工业腐蚀与防护--13加氢装置的氢损伤

海川老鱼 · 发表于 2026-2-15 15:43:31

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[color=var(--new-content-color)]氢损伤是加氢装置（包括加氢裂化和加氢精制）在高温、高压、临氢的苛刻操作条件下，设备材料面临的一类典型且危害极大的损伤形式——它泛指由于氢原子扩散进入金属本体或与金属发生反应，从而导致材料性能（尤其是韧性、延展性和强度）发生破坏的现象——加氢装置的原料油中通常含有硫、氮等杂质，它们与氢反应生成硫化氢、氨等腐蚀性介质，进一步加剧了设备的损伤风险

氢损伤指的是金属材料由于含有氢或与氢相互作用而导致力学性能变坏的现象。按照氢损伤发生的温度条件，可以分为氢脆与氢腐蚀;按照氢损伤是否可以通过消氢处理恢复材料原来的力学性能，分为可逆与不可逆氢损伤。

氢脆可以包括氢压裂纹(钢中白点、H2S诱发裂纹、焊接冷裂纹和充氢或酸洗裂纹)、氢化物脆、氢致马氏体相变和氢致滞后断裂等;氢腐蚀主要是指在中温和高温下，氢与钢中的碳反应生成甲烷，产生氢鼓泡和裂纹，导致材料力学性能变坏的现象。

氢损伤产生的条件

(一)氢压裂纹

1、钢中的白点。钢材剖面酸洗后有时可以看到像头发丝一样的细长裂纹，其宽度一般约1m，故也常称为“发裂”，如沿着这些裂纹把试样打断，在断口上可观察到具有银白色光泽的椭圆形斑点，故称为“白点”，它实际上是一个内部充满H2的钱币形裂纹。

白点形成的原因一般公认是氢压的作用，如钢中存在内应力，则能叠加到氢压上，使白点更容易出现。白点的核是钢中原来就存在的一些缺陷。钢中的含氢量是决定能否产生白点的基本因素。出现白点的临界氢含量与钢种有关，也与构件尺寸有关，构件尺寸大时，氢不易扩散出去，更容易出现白点。钢的化学成分和组织结构对白点的产生有很大的影响，奥氏体钢、铁素体钢及莱氏体钢对白点不敏感，重轨钢、合金结构钢和一些合金工具钢容易形成白点。钢在冷却过程中产生的内应力，即热应力和相变应力(例如马氏体相变时能产生很高的内应力)，是促进白点的重要因素。

2、H2S诱发裂纹。碳钢或低合金管线钢在H2S溶液中浸泡时，即使不加外应力，试样内部也会产生微裂纹，裂纹呈台阶状，如裂纹处在试样表面附近，则容易在表面引起鼓泡。一般认为，这是由氢压引起的。H2S在钢的界面上反应生成H，它进入试样后就富集在夹杂物(特别是长条状的MnS)周围，夹杂是氢陷阱，复合成H2，产生氢压。如果管材存在偏析，则偏析带中S、P和Mn明显富集，这时尽管平均S量很低，仍可以在偏析带中产生H2S诱发裂纹。H2S诱发裂纹主要在长条状的MnS夹杂上形核，而且单位面积上夹杂总长度愈大，氢诱发裂纹愈容易产生。

3、焊接冷裂纹。焊接过程是个局部冶炼过程，焊条及大气中的水分会进入熔池变成H，当进入的氢量较高时，在焊后的冷却过程中，就有可能产生氢压微裂纹(类似于钢中白点)。

4、充氢(酸洗)过程中产生的微裂纹。在酸洗或电镀、电解充氢过程中，也有可能产生氢压裂纹，在抛光的试样表面上观察不到滑移线的痕迹。即使是低碳钢或纯铁，在严重电解充氢时，也能产生氢诱发裂纹。裂纹往往在晶界、位错缠结处及碳化物上形核。

(二)氢致化学变化导致的氢脆(氢蚀)

在高温高压下，氢进入钢中后与碳化物反应生成甲烷，形成的CH，分子不能从钢中扩散出来，就在晶界夹杂物处形成气泡，并有很大压力。随着CH;的不断形成，气泡不断长大，当气泡中CH，的压力大于材料在该温度下的强度时，就会使气泡转化成裂纹。环境H:的压力愈高，温度愈高，则甲烷气泡中的压力就愈大，当甲烷气泡中的压力等于材料的断裂强度时，就会导致微裂纹形核。与此同时，生成甲烷的反应使钢形成脱碳，降低了钢的强度。

(三)氢致相变导致的氢脆

1、氢化物脆。很多金属或合金(如Ti，Zr，Hf，V，Nb，Ta，RE等)能形成稳定的氢化物，氢化物是一种脆性中间相，一旦有氢化物析出，材料的塑性和韧性就会下降，即氢化物析出导致材料变脆。这是一种氢致相变引起的氢脆。

2、氢致马氏体相变。对于不稳定型奥氏体不锈钢(如Ni、Cr含量相对低的304、321、316钢等18-8型不锈钢)，在室温时是奥氏体，材料的塑性和韧性很好，但如深冷淬火(低于一60°C)或室温冷加工，则部分奥氏体就会转变成马氏体。一旦出现马氏体相，材料的塑性和韧性就明显下降。

(四)氢致滞后断裂

在恒载荷(或恒位移)条件下，原子氢通过应力诱导扩散富集到临界值后，就引起氢致裂纹的形核、扩展，从而导致低应力断裂的现象称为氢致滞后断裂。所谓滞后是指氢扩散富集到临界值需要经过一段时间，故加载后要经过一定时间后，氢致裂纹才会形核和扩展。如把原子氢除去后，就不会发生滞后断裂，故它也是可逆的。

海川老鱼 · 发表于 2026-2-15 16:00:56