抗硫化氫腐蝕壓力容器鋼板的開發(fā)及生產(chǎn)實(shí)踐獲獎(jiǎng)科研報(bào)告

抗硫化氫腐蝕壓力容器鋼板的開發(fā)及生產(chǎn)實(shí)踐獲獎(jiǎng)科研報(bào)告摘

要：本文對(duì)壓力容器鋼板在濕硫化氫環(huán)境中的腐蝕研究現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)要的綜述。對(duì)影響濕硫化氫腐蝕的相關(guān)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(zhì)量等能夠影響到鋼材抗?jié)窳蚧瘹涓g性能的因素進(jìn)行了分析，并對(duì)其生產(chǎn)工藝進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：抗硫化氫腐蝕;氫致開裂;硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂;工藝

硫化氫腐蝕事故的發(fā)生，通常是沒有預(yù)兆的突發(fā)性事故，一旦出現(xiàn)就會(huì)造成嚴(yán)重的災(zāi)難性后果。因此，對(duì)硫化氫腐蝕機(jī)理和影響因素進(jìn)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(fā)生，有著非常重要的意義。

一、硫化氫腐蝕機(jī)理研究現(xiàn)狀

經(jīng)過大量的科學(xué)研究，在相應(yīng)的試驗(yàn)研究當(dāng)中，已經(jīng)出現(xiàn)了多種理論來解釋應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象，但目前還缺乏一個(gè)公認(rèn)的統(tǒng)一機(jī)理。有些理論認(rèn)為硫化氫腐蝕的機(jī)理有兩種，氫致開裂機(jī)理和陽(yáng)極溶解機(jī)理[1]。其中陽(yáng)極溶解機(jī)理主要是指：陽(yáng)極區(qū)域是腐蝕的重點(diǎn)，這一區(qū)域的金屬表面會(huì)首先被鈍化，相應(yīng)的腐蝕介質(zhì)會(huì)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(rèn)為陰極區(qū)域是腐蝕的重點(diǎn)發(fā)生區(qū)域，關(guān)于這一機(jī)理包括了氫內(nèi)壓理論、氫致局部塑形理論以及氫降低表面能理論。在實(shí)際的生產(chǎn)實(shí)踐中，濕硫化氫腐蝕壓力容器鋼板的主要表現(xiàn)有兩種：

1、氫致開裂

在進(jìn)行腐蝕時(shí)，其中的氫原子會(huì)滲透進(jìn)壓力容器鋼板當(dāng)中，并在其中的晶粒間聚集，從而形成局部高壓，這樣就會(huì)將應(yīng)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(huì)因?yàn)檫@些微裂紋以及鼓泡出現(xiàn)下降，鋼板的強(qiáng)度也會(huì)改變，因而就會(huì)導(dǎo)致氫致開裂。氫致開裂在鋼體內(nèi)部的產(chǎn)生與傳播，并不需要應(yīng)力就可以實(shí)現(xiàn)。

2、硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂

經(jīng)過大量的研究，可以確定造成硫化氫應(yīng)力腐蝕的條件有三個(gè)，敏感性材料、酸性環(huán)境和應(yīng)力。鋼板在濕硫化氫環(huán)境下工作時(shí)，容器材料會(huì)在腐蝕介質(zhì)以及應(yīng)力的聯(lián)合作用下，很容易發(fā)生低應(yīng)力且無任何預(yù)兆的突發(fā)性斷裂。在應(yīng)力作用下，這一裂紋會(huì)呈橫向發(fā)展趨勢(shì)。初始裂紋一旦連接，就會(huì)造成應(yīng)力腐蝕開裂的產(chǎn)生。從宏微觀斷裂力學(xué)的角度看，關(guān)于應(yīng)力腐蝕開裂，基本上可以被分為裂紋萌生期、裂紋發(fā)展期以及裂紋迅速擴(kuò)展至斷裂期。

在三個(gè)階段當(dāng)中，總斷裂時(shí)間的十分之九都處于裂紋萌生期。因此，要實(shí)現(xiàn)的裂紋的有效控制，可以通過消除拉應(yīng)力，并對(duì)硫化氫下鋼材的腐蝕情況進(jìn)行抑制，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋擴(kuò)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(guān)于氫致開裂與應(yīng)力腐蝕開裂之間關(guān)系的研究?jī)?nèi)容。已有的研究當(dāng)中，認(rèn)為可以用內(nèi)壓理論來同時(shí)解釋氫致開裂和應(yīng)力開裂的形成機(jī)理，以及研究中還發(fā)現(xiàn)二者所造成的裂紋發(fā)展方向基本上都是與鋼的軋制方向相同。

二、抗?jié)窳蚧瘹涓g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?qū)窳蚧瘹涓g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(huì)形成碳化物偏析，相應(yīng)的偏析區(qū)域硬度，與鋼材原本組織之間會(huì)存在一定的差異，進(jìn)而也就會(huì)影響到濕硫化氫的腐蝕。在焊縫以及熱影響區(qū)，錳的偏析會(huì)形成貝氏體和馬氏體等低韌性、高強(qiáng)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(duì)于材料抗硫化氫應(yīng)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(qū)的硬度就難以進(jìn)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(shí)，其中的枝晶間隙中很容易富磷。磷在偏析過程中所產(chǎn)生的帶狀組織，在熱軋的過程中，會(huì)形成對(duì)氫致開裂比較敏感的低溫轉(zhuǎn)換硬組織帶，氫致開裂會(huì)沿著珠光體帶擴(kuò)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(jìn)而增加金屬相應(yīng)的曾氫效果。鋼材當(dāng)中所形成MnS的帶狀分布以及FeS、CaS非金屬夾雜物，會(huì)導(dǎo)致鋼材的部分顯微組織出現(xiàn)疏松，進(jìn)而會(huì)提升其濕硫化氫腐蝕的敏感性。鈣能夠讓鋼材當(dāng)中的夾雜物球化，并呈現(xiàn)彌散分布狀態(tài)，鋼的軋制溫度下相應(yīng)的形狀基本不會(huì)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(huì)導(dǎo)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(yīng)的鋼材在氫濃度很低的情況下就很容易發(fā)生氫致開裂，非金屬夾雜物對(duì)鋼材抗?jié)窳蚧瘹涓g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(shí)，在低溫轉(zhuǎn)換組織過程中就很容易發(fā)生氫致開裂。不同金相組織及形態(tài)對(duì)于硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂的影響是不同的。在經(jīng)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?jié)窳蚧瘹涓g性能。其熱力學(xué)的平衡表現(xiàn)，以及細(xì)晶粒組織的穩(wěn)定性，能夠有效提升材料的抗?jié)窳蚧瘹涓g性能。

4、硬度

通過研究發(fā)現(xiàn)，鋼材強(qiáng)度以及硬度的級(jí)別越高，其抗應(yīng)力腐蝕性能就越差，鋼材不發(fā)生抗硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂的硬度值HRB應(yīng)當(dāng)保持在220～260之間。

5、鋼板表面質(zhì)量

鋼材表面存在缺陷或者是應(yīng)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?jié)窳蚧瘹涓g鋼板的質(zhì)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(jìn)行脫硫和扒渣處理，以保證擋渣的效果。然后在轉(zhuǎn)爐出鋼或進(jìn)行渣洗，并且要提前對(duì)頂渣進(jìn)行改質(zhì)，熔池當(dāng)中的溫度要進(jìn)行嚴(yán)格的把控，溫度的提升要保證均勻，同時(shí)還有足夠的時(shí)間進(jìn)行精煉處理。要控制好鋼水所含有的硫、磷的含量，鋼水當(dāng)中的所含有的氫，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)不應(yīng)超過2×10-6、所含氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不應(yīng)超過15×10-6、所含氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不應(yīng)超過50×10-6。要控制好其中的鈣和硫的含量比，相應(yīng)的比值不應(yīng)小于3。低過熱度澆注，做好全程每一個(gè)環(huán)節(jié)的保護(hù)澆注，同時(shí)，還應(yīng)注意對(duì)相應(yīng)的溫度和生產(chǎn)節(jié)奏進(jìn)行有效控制。相應(yīng)的板坯偏析要控制在C類，其級(jí)別為1.0，要保證其內(nèi)部不存在缺陷，鑄坯表面在進(jìn)行修磨之后也應(yīng)當(dāng)不存在缺陷。

2、軋制工藝

在加熱板坯時(shí)，要保證其受熱均勻，相應(yīng)的溫度不要超過1280℃，時(shí)間要大于4h，同時(shí)還要進(jìn)行適當(dāng)?shù)目剀?，溫度?50℃以下時(shí)，其累計(jì)變形率應(yīng)當(dāng)大于50%，終軋的溫度應(yīng)當(dāng)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(jìn)一步對(duì)鋼板進(jìn)行熱處理，可以確保鋼板組織的均勻和細(xì)化，將其中殘余的應(yīng)力進(jìn)一步消除，進(jìn)而讓鋼板的塑韌性更強(qiáng)。同時(shí)，對(duì)于含有Nb、V、Ti等元素的鋼種，正火或者是正火加回火就能