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隨著高硫高酸原油加工量的增加，硫化氫對(duì)設(shè)備的腐蝕也愈加嚴(yán)重，已成為石化行業(yè)較為突出的問(wèn)題，特別是濕H2S應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂和氫致開(kāi)裂，所引起的事故往往是突發(fā)的、災(zāi)難性的。因此，開(kāi)展H2S腐蝕的相關(guān)研究對(duì)于確保石化設(shè)備的安全運(yùn)轉(zhuǎn)以及提高石化行業(yè)的生產(chǎn)效率具有重大的理論和實(shí)際意義。

一、基本性能研究：輸氣管線環(huán)焊接頭抗HIC性能研究

氫致裂紋(Hydrogen Induced Cracking，縮寫(xiě)為HIC)，作為一種缺陷存在于管線鋼及焊縫中，其對(duì)輸氣管線使用性能的影響至今尚無(wú)全面的認(rèn)識(shí)。但大量的研究表明，HIC對(duì)鋼材的常規(guī)強(qiáng)度指標(biāo)影響不大，但對(duì)韌性指標(biāo)影響較大，會(huì)使鋼材的脆性傾向增大。在四川境內(nèi)含硫化氫酸性輸氣管線中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)因HIC引起破裂的多起事故，給國(guó)家?guī)?lái)了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。目前，我國(guó)對(duì)管線鋼正在做比較系統(tǒng)的抗HIC性能傾向研究，環(huán)焊縫在整條管線中占相當(dāng)大的比重，但我國(guó)對(duì)其焊接頭抗HIC性能的研究還基本上處于空白。近幾年正值我國(guó)天然氣管道建設(shè)的高潮，為保證輸氣管線環(huán)焊縫質(zhì)量的可靠性，開(kāi)展對(duì)輸氣管線環(huán)焊接頭抗HIC性能研究是非常必要的，研究的成果直接用于工程實(shí)際，為輸油輸氣管線的施工建設(shè)可提供技術(shù)保障。

二、實(shí)驗(yàn)方法的選擇與應(yīng)用

2.1 裂紋的形成

氫致開(kāi)裂(HIC)與SSCC的驅(qū)動(dòng)力不同，HIC不需要像SSCC那樣的外力，其生成裂紋的驅(qū)動(dòng)力是靠進(jìn)入鋼中的氫產(chǎn)生的氣壓，當(dāng)氫氣壓超過(guò)材料屈服強(qiáng)度時(shí)便產(chǎn)生變形開(kāi)裂，裂紋間相互擴(kuò)展連接形成階梯型開(kāi)裂(SWC)。一般情況，H2S腐蝕環(huán)境用的管線鋼和壓力容器鋼等產(chǎn)品均需做HIC性能檢測(cè)。

2.2 確定對(duì)SSC的敏感性

表H-11中列出的是預(yù)測(cè)碳鋼設(shè)備和管線對(duì)HIC/SOHIC敏感性所需的數(shù)據(jù)。如果無(wú)法得知準(zhǔn)確的工藝參數(shù)，則需請(qǐng)知識(shí)淵博的工藝工程師來(lái)獲得最佳的估計(jì)。如果鋼板中的硫含量不知道，則需請(qǐng)知識(shí)淵博的材料工程師來(lái)估計(jì)鋼的質(zhì)量。

表H-11　分析HIC/SOHIC-H2S所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

如果沒(méi)有水存在，則認(rèn)為設(shè)備和管線對(duì)SCC/SOHIC沒(méi)有敏感性。如果有水存在，則用從表H-12中得出的有關(guān)水中的H2S含量和它的pH值的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)再?gòu)谋鞨-13中估計(jì)環(huán)境苛刻度(潛在的氫溶解量)。

如果有氰化物存在，在pH>8.3和H2S濃度大于1000 ppm時(shí)SCC的敏感性將增大。

對(duì)于用鋼板焊接或卷制而成的設(shè)備和大直徑管線，用從表H-12中確定的環(huán)境苛刻度和表H-11中列出的關(guān)于鋼板中硫化物含量和焊后熱處理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從表H-13中確定HIC/SOHIC的敏感性。小直徑的設(shè)備和管線通常被認(rèn)為HIC/SOHIC敏感性較低，除非在它沒(méi)有進(jìn)行過(guò)焊后熱處理并暴露在高苛刻度環(huán)境的情況外。此情況下應(yīng)認(rèn)為它具有中等敏感性。圖5是確定對(duì)HIC/SOHIC敏感性的步驟流程圖。

表H-12　環(huán)境苛刻程度

a.典型地包括20世紀(jì)80年代的早期添加了鈣的A516(HIC)鋼。

b.典型地包括A70、A201、A212、A285、A515和1990年以前的大多數(shù)A516。

C.典型地包括20世紀(jì)90年代的后期A516(HIC)鋼。

圖6 確定HIC/SOHIC的敏感性

2.3 實(shí)驗(yàn)樣品和溶液

樣品長(zhǎng)100mm，寬20mm，厚度為管壁厚度。管線鋼每個(gè)實(shí)驗(yàn)管管體和焊接接頭上各取三個(gè)樣品。壓力容器鋼母材試樣按照NACETM0284-96標(biāo)準(zhǔn)截取，其焊接樣參照管線鋼焊接試樣方法截取。實(shí)驗(yàn)采用NACETM0284-96或GB8650-88標(biāo)準(zhǔn)。兩標(biāo)準(zhǔn)都可以采用飽和H2S人工海水實(shí)驗(yàn)溶液，要求通入H2S前實(shí)驗(yàn)溶液pH值調(diào)至8.1-8.3，實(shí)驗(yàn)結(jié)束pH 值為4.8-5.4時(shí)實(shí)驗(yàn)有效。NACE標(biāo)準(zhǔn)還可采用標(biāo)準(zhǔn)A溶液，要求初始pH值為2.7±0.1，實(shí)驗(yàn)結(jié)束pH值<4.0。

圖7 HIC實(shí)驗(yàn)標(biāo)件形貌

2.4 計(jì)算方法及評(píng)定

HIC性能采用分割法，通過(guò)金相顯微鏡測(cè)量每個(gè)斷面裂紋的長(zhǎng)度和厚度，然后用裂紋敏感率(CSR)、裂紋長(zhǎng)度率(CLR)、裂紋厚度率(CTR)三個(gè)參數(shù)來(lái)表示。

國(guó)內(nèi)西氣東輸工程用X70管線鋼評(píng)定采用ISO383-3：1999(E)標(biāo)準(zhǔn)，CSR≤2%、CLR≤15%、CTR≤5%;歐洲腐蝕協(xié)會(huì)EFC-16標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，CSR≤1.5%、CLR≤15%、CTR≤3%; 煉油廠家提出了更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)：CSR≤0.5%、CLR≤5.0%、CTR≤1.5%。