探傷儀必備知識-壓力管道金屬材料的腐蝕(二)

注：曲線上部為危險區(qū)

（2）不銹鋼的氯離子應力腐蝕破裂

氯離子不但能引起不銹鋼孔蝕，更能引起不銹鋼的應力腐蝕破裂。

發(fā)生應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，氯離子濃度只要達到10-6，即能引起破裂。發(fā)生氯離子應力腐蝕破裂的臨界溫度為70℃。

具有氯離子濃縮的條件（反復蒸干、潤濕）是*易發(fā)生破裂的。工業(yè)中發(fā)生不銹鋼氯離子應力腐蝕破裂的情況相當普遍。

不銹鋼氯離子應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不鮮，如圖7所示。

作為管外側的腐蝕因素，被認為是保溫材料的問題，對保溫材料進行分析的結果，被檢驗出含有約0.5%的氯離子。這個數(shù)值可認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)過濃縮的結果。

（3）不銹鋼連多硫酸應力腐蝕破裂

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

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

（4）硫化物腐蝕破裂

① 金屬在同時含有硫化氫及水的介質(zhì)中發(fā)生的應力腐蝕破裂即為硫化物腐蝕破裂，簡稱硫裂。在天然氣、石油采集，加工煉制，石油化學及化肥等工業(yè)部門常常發(fā)生管道、閥門硫裂事故。發(fā)生硫裂所需的時間短則幾天，長則幾個月到幾年不等，但是未見超過十年發(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10-6，甚至在小于10-6的濃度下也會發(fā)生。

碳鋼和低合金鋼在20～40℃溫度范圍內(nèi)對硫裂的敏感性*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，則對鋼的硫裂起促進作用。

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

對于碳鋼和低合金鋼來說，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，這是因為這里的硬度*高。

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

（5）氫損傷

氫滲透進入金屬內(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。

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

當氫原子向鋼中滲透擴散時，遇到了裂縫、分層、空隙、夾渣等缺陷，就聚集起來結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形成“階梯”。

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

氫鼓泡需要一個硫化氫臨界濃度值。有資料介紹，硫化氫分壓在138Pa時將產(chǎn)生氫鼓泡。如果在含濕硫化氫介質(zhì)中同時存在磷化氫、砷、碲的化合物及CN-時，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。

無論以什么方式進入鋼內(nèi)的氫，都將引起鋼材脆化，即伸長率、斷面收縮率顯著下降，高強度鋼尤其嚴重。若將鋼材中的氫釋放出來（如加熱進行消氫處理），則鋼的力學性能仍可恢復。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?shù)乃嵯催^程能滲氫，在雨天焊接或在陰極保護過度時也會滲氫。

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：

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

④ 氫腐蝕。

鋼受到高溫高壓氫作用后，其力學性能劣化，強度、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來解釋。

氫腐蝕的過程大致可分為三個階段：孕育期，鋼的性能沒有變化；性能迅速變化階段，迅速脫碳，裂紋快速擴展；*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。低于這個溫度氫腐蝕反應速度極慢，以至孕育期超過正常使用壽命。碳鋼的這一溫度大約在220℃左右。

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

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準規(guī)范內(nèi)均有此曲線圖，如SH3059《石油化工管道設計器材選用通則》）。

冷加工變形，提高了碳、氫的擴散能力，對腐蝕起加速作用。

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，應按Nelson曲線選用抗氫鋼。其中有一異徑短管，由于錯用了普通碳鋼，使用不久便因氫腐蝕而破裂，造成惡性事故，損失非常慘重。