探傷儀必備知識-壓力管道金屬材料的腐蝕(二)

注：曲線上部為危險區

（2）不銹鋼的氯離子應力腐蝕破裂

氯離子不但能引起不銹鋼孔蝕，更能引起不銹鋼的應力腐蝕破裂。

發生應力腐蝕破裂的臨界氯離子濃度隨溫度的上升而減小，高溫下，氯離子濃度只要達到10-6，即能引起破裂。發生氯離子應力腐蝕破裂的臨界溫度為70℃。

具有氯離子濃縮的條件（反復蒸干、潤濕）是*易發生破裂的。工業中發生不銹鋼氯離子應力腐蝕破裂的情況相當普遍。

不銹鋼氯離子應力腐蝕破裂不僅僅發生在管道的內壁，發生在管道外壁的事例也屢見不鮮，如圖7所示。

作為管外側的腐蝕因素，被認為是保溫材料的問題，對保溫材料進行分析的結果，被檢驗出含有約0.5%的氯離子。這個數值可認為是保溫材料中含有的雜質，或由于保溫層破損、浸入的雨水中帶入并經過濃縮的結果。

（3）不銹鋼連多硫酸應力腐蝕破裂

以加氫脫硫裝置*為典型，不銹鋼連多硫酸（H2SxO6，x=3～5）的應力腐蝕破裂頗為引人關注。

管道在正常運行時，受硫化氫腐蝕，生成的硫化鐵，在停車檢修時，與空氣中的氧及水反應生成了H2SxO6。在Cr-Ni奧氏體不銹鋼管道的殘余應力較大的部位（焊縫熱影響區、彎管部位等）產生應力腐蝕裂紋。

（4）硫化物腐蝕破裂

① 金屬在同時含有硫化氫及水的介質中發生的應力腐蝕破裂即為硫化物腐蝕破裂，簡稱硫裂。在天然氣、石油采集，加工煉制，石油化學及化肥等工業部門常常發生管道、閥門硫裂事故。發生硫裂所需的時間短則幾天，長則幾個月到幾年不等，但是未見超過十年發生硫裂的事例。

② 硫裂的裂紋較粗，分支較少，多為穿晶型，也有晶間型或混合型。發生硫裂所需的硫化氫濃度很低，只要略超過10-6，甚至在小于10-6的濃度下也會發生。

碳鋼和低合金鋼在20～40℃溫度范圍內對硫裂的敏感性*大，奧氏體不銹鋼的硫裂大多發生在高溫環境中。隨著溫度升高，奧氏體不銹鋼的硫裂敏感性增加。

在含硫化氫及水的介質中，如果同時含醋酸，或者二氧化碳和氯化鈉，或磷化氫，或砷、硒、銻、碲的化合物或氯離子，則對鋼的硫裂起促進作用。

對于奧氏體不銹鋼的硫裂，氯離子和氧起促進作用，304L和316L不銹鋼對硫裂的敏感性有如下的關系：H2S+H2O＜H2S+H2O+Cl-＜H2S+H2O+Cl-+O2（硫裂的敏感性由弱到強）。

對于碳鋼和低合金鋼來說，淬火+回火的金相組織抗硫裂*好，未回火馬氏體組織*差。鋼抗硫裂性能依淬火+回火組織→正火+回火組織→正火組織→未回火馬氏體組織的順序遞降。

鋼的強度越高，越易發生硫裂。鋼的硬度越高，越易發生硫裂。在發生硫裂的事故中，焊縫特別是熔合線是*易發生破裂的部位，這是因為這里的硬度*高。

NACE對碳鋼焊縫的硬度進行了嚴格的規定：≤200HB。這是因為焊縫硬度的分布比母材復雜，所以對焊縫硬度的規定比母材嚴格。焊縫部位常發生破裂，一方面是由于焊接殘余應力的作用，另一方面是焊縫金屬、熔合線及熱影響區出現淬硬組織的結果。為防止硫裂，焊后進行有效的熱處理十分必要。

（5）氫損傷

氫滲透進入金屬內部而造成金屬性能劣化稱為氫損傷，也稱氫破壞。氫損傷可分為四種不同類型：氫鼓泡、氫脆、脫碳和氫腐蝕。


① 氫鼓泡及氫誘發階梯裂紋。

主要發生在含濕硫化氫的介質中。

由上述過程可以看出，鋼在這種環境中，不僅會由于陽極反應而發生一般腐蝕，而且由于S2-在金屬表面的吸附對氫原子復合氫分子有阻礙作用，從而促進氫原子向金屬內滲透。

當氫原子向鋼中滲透擴散時，遇到了裂縫、分層、空隙、夾渣等缺陷，就聚集起來結合成氫分子造成體積膨脹，在鋼材內部產生極大壓力（可達數百兆帕）。

如果這些缺陷在鋼材表面附近，則形成鼓泡，如圖8所示。如果這些缺陷在鋼的內部深處，則形成誘發裂紋。它是沿軋制方向上產生的相互平行的裂紋，被短的橫向裂紋連接起來形成“階梯”。

氫誘發階梯裂紋輕者使鋼材脆化，重者會使有效壁厚減小到管道過載、泄漏甚至斷裂。

氫鼓泡需要一個硫化氫臨界濃度值。有資料介紹，硫化氫分壓在138Pa時將產生氫鼓泡。如果在含濕硫化氫介質中同時存在磷化氫、砷、碲的化合物及CN-時，則有利于氫向鋼中滲透，它們都是滲氫加速劑。

氫鼓泡及氫誘發階梯裂紋一般發生在鋼板卷制的管道上。

② 氫脆。

無論以什么方式進入鋼內的氫，都將引起鋼材脆化，即伸長率、斷面收縮率顯著下降，高強度鋼尤其嚴重。若將鋼材中的氫釋放出來（如加熱進行消氫處理），則鋼的力學性能仍可恢復。氫脆是可逆的。

H2S-H2O介質常溫腐蝕碳鋼管道能滲氫，在高溫高壓臨氫環境下也能滲氫；在不加緩蝕劑或緩蝕劑不當的酸洗過程能滲氫，在雨天焊接或在陰極保護過度時也會滲氫。

③ 脫碳。

在工業制氫裝置中，高溫氫氣管道易產生碳損傷。鋼中的滲碳體在高溫下與氫氣作用生成甲烷：

反應結果導致表面層的滲碳體減少，而碳便從鄰近的尚未反應的金屬層逐漸擴散到此反應區，于是有一定厚度的金屬層因缺碳而變為鐵素體。脫碳的結果造成鋼的表面強度和疲勞極限的降低。

④ 氫腐蝕。

鋼受到高溫高壓氫作用后，其力學性能劣化，強度、韌性明顯降低，并且是不可逆的，這種現象稱為氫腐蝕。

氫腐蝕的歷程可用圖9來解釋。

氫腐蝕的過程大致可分為三個階段：孕育期，鋼的性能沒有變化；性能迅速變化階段，迅速脫碳，裂紋快速擴展；*后階段，固溶體中碳已耗盡。

氫腐蝕的孕育期是重要的，它往往決定了鋼的使用壽命。

某氫壓力下產生氫腐蝕有一起始溫度，它是衡量鋼材抗氫性能的指標。低于這個溫度氫腐蝕反應速度極慢，以至孕育期超過正常使用壽命。碳鋼的這一溫度大約在220℃左右。

氫分壓也有一個起始點（碳鋼大約在1.4MPa左右），即無論溫度多高，低于此分壓，只發生表面脫碳而不發生嚴重的氫腐蝕。

各種抗氫鋼發生腐蝕的溫度和壓力組合條件，就是杰出的Nelson曲線（在很多管道器材選用標準規范內均有此曲線圖，如SH3059《石油化工管道設計器材選用通則》）。

冷加工變形，提高了碳、氫的擴散能力，對腐蝕起加速作用。

某氮肥廠，氨合成塔出口至廢熱鍋爐的高壓管道，工作溫度320℃左右，工作壓力33MPa，工作介質為H2、N2、NH3混合氣，應按Nelson曲線選用抗氫鋼。其中有一異徑短管，由于錯用了普通碳鋼，使用不久便因氫腐蝕而破裂，造成惡性事故，損失非常慘重。