抗H2S腐蚀HIC试验和SSC试验

2006年8月庆阳市特种设备检验所在对中石油某石化分公司的压力容器进行全面检验时，发现2003年投用的液态烃沉降罐(材质16MnR)罐体内壁表面有氢致鼓包多处，其最大直径约200 mm。另外在换热器、异构化装置、液化石油气储罐及富气水洗罐中也发现了鼓包、微裂纹及分层现象。其中一些设备存在的缺陷在原工艺条件下会继续产生和扩展。由于这些缺陷类似且较多，因此对其进行分析研究，提出相应的措施对存在缺陷设备的安全运行有重要意义。
原因分析

该石化分公司所用原油中含硫量有时偏高，从设备使用单位的分析数据得知，已出现问题设备的介质中不同程度都含有硫。原油在提炼中虽经脱硫处理但脱硫效果并不稳定，因此，湿硫化氢环境(H2S+H：0型的腐蚀环境)广泛存在于炼油厂原油加工的第一道工序、炼油厂二次加工装置的轻油部位、石油化工催化装置及液化石油气储罐等部位。
根据有关文献并结合该石化分公司的实际情况，设备介质中存在硫化氢成分是导致上述压力容器发生腐蚀损坏的根本原因。
另外，在使用中也存在着许多引起局部高应力的因素，包括力学或化学损伤，诸如磨损、磨蚀、点蚀、晶间腐蚀、浓差电池腐蚀、缝隙腐蚀等各种形式的局部腐蚀；构件各部分处于不同温度下产生的温差应力；碳、氢、氮、氧等气态碳化物介质扩散进入金属构件内部及存在残余应力等。当应力和腐蚀环境组合时，很容易造成设备的腐蚀与损坏。
腐蚀机理

在湿的硫化氢环境中，氢致破坏是因为产生原子氢而引起的。原子氢是腐蚀反应的副产物，之后，原子氢会扩散进入钢中。如下所示，钢与含水硫化氢发生腐蚀反应时，就会产生原子氢（H）和分子氢（H2）： Fe + H2S → FeS + 2 H ，接着，2H → H2碳钢设备发生均匀腐蚀和湿硫化氢应力腐蚀开裂。开裂的形式包括以下几种。(1)氢鼓泡含硫化合物腐蚀过程析出的氢原子向钢中渗透，在裂纹、夹渣、缺陷等处聚集并形成分子，从而形成很大的膨胀力。随着氢分子数量的增加，对晶格界面的压力不断增高，导致界面开裂形成氢鼓泡。主要分布在设备内壁的浅表面。(2)氢致开裂在钢材内部发生氢鼓泡的区域，当氢的压力继续增高时，小的鼓泡裂纹趋向于相互连接，形成阶梯状特征的氢致开裂，分布在平行于表面方向，钢中MnS夹杂带状组织分布会增加氢致开裂的敏感性。(3)硫化物应力腐蚀开裂湿硫化氢环境中产生的氢原子渗透到钢的内部，溶解于晶格中导致氢脆，在外加应力或残余应力作用下形成开裂。它通常发生在焊缝与热影响区等高硬度区。(4)应力导向氢致开裂在应力引导下，在夹杂物与缺陷处因氢聚集而形成成排的小裂纹沿着垂直于应力的方向发展。它通常发生在焊接接头的热影响区及高应力集中区，如接管处、几何形状突变处、裂纹状缺陷处或应力腐蚀开裂处等。湿硫化氢开裂是在湿硫化氢环境中发生的一种氢致破坏形式。在湿硫化氢环境中，因为存在氢而发生的其他破坏形式包括：•氢鼓泡 •硫化物应力开裂（SSC） •氢致开裂（HIC） •应力定向氢致开裂 （SOHIC）
一、氢致开裂（HIC）及氢鼓泡
氢致开裂是平行的氢层连通在一起产生穿壁裂缝造成的，它们与外加应力或残余应力没有明显的相互作用。在鼓泡处，氢在内部聚积产生的应力加剧了氢致开裂。氢致开裂与钢材的净度密切相关，并且与钢的制造方法、存在的杂质和它们的形状有关。 实验室执行标准GB/T8650-2015、NACE TM0284-2016非均质的细长的硫化物或氧化物夹杂物如果是与钢板轧制方向平行发生的，一般都会发生氢致开裂。这些夹杂物构成形成显微氢鼓泡的场所，这些显微鼓泡会生长，并且最终通过台阶状裂缝连在一起。事实上，有时候把氢致开裂叫做台阶状开裂。 由于氢致开裂对应力没有依存关系，也不是伴随硬化的显微结构发生的，所以，焊后热处理一点作用也没有。限制硫这样的痕量元素以及控制钢的制造变量，才能使钢具有氢致开裂抗性


氢鼓泡是原子氢扩散进入钢材并在空隙、夹层或非金属夹杂物处被截获而造成的。正如上文已经提及的，进入这些部位的氢原子结合在一起会形成分子氢，而分子氢是无法向外扩散而逸出的。聚集在一起的氢气的膨胀压力终使部件发生穿壁分离，并在金属表面出现明显的鼓泡。氢鼓泡会出现在一块板的两面，或者鼓泡出现在另一鼓泡顶上，取决于夹层的位置。它们大小不一，从小的突起到几英尺直径的肿胀。不断增大的鼓泡会使表面发生扯裂，使设备失去承压能力。