可调缩孔谈氢损伤:金属材料常见腐蚀介
2018年09月14日
沧州五森管道有限公司
可调缩孔运行过程中,氢是普遍存在的一种腐蚀介质,这不仅仅在于有许多氢处理生产装置,而石油产品本身 是碳氢化合物,在加工过程中,由于它的分解和聚合,都将释放和吸收氢。在其它反应中,如H2O、H2S等物质的分解和反应,都会释放出氢,因此说,氢损伤在石油加工过程中发生的范围很广,也是一种对可调缩孔的危害比较大的腐蚀形式。
前面已经提到,氢损伤可分为四种主要型式,即氢脆、氢鼓泡、表面脱碳和氢腐蚀(也叫内部脱碳),前二者多发生在低温条件下,后两种多发生在高温度条件下。
1、氢脆
由于氢原子比较小,在一定条件下它能渗入金属的晶格内,钉扎着晶格使其不易变形,若变形则表现为脆变。这种由于氢原子的作用而使金属变脆(可调缩孔材料的延伸率和断面收缩率 下降)的现象称为氢脆。当受外力作用时,金属材料会在毫无预测的情况下突然脆断,而且呈延迟破坏 征。氢脆是可逆的,通过热处理可将金属中的溶解氢释放出去,而金属也将恢复其原有的机械性能。
影响氢脆的因素有:
a、氢分压。氢分压越高,延迟破坏时时间越短。
b、温度。高温下不发生氢脆,此时它已转化为氢腐蚀。温度太低时也不发生,因为此时氢不具备大量渗入金属晶格内的活性。它一般多发生在-30℃~30℃温度区间内。
c、可调缩孔金属材料的强度。强度越高,发生氢脆的可能性越大。
d、金属的金相组织。如马氏体组织发生氢脆的指数是球状珠光体组织的3倍。
e、应力水平。材料的脆断是在足够的应力作用下发生的,降低应力水平,使其低于晶格滑移所需的 小能量,氢脆将不会发生。
工程上防止氢脆发生的措施有:避开其温度敏感区使用;选用强度低的材料;降低金属构件的应力水平。
2、氢鼓泡
氢原子渗入到可调缩孔金属材料内部,在遇到裂纹、夹杂、气孔等空隙处,会聚集并结合成氢分子。氢分子的产生伴随着体积的急剧膨胀,从而产生很高的内部氢气压力,这个压力将导致原微观缺陷的扩展。如果材料内部缺陷的扩展方向对着钢材表面,或者该缺陷靠近金属表面,则将产生氢鼓泡。氢鼓泡一般发生在常温下,而且有无应力存在都能产生。
影响氢扩散的因素都会影响到氢鼓泡的产生。除此之外,影响氢鼓泡产生的主要因素是材料内部的缺陷。因此,工程上要严格控制临氢管道元件的制造缺陷, 别是金相偏析、非金属夹杂物和微裂纹的存在以及存在形态和多少。
3、表面脱碳和氢腐蚀
在高温高压条件下,氢会与钢材中的不稳定碳化物发生化学反应生成甲烷,反应式为:
C + 2H2CH4
Fe3C + 2H23Fe + CH4
该反应如果发生在钢材表面,则称之为表面脱碳。如果发生在可调缩孔常用钢材内部则称之为氢腐蚀(也叫内部脱碳)。钢材的表面脱碳为均匀性的化学腐蚀,因此并不可怕。而内部脱碳则是复杂的化学腐蚀+局部腐蚀(早期)+应力腐蚀的综合。它的产生有一个过程:首先是氢原子侵入钢材内部,可调缩孔在一定的温度和压力条件下,氢原子会与钢材中的碳化合生成甲烷,甲烷气因为其分子较大而不能从钢材中逸出,而是聚集在晶界或夹杂物附近。随着甲烷气的增多,压力逐渐升高, 终导致裂纹和鼓泡的产生,直到钢材发生破坏。
影响钢材表面脱碳和内部脱碳的主要因素是氢分压和温度。工程上,防止氢蚀破坏的选材依据是Nelson曲线。该曲线由美国石油学会以API941标准发布,目前已被世界各国 采用。实践证明,它是一个 而且适用的可调缩孔选材依据。
在应用Nelson曲线时,应注意它的数据大部分来源于工业实际报告,而来自实验室的数据很少,可以说它是一个统计值的描述,目前尚未得到理论上的验证,因此在查曲线数据时,应在设计温度的基础上加30℃~50℃作为基准温度,以便给出一个 系数。
石油化工钢制可调缩孔材料选用标准SH3075中的图9.1.1-1和图9.1.1-2给出了较新版的Nelson曲线,本书在此省略。
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