黑水環(huán)境中氯離子濃度對不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂敏感性的影響

單廣斌，遲立鵬，李貴軍，黃賢濱，屈定榮

（1.中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院，青島266071；2.北京科技大學(xué)，北京100086）

M廠煤制氫裝置采用GE“非催化部分氧化法”水煤漿氣化技術(shù)，原料中的氯含量時常超設(shè)計值，即物料中的Cl－含量增多，而該裝置中的許多設(shè)備和管道選用了18-8奧氏體不銹鋼，Cl－的增加不僅會增加點蝕，還會引起應(yīng)力腐蝕開裂，這也引發(fā)了企業(yè)的擔(dān)心。目前，關(guān)于氯化物濃度與不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂關(guān)系的研究已較多。如不銹鋼在100℃以下常壓環(huán)境水溶液中的應(yīng)力腐蝕規(guī)律［1-11］；不銹鋼在沸騰氯化物鹽溶液中的腐蝕規(guī)律［12-13］；不銹鋼在高溫高壓水溶液或蒸汽中的腐蝕及影響因素［14-15］等。煤制氫裝置所處的黑水環(huán)境不僅具有高溫高壓，而且含有CO2、硫化物等腐蝕性介質(zhì)，而目前關(guān)于該環(huán)境中應(yīng)力腐蝕規(guī)律的研究還鮮見報道，本工作針對煤制氫裝置所處的高溫高壓環(huán)境，開展了Cl－濃度對不銹鋼應(yīng)力腐蝕敏感性影響的研究。

1 試驗

拉伸試樣采用固溶態(tài)00Cr18Ni10不銹鋼板，標(biāo)距段長度為25.4 mm，直徑為5 mm，Ra＜3μm。

試驗環(huán)境模擬M廠的煤制氫黑水環(huán)境：溫度250℃，壓力6.5 MPa，氨氮質(zhì)量濃度320 mg／L，硫化物質(zhì)量濃度1 mg／L，氣相中CO2體積分?jǐn)?shù)18%，Cl－質(zhì)量濃度為0，5，10，50，100，200，400 mg／L。

拉伸試驗采用CORTEST慢拉伸測試系統(tǒng)，測試方法參照GB／T 15970 2001《金屬和合金的腐蝕 應(yīng)力腐蝕試驗第7部分 慢應(yīng)變速率試驗》進(jìn)行，試樣完全浸沒于溶液中，應(yīng)變速率為10－5／s。

2 結(jié)果與討論

由圖1可見：隨著溶液中Cl－量的增加，試樣的抗拉強度降低。試驗環(huán)境中得到應(yīng)力應(yīng)變曲線包圍的面積標(biāo)記為S1，惰性介質(zhì)中應(yīng)力應(yīng)變曲線包圍的面積標(biāo)記為S2，比值y＝S1／S2，y的大小反映了材料的應(yīng)力腐蝕敏感性，y值越小，應(yīng)力腐蝕敏感性越高，結(jié)果見表1。

圖1 試樣在含不同量Cl－試驗溶液中的SSRT曲線Fig.1 SSRT curves of samples in test solution containing different concentrations of Cl－

表1 試樣在含不同量Cl-試驗溶液中的應(yīng)力腐蝕敏感性Tab.1 The sensitivity to stress corrosion cracking of samples in test solution containing different concentrations of Cl－

由表1可見：隨著溶液中Cl－含量的增加，試樣的應(yīng)力腐蝕敏感性增大。當(dāng)溶液中Cl－質(zhì)量濃度為0～10 mg／L時，其斷后伸長率僅約為6%；應(yīng)力腐蝕敏感性急劇變化；且當(dāng)Cl－質(zhì)量濃度為10 mg／L時，試樣的應(yīng)力腐蝕敏感性已比較高，當(dāng)Cl－質(zhì)量濃度為10～400 mg／L時，應(yīng)力腐蝕敏感性變化相對比較緩和。

由圖2可見：應(yīng)力腐蝕敏感性隨Cl－質(zhì)量濃度變化的突變點為16.8 mg／L，即應(yīng)力腐蝕發(fā)生的臨界Cl－質(zhì)量濃度為16.8 mg／L，這明顯低于溫度60℃，p H＝7條件下的（90 mg／L）［10］。

由圖3可見：當(dāng)溶液中的Cl－質(zhì)量濃度為0和5 mg／L時，試樣斷口形貌以韌窩為主，表現(xiàn)出明顯的韌性斷裂特征；當(dāng)溶液中Cl－質(zhì)量濃度為10 mg／L時，斷口出現(xiàn)韌窩＋沿晶和少量穿晶混合特征；進(jìn)一步增加Cl－質(zhì)量濃度，試樣斷口的沿晶和穿晶脆性特征更加明顯；繼續(xù)增加Cl－質(zhì)量濃度為200 mg／L，脆斷面積約為90%。

圖2 應(yīng)力腐蝕敏感性隨Cl－質(zhì)量濃度的變化曲線Fig.2 Change curve of sensitivity to SCC vs Cl－concentrations

圖3 試樣在含不同量Cl－溶液中經(jīng)SSRT后的斷口微觀形貌Fig.3 Micro morphology of the fracture of samples after SSRT in the solution containing different concentrations of Cl－

3 結(jié)論

在M廠煤制氫裝置黑水環(huán)境中，00Cr18Ni10鋼試樣的應(yīng)力腐蝕敏感性隨溶液中Cl－含量的增加而增大，應(yīng)力腐蝕敏感性發(fā)生突變的Cl－質(zhì)量濃度為16.8 mg／L。