yīng)力導(dǎo)向氫致開裂（SOHIC）

在壓力容器的高應(yīng)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(yīng)力引導(dǎo)下沿著壁厚方向發(fā)展形成的開裂，稱為應(yīng)力導(dǎo)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(dāng)氫分壓超過材料結(jié)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(yīng)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(zhuǎn)，當(dāng)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(yīng)力導(dǎo)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(yīng)力導(dǎo)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(yīng)力導(dǎo)向氫致開裂（SOHIC）的認(rèn)識和重視程度不夠，抑或是對檢驗工作做得粗糙，混淆了應(yīng)力導(dǎo)向氫致開裂（SOHIC）和硫化物應(yīng)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(yīng)。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(yīng)力；硫化物應(yīng)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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