加氫設(shè)備易損傷！機(jī)理、影響因素、防范方法，都在這了！

　　加氫要在高溫高壓臨氫的苛刻環(huán)境下進(jìn)行，且有的進(jìn)料物流中還含有硫化氫、氨等腐蝕性介質(zhì)，設(shè)備是非常容易損傷的。今天小七為大家具體講講加氫設(shè)備的損傷有哪些，損傷機(jī)理，影響因素，防范措施......

　　加氫設(shè)備有哪些？

　　加氫裝置由于操作條件的特殊性，所以設(shè)備有可能發(fā)生一些特殊的損傷現(xiàn)象。為防止這些破壞性的損傷發(fā)生，不僅要有正確的設(shè)計(jì)與選材，而且與正確的制造工藝和正確的操作維護(hù)的關(guān)系極大。

　　加氫設(shè)備主要損傷形式？

　　高溫氫腐蝕

　　HA—HydrogenAttack

　　高溫氫腐蝕的形式有兩種。

　　表面脫碳

　　表面脫碳不產(chǎn)生裂紋，表面脫碳的影響一般很輕，其鋼材的強(qiáng)度和硬度局部有所下降而延展性提高。

　　內(nèi)部脫碳與開裂

　　內(nèi)部脫碳是由于氫擴(kuò)散侵入到鋼中發(fā)生反應(yīng)生成甲烷，即：

　　甲烷聚集于晶界空穴和夾雜物附近，形成很高的局部應(yīng)力，使鋼材產(chǎn)生龜裂、裂紋或鼓泡，并使鋼材強(qiáng)度和韌性顯著下降。由于這種損傷是發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果，所以它具有不可逆的性質(zhì)，也稱永久脆化現(xiàn)象。

　　其實(shí)際的進(jìn)展是甲烷氣泡在晶界形核、成長(zhǎng)及氣泡串通產(chǎn)生晶間微裂紋，最終這些微裂紋能夠連通而形成斷裂通道。

　　孕育期

　　這里要引出一個(gè)“孕育期”(或稱潛伏期)的概念。就是對(duì)于處在形成甲烷氣泡，但成長(zhǎng)速度緩慢且沒(méi)有串通的階段，鋼材的力學(xué)性能不發(fā)生明顯改變的這段時(shí)間稱為“孕育期”。

　　“孕育期”的概念對(duì)于工程上的應(yīng)用是非常重要的。它可被用來(lái)確定設(shè)備和管道所采用的鋼材的大致安全使用時(shí)間。“孕育期”的長(zhǎng)短取決于許多因素，包括鋼種、氫壓、溫度、冷作程度、雜質(zhì)元素含量和作用應(yīng)力等。

　　影響高溫氫腐蝕的主要因素

　　溫度、壓力和暴露時(shí)間的影響

　　操作溫度越高，鋼材氫腐蝕越嚴(yán)重。大約在200℃以下鋼材一般不易出現(xiàn)氫腐蝕。

　　操作壓力（氫分壓）越高，鋼材氫腐蝕程度越嚴(yán)重。當(dāng)氫分壓≤0.7MPa時(shí)，鋼材基本上不會(huì)發(fā)生氫腐蝕。操作溫度和壓力的影響歸結(jié)為對(duì)鋼中氫平衡濃度的影響即：

　　C—氫濃度，ppm；

　　P—氫分壓；

　　T—操作溫度，K

　　合金元素和雜質(zhì)元素的影響

　　氫分壓在6.9Mpa以下，溫度低于538℃鋼中微量合金元素的作用為：

　　1、Mo的抗氫蝕能力為Cr的4倍。

　　2、Mo的抗氫蝕能力與v、Ti和Nb相當(dāng)（Nb≤0.1%時(shí)）。

　　3、Si、Ni、Ca不增加抗氫蝕能力。

　　4、P、S降低抗氫蝕能力。

　　應(yīng)力的影響

　　氫脆

　　HE—HydrogenEmbrittlement

　　特征

　　所謂氫脆，是由于氫殘留在鋼中所引起的脆化現(xiàn)象。產(chǎn)生了氫脆的鋼材，其延伸率和斷面收縮率顯著下降。氫脆是可逆的，也稱作一次脆化現(xiàn)象。氫脆發(fā)生的溫度從室溫~約150℃的范圍。隨溫度升高，氫脆效應(yīng)下降，當(dāng)溫度超過(guò)71℃~82℃時(shí)大概不太容易發(fā)生。所以，實(shí)際加氫裝置中氫脆損傷往往都是發(fā)生在裝置開、停工過(guò)程的低溫階段。

　　如何防止產(chǎn)生氫脆？

　　1、氫脆的敏感性一般是隨鋼材強(qiáng)度的提高而增加。因此，要求所用鋼材強(qiáng)度不要超過(guò)規(guī)定值，而且應(yīng)正確地施行PWHT，消除殘余應(yīng)力控制熱影響硬度。

　　2、顯微組織對(duì)氫脆也有影響，如未回火的材料和珠光體組織對(duì)氫脆更敏感。

　　3、鋼材的氫脆化程度與鋼中的氫含量密切相關(guān)，在可能發(fā)生氫脆的溫度下，存在著不引起亞臨界裂紋擴(kuò)展的氫濃度，稱之為安全氫濃度。它與鋼材的強(qiáng)度水平、裂紋尖端的拉應(yīng)力大小以及裂紋的幾何尺寸有關(guān)。

　　4、通過(guò)無(wú)損檢測(cè)，盡可能消除宏觀缺陷。

　　5、控制開停工中升溫升壓、降溫降壓過(guò)程。

　　6、在加氫反應(yīng)器等臨氫設(shè)備中還存在不銹鋼氫脆損傷的現(xiàn)象(有的還兼有σ相脆化)，其部位多發(fā)生在反應(yīng)器催化劑支持圈的角焊縫上以及法蘭梯型槽密封面的槽底拐角處。防止此類損傷的發(fā)生，主要應(yīng)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上、制造過(guò)程中和生產(chǎn)操作方面采取如下措施：

　　a、盡量減少應(yīng)變幅度，降低熱應(yīng)力和避免應(yīng)力集中（加大密封槽和支持凸臺(tái)轉(zhuǎn)角半徑）。

　　b、盡量保持Tp.347堆焊金屬或焊接金屬有較高的延性（密封槽和支持凸臺(tái)表面堆焊層待焊后熱處理后再堆焊和加工）。

　　c、裝置停工時(shí)盡量使鋼中吸藏的氫釋放出去。

　　d、盡量避免非計(jì)劃的緊急停工。

　　高溫硫化氫＋氫腐蝕

　　H2S+H2腐蝕

　　氫裝置中高溫硫化氫＋氫共存條件下，當(dāng)溫度超過(guò)204℃時(shí)，對(duì)設(shè)備和管道的腐蝕，要比硫化氫單獨(dú)存在時(shí)對(duì)鋼材產(chǎn)生的腐蝕還要?jiǎng)×液蛧?yán)重。其腐蝕速度一般隨著溫度的升高而增加。

　　主要影響因素：

　　溫度、氫、硫化氫濃度和合金成分。

　　連多硫酸應(yīng)力腐蝕開裂

　　開裂特征與起因

　　連多硫酸(H2SxO6，X=3～6)應(yīng)力腐蝕開裂也屬硫化物應(yīng)力腐蝕開裂，一般為晶間裂紋。連多硫酸的形成是由于設(shè)備在含有高溫硫化氫的氣氛下操作時(shí)生成了硫化鐵，而當(dāng)設(shè)備停止運(yùn)轉(zhuǎn)或停工檢修時(shí)，它與出現(xiàn)的水份和進(jìn)入設(shè)備內(nèi)的空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)的結(jié)果。

　　防止對(duì)策

　　1、在設(shè)計(jì)上要選用合適的材料。同時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)盡量避免有應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)。

　　2、制造上要盡量消除或減輕由于冷加工和焊接引起的殘余應(yīng)力，并注意加工成不形成應(yīng)力集中或應(yīng)力集中盡可能小的結(jié)構(gòu)。

　　3、使用上主要是緩和環(huán)境條件。

　　鉻-鉬鋼的回火脆性損傷

　　TemperEmbrittlement

　　由于Cr-Mo鋼具有很好的抗高溫氫腐蝕性能和很優(yōu)良的綜合機(jī)械性能，所以廣泛地應(yīng)用在加氫反應(yīng)器上。但在長(zhǎng)期使用后，會(huì)出現(xiàn)程度不同的回火脆化現(xiàn)象。

　　現(xiàn)象及其特征

　　Cr-Mo鋼的回火脆性是將鋼材長(zhǎng)時(shí)間地保持在大約343℃～593℃，或者從這溫度范圍緩慢地冷卻時(shí)，由于冶金的變化，使材料的韌性引起劣化損傷的現(xiàn)象。它產(chǎn)生的原因是由于鋼中有害的雜質(zhì)元素（如P、Sn、Sb、As）和某些合金元素（如Si、Mn）向原奧氏體晶界偏析，使晶界凝集力下降所至。

　　回火脆性對(duì)于抗拉強(qiáng)度和延伸率來(lái)說(shuō)，幾乎沒(méi)有反映，主要是在進(jìn)行沖擊性能試驗(yàn)時(shí)才能觀測(cè)到很大的變化。材料一旦發(fā)生回火脆性，就使韌脆性轉(zhuǎn)變溫度向高溫側(cè)遷移。

　　影響回火脆性的主要因素

　　影響回火脆性的主要因素很多，如化學(xué)成分、制造時(shí)的熱處理?xiàng)l件、加工時(shí)的熱狀態(tài)、強(qiáng)度大小、塑性變形、碳化物的形態(tài)、使用時(shí)所保持的溫度和時(shí)間等等。而且有些因素相互間還有關(guān)連，情況較為復(fù)雜。

　　化學(xué)成分的影響

　　化學(xué)成分中的雜質(zhì)元素(如P、Sn、As、Sb)和某些合金元素(如Si、Mn等)對(duì)回火脆性影響很大。

　　在工程應(yīng)用上通常采用兩個(gè)與化學(xué)元素有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)式來(lái)描述回火脆性的大小。

　　熱處理工藝的影響

　　熱處理工藝的影響，主要是奧氏體化溫度及其奧氏體化后的冷卻速度對(duì)回火脆性敏感性有很大的影響。

　　1、提高奧氏體化溫度，容易產(chǎn)生回火脆化。

　　2、提高奧氏體化溫度的冷卻速度，回火脆化敏感性增大。(這與力學(xué)性能的要求是互相矛盾的，為此，必須探索一個(gè)最佳的熱處理工藝方案）

　　回火脆化度的評(píng)價(jià)

　　1、等溫時(shí)效（Isothermalaging）處理，也即等溫脆化處理。

　　2、階梯冷卻或步冷法（StepCooling）處理，它在工程上被廣泛地采用。所謂階梯冷卻法就是將試驗(yàn)材料的試樣置于回火脆化溫度范圍內(nèi)階梯式地進(jìn)行保溫與冷卻(一般多是采用5個(gè)階梯)，使它發(fā)生回火脆化的方法。

　　奧氏體不銹鋼堆焊層的氫致剝離

　　Disbonding

　　現(xiàn)象與特征

　　從宏觀上看，剝離的路徑是沿著堆焊層和母材的界面擴(kuò)展的，在不銹鋼堆焊層與母材之間呈剝離狀態(tài)，故稱剝離現(xiàn)象，從微觀上看，剝離裂紋發(fā)生的典型狀態(tài)有沿著熔合線上所形成的碳化鉻析出區(qū)和沿著長(zhǎng)大的奧氏體晶界擴(kuò)展的兩大類。

　　剝離現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因

　　1、由于制作反應(yīng)器本體材料的Cr-Mo鋼和堆焊層用的奧氏體不銹鋼具有不同的氫溶解度和擴(kuò)散速度，使堆焊層過(guò)渡區(qū)的堆焊層側(cè)出現(xiàn)了很高的氫濃度。

　　2、由于母材和堆焊層材料的線膨脹系數(shù)差別較大，在界面上存在著相當(dāng)可觀的殘余應(yīng)力。

　　3、堆焊過(guò)程中，在境界層上可能會(huì)形成沿融合層生長(zhǎng)的粗大結(jié)晶。

　　影響堆焊層氫致剝離的主要因素

　　除金屬材料本身的因素外，環(huán)境條件和制造工藝都將對(duì)堆焊層氫致剝離產(chǎn)生影響。

　　環(huán)境條件：操作溫度、氫分壓、冷卻速度、反復(fù)加熱冷卻的循環(huán)次數(shù)。

　　制造工藝：主要是焊接方法、焊接條件和焊后熱處理的影響。

　　防止堆焊層氫致剝離的措施

　　降低界面上的氫濃度（選材，控制冷卻速度）。

　　減輕殘余應(yīng)力。

　　設(shè)法使堆焊層熔合線附近的組織具有較低的氫脆敏感性。

　　嚴(yán)格遵守操作規(guī)程,盡量避免非計(jì)劃的緊急停車。

　　在正常停工時(shí)應(yīng)采取能使氫盡可能從器壁內(nèi)釋放出去的停工條件。