李慧

（惠生工程（中國）有限公司，河南 鄭州 450018）

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，我國政府部門愈發(fā)提高對石油化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重視程度，針對石油化產(chǎn)業(yè)發(fā)展提出各種相關(guān)政策，來推動石油化工產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。而壓力容器設(shè)備作為石油化工企業(yè)提煉原油的重要設(shè)備，一旦該環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，很容易給整個加工過程帶來嚴(yán)重影響。如濕硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂問題，這種問題是目前最常見的壓力容器設(shè)備問題，這種問題的危害性較強，甚至?xí){到工作人員的生命安全。近年來，我國國內(nèi)原油開采量較少，其他大部分原油來自國外進口，其中以中東石油進口量較高，油品中含有大量硫化物。針對該種問題，壓力容器設(shè)計人員要提高對濕硫化氫應(yīng)力腐蝕問題的重視程度，從源頭上解決腐蝕問題，避免給原油提煉埋下巨大的安全隱患。

1 濕硫化氫應(yīng)力腐蝕環(huán)境概述

美國腐蝕工程師協(xié)會頒布《Specification for design of pressure vessels under stress corrosion conditions of wet hydrogen sulfide》提出：當(dāng)介質(zhì)接觸到容器中的液體時，會產(chǎn)生大量游離水，當(dāng)游離水中溶解的硫化物濃度高于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)時，即可被稱為濕硫化氫應(yīng)力腐蝕環(huán)境。如游離水中溶解的硫化物濃度高于50mg/L、游離水PH值高于7.6，且總硫化物含量為1mg/L；氣相中硫化氫分壓大于0.3kPa；游離水PH值低于4.0，溶解的硫化物含量高于1mg/L時，只要滿足上述任何條件。

2 濕硫化氫應(yīng)力腐蝕機理

硫化氫和水溶液相互融合產(chǎn)生出氫離子，工作人員從鋼材表面能取得電子后可將其還原成氫原子，且不同氫原子間具有較強的親和力，從而形成氫分子，被排出體外。而介質(zhì)中的硫化物能有效降低這種親和力，導(dǎo)致部分氫原子無法合成氫分子，原子半徑低于標(biāo)準(zhǔn)值的氫原子很容易滲透到鋼材內(nèi)部，甚至溶解到晶格，和晶格中氫元素相互結(jié)合，無形中提高材料脆化程度。但在濕硫化氫應(yīng)力腐蝕環(huán)境不僅會出現(xiàn)腐蝕問題，還會誘發(fā)各種腐蝕開裂現(xiàn)象，如應(yīng)力導(dǎo)向氫誘導(dǎo)開裂、誘導(dǎo)開裂、硫化物應(yīng)力腐蝕開裂、氫鼓泡等類型。

（1）氫鼓泡。氫原子從鋼材表面進入，滲透到鋼筋內(nèi)部，在夾雜物和分層位置集中起來，形成氫分子。但如果氫分子體積較大，無法從金屬中排除，隨著分子數(shù)量逐漸變多，壓力不斷增加，導(dǎo)致其局部出現(xiàn)變形，這種開裂問題不需要施加任何外力就會發(fā)生，所以不屬于應(yīng)力腐蝕破壞環(huán)節(jié)。

（2）硫化物應(yīng)力腐蝕開裂。該種開裂現(xiàn)象是在濕硫化氫應(yīng)力腐蝕環(huán)境和拉應(yīng)力雙重作用下形成的，鋼材中吸收大量硫化物腐蝕介質(zhì)，在鋼材表面產(chǎn)生氫原子。

（3）應(yīng)力導(dǎo)向氫誘導(dǎo)開裂。和誘導(dǎo)開裂原理基本相同，應(yīng)力導(dǎo)向氫誘導(dǎo)開裂的裂紋排序相互重疊，垂直于鋼板表面的裂紋，屬于貫穿性開裂，很容易誘發(fā)高盈利水平。在裂紋中各種應(yīng)力引導(dǎo)下，結(jié)合大量氫分子壓力，會形成應(yīng)力導(dǎo)向氫誘導(dǎo)開裂，甚至沿著開裂痕跡進一步拓展。同時，在出現(xiàn)應(yīng)力導(dǎo)向氫誘導(dǎo)開裂時會出現(xiàn)其他腐蝕問題，無形中增加其的危害性，尤其是應(yīng)力導(dǎo)向氫誘導(dǎo)開裂和硫化物應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象同時出現(xiàn)時，會給壓力容器帶來嚴(yán)重損壞。

（4）誘導(dǎo)開裂。在正常情況下，氫鼓泡通常在金屬內(nèi)部不同深度都會出現(xiàn)，相鄰鼓泡將裂紋相互連接，產(chǎn)生階梯式開裂問題，其同樣不是應(yīng)力腐蝕破壞。

3 壓力容器設(shè)計中的要求

3.1 材料要求

在設(shè)計壓力容器時，工作人員要先考慮到選材，雖然可以采用不銹鋼材料避免設(shè)備出現(xiàn)腐蝕問題，但這種方式經(jīng)濟性較低，所以很多裝置采用低合金鋼和碳鋼。當(dāng)壓力容器長期處于濕硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂環(huán)境時，要求低合金鋼和碳素鋼材料的屈服強度小于355MPa、材料抗拉強度低于630MPa，通常選擇Q345R和Q245R材料，主要原因是鋼材強度越高，越容易出現(xiàn)破壞問題，所以當(dāng)設(shè)計壓力較低時，可采用Q245R材料（如表1所示）。而鋼管采用GB/T9948石油裂化用無縫鋼管中20#鋼管，能增加實際要求，滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 不同材料的硬度值

同時，材料要經(jīng)過模擬焊進行加熱處理，熱處理溫度為620°，保溫速度高于2.5min/mm，保溫時間超過2小時，材料力學(xué)性能和試樣選擇均在模焊后進行。然后進行Z向拉伸試驗，嚴(yán)格遵循SA-770標(biāo)準(zhǔn)，選擇三個試樣，保證其平均值高于35%，單個值不小于25%，再將材料開展奧氏體晶粒度檢測，要求平均晶粒度低于6級，材料非金屬雜物不能超過1.5級，其門檻值要等于實際屈服強度的80%。另外，針對螺旋材料，工作人員通常選擇低強度普通碳素鋼和低合金鋼，普通碳素鋼采用正火，低合金鋼應(yīng)長時間處于調(diào)質(zhì)狀態(tài)。并保證焊接材料中的磷含量、硫含量和母體相互配備，其焊縫熔敷金屬硬度小于200HBW，焊條要采用低氫型材料，這種材料中硅元素和錳元素含量較低，埋弧自動焊和焊條電弧焊所使用的焊接材料錳含量在1.0%左右，硅含量為0.50%。

3.2 結(jié)構(gòu)要求

所有焊接頭全部采用全焊透結(jié)構(gòu)，連接殼體和接管位置要進行圓滑處理，接管端部內(nèi)部打磨成圓角；補強方面通常利用厚壁管補強和整體補強方法，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重變化，合理控制局部壓力。設(shè)計人員要按照客戶提出的工藝條件要求，計算出實際應(yīng)用中相關(guān)介質(zhì)各方面要素，如成分占比、工作溫度、工作壓力等參數(shù)，再計算出壓力容器主體厚度，結(jié)合濕硫化氫應(yīng)力腐蝕情況，合理增加設(shè)備腐蝕限度，保證其腐蝕裕量高于3mm。同時，要根據(jù)工藝要求設(shè)置支座形式和設(shè)備管口，等到圖紙設(shè)計工作完畢后，要傳輸給客戶，確定圖紙內(nèi)容滿足使用要求后，才能進一步細化圖紙內(nèi)容，然后在圖紙輔導(dǎo)下進行制造工作。

3.3 制造檢驗要求

所有符合焊接工藝要求的焊接接頭都要進行硬度試驗、SSC試驗、HIC試驗，保證其硬度低于200HI10；焊頭接頭力學(xué)性能要高于母材性能的最低標(biāo)準(zhǔn)，焊接接頭的抗HIC能力和抗SSC能力要滿足材料基本要求。在進行角焊縫焊接和對接焊縫時，工作人員優(yōu)選選擇回火焊道的焊接技術(shù)，其以手工GTAW為主體，來控制焊道和焊道間的回火效果（如表2所示）。但值得注意的是，焊縫禁止出現(xiàn)咬邊現(xiàn)象，螺栓螺紋通常利用滾壓成型措施，盡可能減少應(yīng)力熱處理環(huán)節(jié)，合理控制螺栓實際硬度不超過22HRC；在介質(zhì)一側(cè)的焊接焊頭禁止打硬記，設(shè)備均在焊接完成后解決應(yīng)力熱處理作用，將所有焊接接頭應(yīng)力進行硬度試驗，保證硬度檢測工作在介質(zhì)側(cè)面進行，對接接頭A類和B類每隔3m范圍進行一次硬度檢測，標(biāo)準(zhǔn)硬度應(yīng)控制在200HBW。

表2 制造過程的無損檢測數(shù)據(jù)

4 解決濕硫化氫應(yīng)力腐蝕對策

4.1 化工容器用鋼選用

在石油煉化過程中，如果長期處于濕硫化氫應(yīng)力腐蝕環(huán)境下，很容易給壓力容器性能帶來嚴(yán)重影響。因此，在設(shè)計壓力容器時，工作人員要考慮容器材料各方面的性能，如焊接性能、熱處理性能、冷加工性能等，結(jié)合設(shè)備操作環(huán)節(jié)設(shè)計運行數(shù)據(jù)，從而計算出介質(zhì)對壓力容器選材階段帶來的影響（如表3所示）。

表3 濕硫化氫應(yīng)力腐蝕環(huán)境下壓力容器用碳素鋼和低合金鋼選用原則

4.2 嚴(yán)格制造工藝

靜應(yīng)力是影響應(yīng)力腐蝕開裂的主要環(huán)節(jié)，其自身拉應(yīng)力低于材料屈服強度，當(dāng)其應(yīng)力逐漸上升時，會降低開裂所需時間。經(jīng)過專業(yè)人員統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，通過應(yīng)力誘發(fā)的應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象占總應(yīng)力腐蝕開裂的80%，應(yīng)力來源是來自既有設(shè)備在加工成型中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，且這種應(yīng)力影響程度和應(yīng)力作用方向、金屬晶粒有直接聯(lián)系，橫向應(yīng)力損壞程度要高于縱向應(yīng)力；設(shè)備表面應(yīng)力集中會產(chǎn)生較強的應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象，出現(xiàn)大量開裂裂紋源，提高裂紋擴展速度。同時，在金屬構(gòu)件中，當(dāng)其應(yīng)力強度因子高于應(yīng)力強度限定值時，也很容易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂問題，反之，則不會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象。因此，工作人員要嚴(yán)格遵循行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，進行各種加工工藝操作，要從結(jié)構(gòu)組裝、材料加工、制造工藝等方面來降低加工應(yīng)力，盡可能不采用鉚接結(jié)構(gòu)和點焊結(jié)構(gòu)。當(dāng)殘余應(yīng)力過高時，可采用退火方法解決殘余應(yīng)力，超聲波、滾壓等方法能減少應(yīng)力，這是提高材料抗應(yīng)力腐蝕能力的重要方法。

4.3 嚴(yán)格控制介質(zhì)中濕硫化氫應(yīng)力體積分?jǐn)?shù)

當(dāng)采用石腦油和液化石油氣作為主要化工材料時，要根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進行脫硫處理，保證脫硫后的濕硫化氫體積低于5010-6，最大體積不能超過1006。針對高強鋼制的零部件，其H2S體積要更小。

5 結(jié)語

綜上所述，隨著我國含硫原油煉制數(shù)量不斷增加，很多煉廠設(shè)備都被放置在濕硫化氫應(yīng)力腐蝕環(huán)境下，一旦工作人員對該環(huán)節(jié)的重視程度不足，很容易出現(xiàn)各種開裂問題，給壓力容器使用年限帶來嚴(yán)重影響，甚至威脅到工作人員生命健康。針對該種情況，相關(guān)企業(yè)要提高對濕硫化氫應(yīng)力腐蝕環(huán)境的重視程度，在壓力容器設(shè)計階段要綜合考慮環(huán)境因素，合理優(yōu)化容器材料選擇，嚴(yán)格控制行業(yè)制造工藝，設(shè)計出預(yù)期的壓力容器，保證整個石油煉化過程中順利進行。