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湿硫化氢应力腐蚀环境下压力容器选材的探讨
作者：明勇 姚蓉
来源：《中国化工贸易·下旬刊》2018年第04期
摘 要：针对压力容器设备在湿硫化氢环境中所产生的应力腐蚀破坏，结合实际经验，讨论了在不同情况下压力容器用钢的选材要求。 关键词：湿硫化氢；应力腐蚀；压力容器 1 湿硫化氢应力腐蚀环境定义
湿硫化氢导致压力容器的应力腐蚀破坏是有条件的，只有在应力、材质、腐蚀介质三个因素相匹配的共存区域，才具备产生应力腐蚀的基本条件，偏离三个因素中的任何一个因素，应力腐蚀就不可能产生，此时湿硫化氢气体存在与应力腐蚀全然无关。
化工行业标准中规定必须同时满足下列条件才能形成硫化氢的应力腐蚀环境： ①温度小于等于（60+2p）℃；
②硫化氢分压大于等于0.00035MPa，即相当于常温在水中的H2S溶解度大于或等于7.7mg/L；
③介质中含有液相水或处于水的露点温度以下； ④pH
2 设计选材时应着重考虑因素
湿硫化氢应力腐蚀环境下压力容器设计选材时，需着重考虑湿硫化氢带来的应力腐蚀开裂（SCC）。一旦发生应力腐蚀开裂，将直接导致压力容器失效、爆炸，后果非常严重。 除此之外，湿硫化氢所引起的开裂形式还有硫化物应力开裂（SSC）、氢鼓包（HB）、氢致裂纹（HIC）以及应力向氢诱发开裂（SOHIC）等。影响硫化物应力开裂、氢诱发开裂和氢鼓包的因素主要为材料因素和环境因素两大类。其中材料因素中的硬度（强度）、显微组织和化学成分是主要因素。 3 化学成分影响
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在合金钢中，一般加入Mn、Cr、Ni等元素来提高淬透性，特别是Ni的作用，一般认为Ni对于合金钢的韧性是有益的，但是含Ni钢上析氢的的过电位低，氢离子易于放电还原，从而促进了氢的析出，因而Ni钢的抗硫化物应力腐蚀的能力较差。故一般来说，要求碳素钢和低合金钢中Ni含量小于1%或尽可能不含Ni。
钢中影响硫化氢腐蚀的主要元素是Mn和S。Mn在设备焊接过程中，会产生马氏体及贝氏体高强度、低韧性的显微金相组织，表现出极高硬度，这对设备抗硫化物应力腐蚀极为不利。
S在钢中形成形成MnS、FeS非金属夹杂物，致使局部纤维组织疏松，在是硫化氢环境下诱发HIC或SOHIC。因此化工行业标准中规定在湿硫化氢严重腐蚀环境下设备用钢
S≤0.003%。同时过高的C含量会加剧焊接时产生冷裂纹的倾向，P含量偏高会导致刚才的“冷脆性”。
化工行业标准中规定在时硫化氢严重腐蚀环境下设备用钢P≤0.010%。然而Cr、Mo、V、Ti、Al和B等强烈碳化物形成元素在适当的热处理制度下改变了碳化物的形貌，在提高强度同时，对降低破裂敏感性有效果。 4 材料的显微组织影响
金相组织比化学成分对抗硫化物应力腐蚀开裂的影响更大，对合金钢来讲，当钢的强度或硬度相同时，淬火后高温回火获得均匀分布的细小球状碳化物的金相组织抗硫化氢应力腐蚀的能力优于正火后回火的金相组织。从晶粒大小看，细小晶粒组织抗硫化氢应力腐蚀性能好，粗大晶粒抗硫化氢应力腐蚀性能差。而且夹杂物得形状是十分重要的，特别是MnS的形状，MnS在高温时容易塑性变形，热轧所形成的片状MnS，在随后的热处理过程中是不能改变的。而在MnS/αFe的界面，对氢原子来说，是很深的“陷井”，与氢的结合很强，可以富积氢而形成氢分子；积累的氢气压力很高，可以引起界面的开裂。因而降低材料中的含硫量、控制材料中的碳当量，或是加入稀土元素，是降低湿硫化氢应力腐蚀敏感性的有效措施。 5 强度和硬度影响
钢的抗拉强度和屈服强度越高，产生的硫化氢应力腐蚀开裂的可能性越大。硬度是导致硫化氢应力腐蚀开裂的重要因素。在某一给定条件下，当硬度低于某一数值时可减少或不发生开裂。 6 结束语
通过上述分析，为了确保质量，在设计中应提高对材料化学成分，力学性能及检验的要求，同时对材料的防腐也应给予足够重视，限制材料中的C、S、P、Ni等元素含量，注重强度、韧性及硬度的指标，规定材料的使用状态使钢材获得细小晶粒组织。增加钢板超声检测以
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便控制钢板内部缺陷。也应研究开发满足生产的新材料、新工艺、以便降低压力容器的建设投资。
参考文献：
[1] HG/T20581-2011.钢制化工容器材料选用规定[S].北京：工业和信息化部，2011. [2]曲建平，朱秋爾.硫化氢应力腐蚀环境下压力容器用钢的选用探讨[J].化工设备设计，1996（6）：42-43.
[3]于斐.压力容器的应力腐蚀及控制[J].管道技术与设备，2005（2）：34-35.
[4]那忠庆.硫化氢腐蚀介质条件下压力容器的设计[J].油气田地面工程，2010（1）：32-33. 作者简介：
明勇（1982- ），男，四川南充人，学历：工学学士，职称：总经理助理，研究方向：压力容器设计。
姚蓉（1983- ），女，四川南充人，学历：工学学士，职称：材料责任人，研究方向：压力容器材料。