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探伤仪必备常识-压力管道金属材料的腐蚀(二)

日期:2021-12-03 10:57
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摘要:探伤仪必备常识-压力管道金属材料的腐蚀(二) 注:曲线上部为危险区 (2)不锈钢的氯离子应力腐蚀破裂 氯离子不但能引起不锈钢孔蚀,更能引起不锈钢的应力腐蚀破裂。 发生应力腐蚀破裂的临界氯离子浓度随温度的上升而减小,高温下,氯离子浓度只要达到10-6,即能引起破裂。发生氯离子应力腐蚀破裂的临界温度为70℃。 具有氯离子浓缩的条件(反复蒸干、润湿)是*易发生破裂的。工业中发生不锈钢氯离子应力腐蚀破裂的情况相当普遍。 不锈钢氯离子应力腐蚀破裂不仅仅发生在管道的内壁,发生在管道...
探伤仪必备常识-压力管道金属材料的腐蚀(二)



注:曲线上部为危险区

(2)不锈钢的氯离子应力腐蚀破裂

氯离子不但能引起不锈钢孔蚀,更能引起不锈钢的应力腐蚀破裂。

发生应力腐蚀破裂的临界氯离子浓度随温度的上升而减小,高温下,氯离子浓度只要达到10-6,即能引起破裂。发生氯离子应力腐蚀破裂的临界温度为70℃。

具有氯离子浓缩的条件(反复蒸干、润湿)是*易发生破裂的。工业中发生不锈钢氯离子应力腐蚀破裂的情况相当普遍。

不锈钢氯离子应力腐蚀破裂不仅仅发生在管道的内壁,发生在管道外壁的事例也屡见不鲜,如图7所示。


作为管外侧的腐蚀因素,被认为是保温材料的问题,对保温材料进行分析的结果,被检验出含有约0.5%的氯离子。这个数值可认为是保温材料中含有的杂质,或由于保温层破损、浸入的雨水中带入并经过浓缩的结果。

(3)不锈钢连多硫酸应力腐蚀破裂

以加氢脱硫装置*为典型,不锈钢连多硫酸(H2SxO6,x=3~5)的应力腐蚀破裂颇为引人关注。

管道在正常运行时,受硫化氢腐蚀,生成的硫化铁,在停车检修时,与空气中的氧及水反应生成了H2SxO6。在Cr-Ni奥氏体不锈钢管道的残余应力较大的部位(焊缝热影响区、弯管部位等)产生应力腐蚀裂纹。

(4)硫化物腐蚀破裂

① 金属在同时含有硫化氢及水的介质中发生的应力腐蚀破裂即为硫化物腐蚀破裂,简称硫裂。在天然气、石油采集,加工炼制,石油化学及化肥等工业部门常常发生管道、阀门硫裂事故。发生硫裂所需的时间短则几天,长则几个月到几年不等,但是未见超过十年发生硫裂的事例。

② 硫裂的裂纹较粗,分支较少,多为穿晶型,也有晶间型或混合型。发生硫裂所需的硫化氢浓度很低,只要略超过10-6,甚至在小于10-6的浓度下也会发生。

碳钢和低合金钢在20~40℃温度范围内对硫裂的敏感性*大,奥氏体不锈钢的硫裂大多发生在高温环境中。随着温度升高,奥氏体不锈钢的硫裂敏感性增加。

在含硫化氢及水的介质中,如果同时含醋酸,或者二氧化碳和氯化钠,或磷化氢,或砷、硒、锑、碲的化合物或氯离子,则对钢的硫裂起促进作用。

对于奥氏体不锈钢的硫裂,氯离子和氧起促进作用,304L和316L不锈钢对硫裂的敏感性有如下的关系:H2S+H2O<H2S+H2O+Cl-<H2S+H2O+Cl-+O2(硫裂的敏感性由弱到强)。

对于碳钢和低合金钢来说,淬火+回火的金相组织抗硫裂*好,未回火马氏体组织*差。钢抗硫裂性能依淬火+回火组织→正火+回火组织→正火组织→未回火马氏体组织的顺序递降。

钢的强度越高,越易发生硫裂。钢的硬度越高,越易发生硫裂。在发生硫裂的事故中,焊缝特别是熔合线是*易发生破裂的部位,这是因为这里的硬度*高。

NACE对碳钢焊缝的硬度进行了严格的规定:≤200HB。这是因为焊缝硬度的分布比母材复杂,所以对焊缝硬度的规定比母材严格。焊缝部位常发生破裂,一方面是由于焊接残余应力的作用,另一方面是焊缝金属、熔合线及热影响区出现淬硬组织的结果。为防止硫裂,焊后进行有效的热处理十分必要。

(5)氢损伤

氢渗透进入金属内部而造成金属性能劣化称为氢损伤,也称氢破坏。氢损伤可分为四种不同类型:氢鼓泡、氢脆、脱碳和氢腐蚀。


① 氢鼓泡及氢诱发阶梯裂纹。

主要发生在含湿硫化氢的介质中。


由上述过程可以看出,钢在这种环境中,不仅会由于阳极反应而发生一般腐蚀,而且由于S2-在金属表面的吸附对氢原子复合氢分子有阻碍作用,从而促进氢原子向金属内渗透。

当氢原子向钢中渗透扩散时,遇到了裂缝、分层、空隙、夹渣等缺陷,就聚集起来结合成氢分子造成体积膨胀,在钢材内部产生极大压力(可达数百兆帕)。

如果这些缺陷在钢材表面附近,则形成鼓泡,如图8所示。如果这些缺陷在钢的内部深处,则形成诱发裂纹。它是沿轧制方向上产生的相互平行的裂纹,被短的横向裂纹连接起来形成“阶梯”。

氢诱发阶梯裂纹轻者使钢材脆化,重者会使有效壁厚减小到管道过载、泄漏甚至断裂。



氢鼓泡需要一个硫化氢临界浓度值。有资料先容,硫化氢分压在138Pa时将产生氢鼓泡。如果在含湿硫化氢介质中同时存在磷化氢、砷、碲的化合物及CN-时,则有利于氢向钢中渗透,它们都是渗氢加速剂。

氢鼓泡及氢诱发阶梯裂纹一般发生在钢板卷制的管道上。

② 氢脆。

无论以什么方式进入钢内的氢,都将引起钢材脆化,即伸长率、断面收缩率显著下降,高强度钢尤其严重。若将钢材中的氢释放出来(如加热进行消氢处理),则钢的力学性能仍可恢复。氢脆是可逆的。

H2S-H2O介质常温腐蚀碳钢管道能渗氢,在高温高压临氢环境下也能渗氢;在不加缓蚀剂或缓蚀剂不当的酸洗过程能渗氢,在雨天焊接或在阴极保护过度时也会渗氢。

③ 脱碳。

在工业制氢装置中,高温氢气管道易产生碳损伤。钢中的渗碳体在高温下与氢气作用生成甲烷:


反应结果导致表面层的渗碳体减少,而碳便从邻近的尚未反应的金属层逐渐扩散到此反应区,于是有一定厚度的金属层因缺碳而变为铁素体。脱碳的结果造成钢的表面强度和疲劳极限的降低。

④ 氢腐蚀。

钢受到高温高压氢作用后,其力学性能劣化,强度、韧性明显降低,并且是不可逆的,这种现象称为氢腐蚀。

氢腐蚀的历程可用图9来说明。


氢腐蚀的过程大致可分为三个阶段:孕育期,钢的性能没有变化;性能迅速变化阶段,迅速脱碳,裂纹快速扩展;*后阶段,固溶体中碳已耗尽。


氢腐蚀的孕育期是重要的,它往往决定了钢的使用寿命。

某氢压力下产生氢腐蚀有一起始温度,它是衡量钢材抗氢性能的指标。低于这个温度氢腐蚀反应速度极慢,以至孕育期超过正常使用寿命。碳钢的这一温度大约在220℃左右。

氢分压也有一个起始点(碳钢大约在1.4MPa左右),即无论温度多高,低于此分压,只发生表面脱碳而不发生严重的氢腐蚀。

各种抗氢钢发生腐蚀的温度和压力组合条件,就是杰出的Nelson曲线(在很多管道器材选用标准规范内均有此曲线图,如SH3059《石油化工管道设计器材选用通则》)。

冷加工变形,提高了碳、氢的扩散能力,对腐蚀起加速作用。

某氮肥厂,氨合成塔出口至废热锅炉的高压管道,工作温度320℃左右,工作压力33MPa,工作介质为H2、N2、NH3混合气,应按Nelson曲线选用抗氢钢。其中有一异径短管,由于错用了普通碳钢,使用不久便因氢腐蚀而破裂,造成恶性事故,损失非常惨重。

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