探傷儀必備知識(shí)-壓力管道金屬材料的腐蝕(二)

注：曲線上部為危險(xiǎn)區(qū)

（2）不銹鋼的氯離子應(yīng)力腐蝕破裂

氯離子不但能引起不銹鋼孔蝕，更能引起不銹鋼的應(yīng)力腐蝕破裂。

發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂的臨界氯離子濃度隨溫度的上升而減小，高溫下，氯離子濃度只要達(dá)到10-6，即能引起破裂。發(fā)生氯離子應(yīng)力腐蝕破裂的臨界溫度為70℃。

具有氯離子濃縮的條件（反復(fù)蒸干、潤(rùn)濕）是*易發(fā)生破裂的。工業(yè)中發(fā)生不銹鋼氯離子應(yīng)力腐蝕破裂的情況相當(dāng)普遍。

不銹鋼氯離子應(yīng)力腐蝕破裂不僅僅發(fā)生在管道的內(nèi)壁，發(fā)生在管道外壁的事例也屢見(jiàn)不鮮，如圖7所示。

作為管外側(cè)的腐蝕因素，被認(rèn)為是保溫材料的問(wèn)題，對(duì)保溫材料進(jìn)行分析的結(jié)果，被檢驗(yàn)出含有約0.5%的氯離子。這個(gè)數(shù)值可認(rèn)為是保溫材料中含有的雜質(zhì)，或由于保溫層破損、浸入的雨水中帶入并經(jīng)過(guò)濃縮的結(jié)果。

（3）不銹鋼連多硫酸應(yīng)力腐蝕破裂

以加氫脫硫裝置*為典型，不銹鋼連多硫酸（H2SxO6，x=3～5）的應(yīng)力腐蝕破裂頗為引人關(guān)注。

管道在正常運(yùn)行時(shí)，受硫化氫腐蝕，生成的硫化鐵，在停車檢修時(shí)，與空氣中的氧及水反應(yīng)生成了H2SxO6。在Cr-Ni奧氏體不銹鋼管道的殘余應(yīng)力較大的部位（焊縫熱影響區(qū)、彎管部位等）產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。

（4）硫化物腐蝕破裂

① 金屬在同時(shí)含有硫化氫及水的介質(zhì)中發(fā)生的應(yīng)力腐蝕破裂即為硫化物腐蝕破裂，簡(jiǎn)稱硫裂。在天然氣、石油采集，加工煉制，石油化學(xué)及化肥等工業(yè)部門(mén)常常發(fā)生管道、閥門(mén)硫裂事故。發(fā)生硫裂所需的時(shí)間短則幾天，長(zhǎng)則幾個(gè)月到幾年不等，但是未見(jiàn)超過(guò)十年發(fā)生硫裂的事例。

② 硫裂的裂紋較粗，分支較少，多為穿晶型，也有晶間型或混合型。發(fā)生硫裂所需的硫化氫濃度很低，只要略超過(guò)10-6，甚至在小于10-6的濃度下也會(huì)發(fā)生。

碳鋼和低合金鋼在20～40℃溫度范圍內(nèi)對(duì)硫裂的敏感性*大，奧氏體不銹鋼的硫裂大多發(fā)生在高溫環(huán)境中。隨著溫度升高，奧氏體不銹鋼的硫裂敏感性增加。

在含硫化氫及水的介質(zhì)中，如果同時(shí)含醋酸，或者二氧化碳和氯化鈉，或磷化氫，或砷、硒、銻、碲的化合物或氯離子，則對(duì)鋼的硫裂起促進(jìn)作用。

對(duì)于奧氏體不銹鋼的硫裂，氯離子和氧起促進(jìn)作用，304L和316L不銹鋼對(duì)硫裂的敏感性有如下的關(guān)系：H2S+H2O＜H2S+H2O+Cl-＜H2S+H2O+Cl-+O2（硫裂的敏感性由弱到強(qiáng)）。

對(duì)于碳鋼和低合金鋼來(lái)說(shuō)，淬火+回火的金相組織抗硫裂*好，未回火馬氏體組織*差。鋼抗硫裂性能依淬火+回火組織→正火+回火組織→正火組織→未回火馬氏體組織的順序遞降。

鋼的強(qiáng)度越高，越易發(fā)生硫裂。鋼的硬度越高，越易發(fā)生硫裂。在發(fā)生硫裂的事故中，焊縫特別是熔合線是*易發(fā)生破裂的部位，這是因?yàn)檫@里的硬度*高。

NACE對(duì)碳鋼焊縫的硬度進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)定：≤200HB。這是因?yàn)楹缚p硬度的分布比母材復(fù)雜，所以對(duì)焊縫硬度的規(guī)定比母材嚴(yán)格。焊縫部位常發(fā)生破裂，一方面是由于焊接殘余應(yīng)力的作用，另一方面是焊縫金屬、熔合線及熱影響區(qū)出現(xiàn)淬硬組織的結(jié)果。為防止硫裂，焊后進(jìn)行有效的熱處理十分必要。

（5）氫損傷

氫滲透進(jìn)入金屬內(nèi)部而造成金屬性能劣化稱為氫損傷，也稱氫破壞。氫損傷可分為四種不同類型：氫鼓泡、氫脆、脫碳和氫腐蝕。


① 氫鼓泡及氫誘發(fā)階梯裂紋。

主要發(fā)生在含濕硫化氫的介質(zhì)中。

由上述過(guò)程可以看出，鋼在這種環(huán)境中，不僅會(huì)由于陽(yáng)極反應(yīng)而發(fā)生一般腐蝕，而且由于S2-在金屬表面的吸附對(duì)氫原子復(fù)合氫分子有阻礙作用，從而促進(jìn)氫原子向金屬內(nèi)滲透。

當(dāng)氫原子向鋼中滲透擴(kuò)散時(shí)，遇到了裂縫、分層、空隙、夾渣等缺陷，就聚集起來(lái)結(jié)合成氫分子造成體積膨脹，在鋼材內(nèi)部產(chǎn)生極大壓力（可達(dá)數(shù)百兆帕）。

如果這些缺陷在鋼材表面附近，則形成鼓泡，如圖8所示。如果這些缺陷在鋼的內(nèi)部深處，則形成誘發(fā)裂紋。它是沿軋制方向上產(chǎn)生的相互平行的裂紋，被短的橫向裂紋連接起來(lái)形成“階梯”。

氫誘發(fā)階梯裂紋輕者使鋼材脆化，重者會(huì)使有效壁厚減小到管道過(guò)載、泄漏甚至斷裂。

氫鼓泡需要一個(gè)硫化氫臨界濃度值。有資料介紹，硫化氫分壓在138Pa時(shí)將產(chǎn)生氫鼓泡。如果在含濕硫化氫介質(zhì)中同時(shí)存在磷化氫、砷、碲的化合物及CN-時(shí)，則有利于氫向鋼中滲透，它們都是滲氫加速劑。

氫鼓泡及氫誘發(fā)階梯裂紋一般發(fā)生在鋼板卷制的管道上。

② 氫脆。

無(wú)論以什么方式進(jìn)入鋼內(nèi)的氫，都將引起鋼材脆化，即伸長(zhǎng)率、斷面收縮率顯著下降，高強(qiáng)度鋼尤其嚴(yán)重。若將鋼材中的氫釋放出來(lái)（如加熱進(jìn)行消氫處理），則鋼的力學(xué)性能仍可恢復(fù)。氫脆是可逆的。

H2S-H2O介質(zhì)常溫腐蝕碳鋼管道能滲氫，在高溫高壓臨氫環(huán)境下也能滲氫；在不加緩蝕劑或緩蝕劑不當(dāng)?shù)乃嵯催^(guò)程能滲氫，在雨天焊接或在陰極保護(hù)過(guò)度時(shí)也會(huì)滲氫。

③ 脫碳。

在工業(yè)制氫裝置中，高溫氫氣管道易產(chǎn)生碳損傷。鋼中的滲碳體在高溫下與氫氣作用生成甲烷：

反應(yīng)結(jié)果導(dǎo)致表面層的滲碳體減少，而碳便從鄰近的尚未反應(yīng)的金屬層逐漸擴(kuò)散到此反應(yīng)區(qū)，于是有一定厚度的金屬層因缺碳而變?yōu)殍F素體。脫碳的結(jié)果造成鋼的表面強(qiáng)度和疲勞極限的降低。

④ 氫腐蝕。

鋼受到高溫高壓氫作用后，其力學(xué)性能劣化，強(qiáng)度、韌性明顯降低，并且是不可逆的，這種現(xiàn)象稱為氫腐蝕。

氫腐蝕的歷程可用圖9來(lái)解釋。

氫腐蝕的過(guò)程大致可分為三個(gè)階段：孕育期，鋼的性能沒(méi)有變化；性能迅速變化階段，迅速脫碳，裂紋快速擴(kuò)展；*后階段，固溶體中碳已耗盡。

氫腐蝕的孕育期是重要的，它往往決定了鋼的使用壽命。

某氫壓力下產(chǎn)生氫腐蝕有一起始溫度，它是衡量鋼材抗氫性能的指標(biāo)。低于這個(gè)溫度氫腐蝕反應(yīng)速度極慢，以至孕育期超過(guò)正常使用壽命。碳鋼的這一溫度大約在220℃左右。

氫分壓也有一個(gè)起始點(diǎn)（碳鋼大約在1.4MPa左右），即無(wú)論溫度多高，低于此分壓，只發(fā)生表面脫碳而不發(fā)生嚴(yán)重的氫腐蝕。

各種抗氫鋼發(fā)生腐蝕的溫度和壓力組合條件，就是杰出的Nelson曲線（在很多管道器材選用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范內(nèi)均有此曲線圖，如SH3059《石油化工管道設(shè)計(jì)器材選用通則》）。

冷加工變形，提高了碳、氫的擴(kuò)散能力，對(duì)腐蝕起加速作用。

某氮肥廠，氨合成塔出口至廢熱鍋爐的高壓管道，工作溫度320℃左右，工作壓力33MPa，工作介質(zhì)為H2、N2、NH3混合氣，應(yīng)按Nelson曲線選用抗氫鋼。其中有一異徑短管，由于錯(cuò)用了普通碳鋼，使用不久便因氫腐蝕而破裂，造成惡性事故，損失非常慘重。