抗硫化氢腐蚀碳钢的焊接

躲管渡恭石油化工设计PetrochemicalDesign抗硫化氢腐蚀碳钢的焊接曹国俊(中国石化工程建设有限公司，北京100101)摘要：介绍了湿硫化氢环境中钢材的腐蚀种类及破坏机理、诱发硫化氢腐蚀的因素、抗硫化氢腐蚀钢材的选用原则和基本要求；从抗硫化氢腐蚀碳钢的焊材选用和焊接工艺要求这两方面进一步做了说明，特别针对抗硫化氢腐蚀碳钢的焊接问题，给出了一种低硫磷、高韧性、抗氢致硫化物应力腐蚀裂纹用的钢焊丝产品，该产品经专业机构抗HIC、SSC检测和金相试验测试以及在工程中的实际应用，结果表明完全能满足抗硫化氢碳钢焊接的特殊要求。关键词：抗硫化氢腐蚀氢致开裂焊接在石化行业中，碳钢大量用于含湿硫化氢介质的设备及管道的制造。怎样采取有效措施提高碳钢设备及管道的抗硫化氢腐蚀能力以及合理的选用焊材，对于提高设备和管道的安全运转以及生产效率有着积极意义。1腐蚀种类及机理¨J湿硫化氢环境钢材腐蚀涵盖一系列破坏机理，这些破坏是在酸性工艺环境中由于充氢作用而引发的，属于氢去极化腐蚀。其中Hs对腐蚀起着主导作用，水是引起腐蚀的必要条件。钢在硫化氢溶液中的主要反应是：Fe+H2S=FeS+2Hd(1)产生的氢原子吸附于钢表面，进而有两种可能的反应：2Hd：H1(2)2H=2Hb(Fe)(3)式中H为钢表面上吸附的氢原子；H为钢中吸收的氢原子。几种主要的湿硫化氢环境钢材腐蚀破坏形式有：1)氢鼓泡(HydrogenBlistering，HB)。在公式(1)、(3)硫化氢腐蚀电化学反应过程中，析出的氢原子向钢中扩散，在钢材的非金属夹杂物、分层以及其他不连续等易聚集处形成氢分子，由于较大的氢分子难以从钢的组织内部逸出，因此积聚巨大的内压致使周围组织屈服，从而形成表面层下的平面孔穴结构，这个现象称为氢鼓泡。其特点：发生时无需外力，与材料中的夹杂物等缺陷相关且分布于钢材表面，属于不可逆氢脆。2)氢致开裂(HydrogenInducedCracking，HIC)。不同层面上的相邻的氢鼓泡裂纹，在氢气压力的作用下，相互连接形成阶梯状特征的内裂纹称为氢致开裂。其特点：发生时与拉应力和残余应力无关，裂纹大多与钢材的轧制方向平行。其产生主要受钢材的结构成分的影响(钢材组织含杂质越多，氢致开裂的可能性越大)。3)硫化物应力腐蚀开裂(SulfideStressCrack-ing，SSCC)。湿硫化氢环境中，在拉应力或残余应力和腐蚀共同作用下造成的金属开裂称为硫化物应力腐蚀开裂。它是氢致开裂的一种形态，是由于钢材吸收硫化物在金属表面腐蚀后产生的氢原子渗入钢的内部固溶晶格中而造成的。其特点：受外部应力或残余应力的影响且裂纹一般沿壁厚方向排列。材料对SSCC的敏感性主要与强度(用硬度表示)有关，强度受化学成分、热处理和显微组织的影响。一般来说，硬度高的材料具有高的SSCC敏感性。收稿日期：2013—03—08。作者简介：曹国俊，男，2006年毕业于大连理工大学化工设备与机械专业，工学硕士，工程师，从事管道材料的设计工作。联系电话：010—84878791；E—mail：ca-ognojun．sei@sinopec．tom2013年第3期(第30卷)曹国俊．抗硫化氯腐蚀碳钢的焊接·33·4)应力导向氢致开裂(StressOrientedHydro—genInducedCracking，SOHIC)。在应力作用下，金属内部的夹杂物或缺陷处由于氢积聚而产生小裂纹叠加，其沿着垂直于应力的方向(即钢材的壁厚方向)发展导致的开裂称为应力导向氢致开裂。其特点：裂纹沿“之”字形扩展，其对金属内部的夹杂物较为敏感，通常SOHIC易发生在设备和管道的高应力集中部位和焊缝热影响区。通常在湿硫化氢环境下钢材腐蚀是多种形式破坏的综合效应，包含局部腐蚀破坏，同时也伴随对钢材的均匀腐蚀。局部腐蚀较均匀腐蚀更具危害性、突发性、灾难性，同时也是化工设备和管道腐蚀的主要来源。均匀腐蚀虽然危害性小，但考虑到石油化工装置金属用量巨大，如其暴露或处于湿硫化氢环境中，其经济损失也不容忽视。2可能引起硫化氢腐蚀的因素引发硫化氢腐蚀的因素主要有材料、环境和结构设计以及制造缺陷等。其中材料因素包含材料的化学成分、强度、硬度、冷加工量、热处理状态、显微组织、材料的洁净度等；环境因素包含介质中硫化氢分压或水相中当量浓度、pH值、温度、介质流速以及同时含有的氯离子浓度、氢氰酸、二氧化碳和胺介质的含量等；结构设计及制造缺陷因素包含产生应力集中区、表面缺陷等。本文对几个各影响因素分别进行说明。1)钢材的理化性能。①化学成分。钢材中影响硫化氢腐蚀的主要化学元素有锰、硫、磷。其中锰元素含量过高，会造成钢材生产和焊接过程中，产生高强度、低韧性的马氏体或贝氏体显微金相组织，其表现出极高的硬度，这对抗硫化物应力腐蚀开裂极为不利；硫元素在钢中会形成硫化