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腐蝕機(jī)理

在濕的硫化氫環(huán)境中，氫致破壞是因?yàn)楫a(chǎn)生原子氫而引起的。原子氫是腐蝕反應(yīng)的副產(chǎn)物，之后，原子氫會擴(kuò)散進(jìn)入鋼中。如下所示，鋼與含水硫化氫發(fā)生腐蝕反應(yīng)時(shí)，就會產(chǎn)生原子氫(H)和分子氫(H2)：

Fe + H2S → FeS + 2 H ，接著，2H → H2

碳鋼設(shè)備發(fā)生均勻腐蝕和濕硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂。開裂的形式包括以下幾種。

（1）氫鼓泡含硫化合物腐蝕過程析出的氫原子向鋼中滲透，在裂紋、夾渣、缺陷等處聚集并形成分子，從而形成很大的膨脹力。隨著氫分子數(shù)量的增加，對晶格界面的壓力不斷增高，導(dǎo)致界面開裂形成氫鼓泡。主要分布在設(shè)備內(nèi)壁的淺表面。

（2）氫致開裂在鋼材內(nèi)部發(fā)生氫鼓泡的區(qū)域，當(dāng)氫的壓力繼續(xù)增高時(shí)，小的鼓泡裂紋趨向于相互連接，形成階梯狀特征的氫致開裂，分布在平行于表面方向，鋼中MnS夾雜帶狀組織分布會增加氫致開裂的敏感性。

（3）硫化物應(yīng)力腐蝕開裂濕硫化氫環(huán)境中產(chǎn)生的氫原子滲透到鋼的內(nèi)部，溶解于晶格中導(dǎo)致氫脆，在外加應(yīng)力或殘余應(yīng)力作用下形成開裂。它通常發(fā)生在焊縫與熱影響區(qū)等高硬度區(qū)。

（4）應(yīng)力導(dǎo)向氫致開裂在應(yīng)力引導(dǎo)下，在夾雜物與缺陷處因氫聚集而形成成排的小裂紋沿著垂直于應(yīng)力的方向發(fā)展。它通常發(fā)生在焊接接頭的熱影響區(qū)及高應(yīng)力集中區(qū)，如接管處、幾何形狀突變處、裂紋狀缺陷處或應(yīng)力腐蝕開裂處等。

濕硫化氫開裂是在濕硫化氫環(huán)境中發(fā)生的一種氫致破壞形式。在濕硫化氫環(huán)境中，因?yàn)榇嬖跉涠l(fā)生的其他破壞形式包括：氫鼓泡，硫化物應(yīng)力開裂(SSC)，氫致開裂(HIC)，應(yīng)力定向氫致開裂 (SOHIC)

一、氫致開裂(HIC)及氫鼓泡

氫致開裂是平行的氫層連通在一起產(chǎn)生穿壁裂縫造成的，它們與外加應(yīng)力或殘余應(yīng)力沒有明顯的相互作用。在鼓泡處，氫在內(nèi)部聚積產(chǎn)生的應(yīng)力加劇了氫致開裂。氫致開裂與鋼材的凈度密切相關(guān)，并且與鋼的制造方法、存在的雜質(zhì)和它們的形狀有關(guān)。 實(shí)驗(yàn)室執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T8650-2015、NACE TM0284-2016

非均質(zhì)的細(xì)長的硫化物或氧化物夾雜物如果是與鋼板軋制方向平行發(fā)生的，一般都會發(fā)生氫致開裂。這些夾雜物構(gòu)成形成顯微氫鼓泡的場所，這些顯微鼓泡會生長，并且最終通過臺階狀裂縫連在一起。事實(shí)上，有時(shí)候把氫致開裂叫做臺階狀開裂。

由于氫致開裂對應(yīng)力沒有依存關(guān)系，也不是伴隨硬化的顯微結(jié)構(gòu)發(fā)生的，所以，焊后熱處理一點(diǎn)作用也沒有。限制硫這樣的痕量元素以及控制鋼的制造變量，才能使鋼具有氫致開裂抗性。

氫鼓泡圖

宏觀下氫致裂紋圖

氫鼓泡是原子氫擴(kuò)散進(jìn)入鋼材并在空隙、夾層或非金屬夾雜物處被截獲而造成的。正如上文已經(jīng)提及的，進(jìn)入這些部位的氫原子結(jié)合在一起會形成分子氫，而分子氫是無法向外擴(kuò)散而逸出的。聚集在一起的氫氣的膨脹壓力終使部件發(fā)生穿壁分離，并在金屬表面出現(xiàn)明顯的鼓泡。

氫鼓泡會出現(xiàn)在一塊板的兩面，或者鼓泡出現(xiàn)在另一鼓泡頂上，取決于夾層的位置。它們大小不一，從小的突起到幾英尺直徑的腫脹。不斷增大的鼓泡會使表面發(fā)生扯裂，使設(shè)備失去承壓能力。

二、硫化物應(yīng)力開裂(SSC)

硫化物應(yīng)力開裂(SSC)是一種氫脆開裂形式，假如高強(qiáng)度鋼、硬焊縫和焊接熱影響區(qū)(HAZs)處于酸性環(huán)境中，受到拉伸應(yīng)力作用，并且溫度低于82°C(180°F)，就會發(fā)生硫化物應(yīng)力開裂。鋼材的硫化物應(yīng)力開裂易發(fā)性在很大程度上取決于其組成、顯微結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、殘余應(yīng)力、外加應(yīng)力。

將施加應(yīng)力的試樣浸泡在含H2S的酸性水溶液環(huán)境中，通過施加合適增量的載荷獲得材料抗SSCC性能數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)室執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4157-2017 及NACE TM0177-2016。

拉伸法

評價(jià)在單軸拉伸加載下的金屬抗SSCC性能。通常用斷裂時(shí)間確定SSCC敏感性。通過對拉伸試樣施加特定應(yīng)力級的載荷進(jìn)行720h試驗(yàn)，給出斷裂/未斷裂或開裂/未開裂試驗(yàn)結(jié)果。

試樣簡單，應(yīng)力狀況明確，試驗(yàn)結(jié)果易于判定，能由斷裂時(shí)間定量評定。但試驗(yàn)周期長(一般需進(jìn)行720h試驗(yàn))，限制需進(jìn)行此項(xiàng)試驗(yàn)的鋼板、設(shè)備等生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)進(jìn)度。

四點(diǎn)彎試驗(yàn)

評價(jià)材料存在應(yīng)力集中時(shí)的SSCC敏感性。將彎梁試樣加載到特定撓度，并將受力試樣暴露在特定的試驗(yàn)環(huán)境中。試驗(yàn)結(jié)束后在低倍顯微鏡下觀察受拉伸面，給出開裂破壞/未破壞的試驗(yàn)結(jié)果。

四點(diǎn)彎試樣尺寸簡單，便于試驗(yàn)小、局部和薄的材料。且加載裝置精巧、經(jīng)濟(jì)、可靠、獨(dú)特，使用方便。但試驗(yàn)周期較長，定量研究困難。

四點(diǎn)彎曲加載裝置圖

三、應(yīng)力定向氫致開裂(SOHIC)

應(yīng)力定向氫致開裂(SOHIC)與氫致開裂相似，所不同的是應(yīng)力定向氫致開裂是受應(yīng)力驅(qū)動的，并且開裂方向與基本應(yīng)力方向是垂直的。在原先有其他裂縫或缺陷的焊接熱影響區(qū)，常見應(yīng)力定向氫致開裂。由于裂縫形成和發(fā)展過程中存在應(yīng)力的影響，所以，為減小應(yīng)力定向氫致開裂，焊后熱處理多少是有點(diǎn)效用的。控制制造變量和痕量元素也是有效的。