濕硫化氫應力腐蝕工況下的壓力容器設計

王宗宇 鄭偉（山東海成石化工程設計有限公司，山東 淄博 255400）

濕硫化氫應力腐蝕工況下的壓力容器設計

王宗宇 鄭偉（山東海成石化工程設計有限公司，山東 淄博 255400）

簡要介紹了濕硫化氫腐蝕環境的破壞機理及損傷形式，提出了在濕硫化氫應力腐蝕環境下設計人員的注意事項及設計要求。

濕硫化氫;應力腐蝕;壓力容器

在以原油、天然氣、石油氣等為原料的煉油，石油化工產業中，壓力容器設備發生濕硫化氫應力腐蝕開裂（SSCC）是一種發生頻率較高，后果嚴重的現象。特別是在我國目前國內原油深度開采和依靠大量進口外國原油，尤其以中東油品占比較多的情況下，油品中硫及硫化物含量較高。作為壓力容器設計人員對于硫化氫應力腐蝕問題需要格外注意，從設計源頭做好預防措施，防止這種失效的發生。

1 濕H2S腐蝕的破壞機理及損傷形式

硫化氫在水中電離分解：H2S?HS-+H+

鋼在硫化氫水溶液中發生如下反應：Fe+HS-→FeS+H++2e-2H++2e-→2H?H2

鼓泡（HB）

氫原子向鋼的表面滲透擴散進入鋼材內部，在分層處和夾雜物處聚集并形成氫分子。氫分子太大無法從金屬中擴散出去，隨著分子數量增加，壓力增大產生局部變形。氫鼓泡的發生不需要外加應力作用即可發生，不屬于應力腐蝕破壞。

誘導開裂（HIC）

氫鼓泡在金屬內部不同深度層面形成，相鄰或鄰近的鼓泡會擴展裂紋將他們連起來，形成階梯式開裂，故也叫“階梯形開裂”。HIC也不屬于應力腐蝕破壞。

③硫化物應力腐蝕開裂（SSCC）

在拉應力和含水的H2S腐蝕環境共同作用下的開裂現象，是鋼材吸收了硫化物腐蝕介質在鋼材表面形成的氫原子而形成的。焊后消除應力熱處理對降低硬度和殘余應力有幫助。

④應力導向氫誘導開裂（SOHIC）

與HIC相似，SOHIC的特點是裂紋排列為彼此相重疊，結果是垂直于鋼板表面的貫穿性開裂，并引起高應力水平。在這些裂紋中在應力引導下加之氫原子的大量聚集形成的氫分子壓力，進而發展成SOHIC。SOHIC沿著預先存在的裂紋進一步擴展。SOHIC往往伴隨其他腐蝕形式出現，故危害性更大。尤其SSCC和SOHIC的疊加效應可能造成災難性事故。[1]

2 壓力容器設計中的要求

2.1 選材

①壓力容器設計首先應考慮選材，雖然采用不銹鋼可以防止大部分設備腐蝕破壞，但很不經濟。故許多裝置仍采用碳鋼與低合金鋼。當為濕硫化氫應力腐蝕工況時,材料要求碳素鋼和低合金鋼的屈服強度Rm≤355MPa；材料實測的抗拉強度Rm≤630MPa；一般取Q245R和Q345R,因為鋼材強度越高越容易發生破壞，所以設計壓力不是很高時一般取Q245R比較合適。鋼管選用GB/T9948石油裂化用無縫鋼管中20#鋼管可增加要求滿足標準附錄B（用于含H2S環境的優質碳素結構鋼鋼管抗開裂補充技術要求）。

②材料確定后，還應當要求材料供貨狀態為正火或正火+回火、退火、調質?？刂铺籍斄浚簩τ诘吞间摵吞煎i合金，碳當量CE≤0.43，CE=C+Mn/6；對于低合金鋼（包括低溫鎳鋼），碳當量CE≤0.45，CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15。

③要求供貨商對于有害元素化學成份(熔煉分析)應符合如下規定：S≤0.003%、P≤0.010%、Ni≤1.0%、Mn≤1.35%。

④受壓元件用鋼板及鍛件厚度方向斷面收縮率Z按如下規定:三個試樣平均值≥35，允許其中一個試樣≥25。[2]

⑤鋼板應以相同的爐罐號、同厚度及同爐熱處理為一批；鍛件應以相同的爐罐號、同鍛造工藝及同爐熱處理為一批按NACETM-0284-2003A溶液進行抗氫誘導開裂（HIC）試驗，要求:CLR≤5%;CTR≤1.5%;CSR≤0.5%;或者選用舞陽鋼廠Q245R (HIC)、Q345R(HIC)抗硫化氫腐蝕鋼板（鋼板制造時腐蝕試驗做抗氫致開裂檢驗）。

⑥殼體用鋼板厚度大于等于12mm時，鋼板應逐張做100%超聲波檢測（UT），滿足相應標準NB/T47013.3-2015Ⅱ級合格。[2]

2.2 制造要求

①在冷加工過程中變形量≤2%時不需處理，變形量2%～5%應做消除應力熱處理；大于5%時，應進行正火或回火熱處理。

②所有焊縫均應經焊接工藝評定，包括對焊、補焊、角焊等，在滿足強度要求的前提下，盡可能采用低強度焊接材料；所選用的焊接材料應保證采用相應方法焊成的熔敷金屬的化學成分與主體材料匹配，力學性能應不低于主體材料性能指標。焊縫外的起弧、打弧點（包括臨時焊縫處）均應在熱處理前打磨0.3mm以上，并做磁粉（MT）或著色檢查。

③焊接接頭焊后不允許有封閉的中間空隙（如襯板等四周填角焊縫后），如不可避免應開排氣孔。

④不予許存在鐵素體鋼或雙向不銹鋼與奧氏體不銹鋼之間的異種鋼焊接接頭。

2.3 焊后熱處理

設備制造完畢后必須進行焊后整體消除應力熱處理。熱處理后焊縫、熱影響區及母材的硬度Q245RHBW≤180，Q345RHBW≤200,焊后熱處理能達到消除焊接殘余應力，避免焊縫及其熱影響區產生裂紋，改善焊縫接頭的力學性能的目的。不得在接觸介質側打鋼印。熱處理前應將平臺、爬梯、管架、吊耳等預焊墊板焊好,熱處理后不允許再在設備本體上動火施工焊接。

3 結語

濕硫化氫應力腐蝕對石化設備危害性大且不易發現。作為壓力容器設計人員在設計過程要給予足夠重視，從源頭上有效控制，對后期企業安全、平穩、高效的運行有重要意義。

[1]馬朝陽.濕硫化氫應力腐蝕環境下壓力容器用鋼的選用.真空與低溫.2008,3:53-56.

[2]GB/T150.1～4-2011.壓力容器.2011