抗硫化氫腐蝕壓力容器鋼板的開發及生產實踐

張宇秋

摘? 要：本文對壓力容器鋼板在濕硫化氫環境中的腐蝕研究現狀進行了簡要的綜述。對影響濕硫化氫腐蝕的相關元素，以及鋼材中非金屬夾雜物、金相組織、硬度和鋼板表面質量等能夠影響到鋼材抗濕硫化氫腐蝕性能的因素進行了分析，并對其生產工藝進行了研究。

關鍵詞：抗硫化氫腐蝕;氫致開裂;硫化氫應力腐蝕開裂;工藝

硫化氫腐蝕事故的發生，通常是沒有預兆的突發性事故，一旦出現就會造成嚴重的災難性后果。因此，對硫化氫腐蝕機理和影響因素進行研究，提升壓力容器鋼板的抗硫化氫腐蝕性能，防止事故的發生，有著非常重要的意義。

一、硫化氫腐蝕機理研究現狀

經過大量的科學研究，在相應的試驗研究當中，已經出現了多種理論來解釋應力腐蝕現象，但目前還缺乏一個公認的統一機理。有些理論認為硫化氫腐蝕的機理有兩種，氫致開裂機理和陽極溶解機理^[1]。其中陽極溶解機理主要是指：陽極區域是腐蝕的重點，這一區域的金屬表面會首先被鈍化，相應的腐蝕介質會將金屬表面的鈍化膜破壞，因此而漸漸形成裂紋。氫致開裂認為陰極區域是腐蝕的重點發生區域，關于這一機理包括了氫內壓理論、氫致局部塑形理論以及氫降低表面能理論。在實際的生產實踐中，濕硫化氫腐蝕壓力容器鋼板的主要表現有兩種：

1、氫致開裂

在進行腐蝕時，其中的氫原子會滲透進壓力容器鋼板當中，并在其中的晶粒間聚集，從而形成局部高壓，這樣就會將應力集中起來，由此在鋼板的表面形成微裂紋或者是鼓泡。鋼板的延伸性以及端面收縮率會因為這些微裂紋以及鼓泡出現下降，鋼板的強度也會改變，因而就會導致氫致開裂。氫致開裂在鋼體內部的產生與傳播，并不需要應力就可以實現。

2、硫化氫應力腐蝕開裂

經過大量的研究，可以確定造成硫化氫應力腐蝕的條件有三個，敏感性材料、酸性環境和應力。鋼板在濕硫化氫環境下工作時，容器材料會在腐蝕介質以及應力的聯合作用下，很容易發生低應力且無任何預兆的突發性斷裂。在應力作用下，這一裂紋會呈橫向發展趨勢。初始裂紋一旦連接，就會造成應力腐蝕開裂的產生。從宏微觀斷裂力學的角度看，關于應力腐蝕開裂，基本上可以被分為裂紋萌生期、裂紋發展期以及裂紋迅速擴展至斷裂期。

在三個階段當中，總斷裂時間的十分之九都處于裂紋萌生期。因此，要實現的裂紋的有效控制，可以通過消除拉應力，并對硫化氫下鋼材的腐蝕情況進行抑制，就可以實現對裂紋擴展的控制。濕硫化氫腐蝕致使壓力容器鋼失效的研究過程中，很少有關于氫致開裂與應力腐蝕開裂之間關系的研究內容。已有的研究當中，認為可以用內壓理論來同時解釋氫致開裂和應力開裂的形成機理，以及研究中還發現二者所造成的裂紋發展方向基本上都是與鋼的軋制方向相同。

二、抗濕硫化氫腐蝕性能材料的影響因素

1、影響濕硫化氫腐蝕的主要元素

能夠對濕硫化氫腐蝕造成一定影響的元素主要有：碳、錳、硅、硫、磷、鈣、酸溶鋁、氫等。鋼材中碳元素含量的增加，會形成碳化物偏析，相應的偏析區域硬度，與鋼材原本組織之間會存在一定的差異，進而也就會影響到濕硫化氫的腐蝕。在焊縫以及熱影響區，錳的偏析會形成貝氏體和馬氏體等低韌性、高強度的顯微金相組織，使得材料硬度變高，存在一定的焊后組織開裂傾向，對于材料抗硫化氫應力腐蝕開裂性能有著很不利的影響。材料中硅元素含量增加，其焊縫以及熱影響區的硬度就難以進行有效的控制，其中硅元素更容易偏析至晶粒邊界，這在一定程度上增加了晶間裂紋形成的可能性。

在鋼材凝固時，其中的枝晶間隙中很容易富磷。磷在偏析過程中所產生的帶狀組織，在熱軋的過程中，會形成對氫致開裂比較敏感的低溫轉換硬組織帶，氫致開裂會沿著珠光體帶擴展開來。磷所形成的夾雜物能夠有效降低鋼材的塑性和紅脆性，進而增加金屬相應的曾氫效果。鋼材當中所形成MnS的帶狀分布以及FeS、CaS非金屬夾雜物，會導致鋼材的部分顯微組織出現疏松，進而會提升其濕硫化氫腐蝕的敏感性。鈣能夠讓鋼材當中的夾雜物球化，并呈現彌散分布狀態，鋼的軋制溫度下相應的形狀基本不會改變，在軋制后引燃保持球形。但要注意的是，在鋼材中加入的鈣元素含量過多，就會導致CaS集聚。在鋼水中添加適量的鋁，能夠降低鋼水中的氧元素含量。

2、非金屬夾雜物

鋼材中的非金屬夾雜物含量變高，相應的鋼材在氫濃度很低的情況下就很容易發生氫致開裂，非金屬夾雜物對鋼材抗濕硫化氫腐蝕的性能有著很大的影響。

3、金相組織

帶狀珠光體組織以及鋼板厚度中心含有錳、磷等元素時，在低溫轉換組織過程中就很容易發生氫致開裂。不同金相組織及形態對于硫化氫應力腐蝕開裂的影響是不同的。在經過正火、正火加回火或者是裂紋處理之后，就能夠獲得粗大球狀或者是薄片狀的碳化物組織，這一組織有著良好的抗濕硫化氫腐蝕性能。其熱力學的平衡表現，以及細晶粒組織的穩定性，能夠有效提升材料的抗濕硫化氫腐蝕性能。

4、硬度

通過研究發現，鋼材強度以及硬度的級別越高，其抗應力腐蝕性能就越差，鋼材不發生抗硫化氫應力腐蝕開裂的硬度值HRB應當保持在220～260之間。

5、鋼板表面質量

鋼材表面存在缺陷或者是應力集中的部位，更容易形成裂紋，比如在焊接接頭以及表面的劃傷位置等。

三、抗濕硫化氫腐蝕鋼板的質量控制措施

1、冶煉連鑄工藝

冶煉連鑄工藝中，入爐的鐵水，首先要進行脫硫和扒渣處理，以保證擋渣的效果。然后在轉爐出鋼或進行渣洗，并且要提前對頂渣進行改質，熔池當中的溫度要進行嚴格的把控，溫度的提升要保證均勻，同時還有足夠的時間進行精煉處理。要控制好鋼水所含有的硫、磷的含量，鋼水當中的所含有的氫，其質量分數不應超過2×10^-6、所含氧的質量分數不應超過15×10^-6、所含氮的質量分數不應超過50×10^-6。要控制好其中的鈣和硫的含量比，相應的比值不應小于3。低過熱度澆注，做好全程每一個環節的保護澆注，同時，還應注意對相應的溫度和生產節奏進行有效控制。相應的板坯偏析要控制在C類，其級別為1.0，要保證其內部不存在缺陷，鑄坯表面在進行修磨之后也應當不存在缺陷。

2、軋制工藝

在加熱板坯時，要保證其受熱均勻，相應的溫度不要超過1280℃，時間要大于4h，同時還要進行適當的控軋，溫度在950℃以下時，其累計變形率應當大于50%，終軋的溫度應當不大于880℃，這樣才能確保鋼材具備更加合理的晶粒度以及微觀組織。

3、熱處理工藝

進一步對鋼板進行熱處理，可以確保鋼板組織的均勻和細化，將其中殘余的應力進一步消除，進而讓鋼板的塑韌性更強。同時，對于含有Nb、V、Ti等元素的鋼種，正火或者是正火加回火就能夠析出其中的微合金碳氮化合物，增加沉淀強化效果，進而保證鋼材具備更好的抗濕硫化氫腐蝕性能。

結束語

降低鋼材中的硫、磷含量，對鈣硫比進行合理控制，提高鋼水純凈度，采用合適的控軋工藝，以及鋼板的正火或者是正火加回火的熱處理工藝，能夠有效提升鋼板的抗濕硫化氫腐蝕性能。

參考文獻

[1]? 明勇，姚蓉.濕硫化氫應力腐蝕環境下壓力容器選材的探討[J].中國化工貿易，2018，10（012）：223.

[2]? 董富筠，劉小林，趙敏森，鐘小杰.抗硫化氫腐蝕壓力容器鋼板的開發及生產實踐[J].江西冶金，2011（01）：9-11+25.