金属在同时含硫化氢及水的介质中发生的应力腐蚀开裂即为硫化物腐蚀开裂,简称硫裂。发生硫裂所需的时间短则几天,长则几个月到几年不等,但是未见超过十年发生破裂的事例。发生硫裂所需的硫化氢浓度很低,略超过10-6,甚至小于10-6。美国腐蚀工程师 NACE以355Pa硫化氢分压作为确定特定气体成分(油田)是否处于硫裂潜伏区的判据。发生硫裂所需的时间一般随硫化氢浓度增大而缩短。随着硫化氢浓度增大,临界应力值降低。
碳钢和低合金钢在20~40℃温度范围内对硫裂的敏感性最大,但奥氏体不锈钢的硫裂大多发生在高温环境,随着温度升高,奥氏体不锈钢的硫裂敏感性增强。
在含硫化氢及水的介质中,如果同时含醋酸,或者二氧化碳和氯化钠,或磷化氢,或砷、硒、锑、碲的化合物或氯离子,则对钢的硫裂起促进作用。
对于奥氏体不锈钢的硫裂,氯离子和氧起促进作用,304L和316L不锈钢对硫裂的敏感性有如下的关系:H2S+H2O< H2S+ H2O+CI- <H2S+ H2O+Cl-+O2(破裂的敏感性由弱到强)。
对于碳钢和低合金钢来说,淬火加回火的金相组织抗硫裂最好,未回火马氏体组织最差。钢抗硫裂性能依淬火+回火组织、正火+回火组织、正火组织、未回火马氏体组织的顺序递降。
钢的强度越高,越容易发生硫裂。钢的硬度值越高,越容易发生硫裂。NACE标准规定,含流油、气田用钢的HRC<22。现国际上普遍采用它作为碳钢和低合金钢在湿硫化氢环境中使用的标准。这并没有什么理论根据,只是现场经验的总结。例外的情况是极个别的。
焊缝特别是熔合线是最容易发生硫裂的部位,因为这里的硬度最高。NACE对碳钢焊缝的硬度作了严格的规定:HB≤200。焊缝部位常发生破裂,一方面是由于焊接残余应力的作用,另一方面是由于焊缝金属、熔合线及热影响区出现淬硬组织的结果。为防止硫裂,焊后进行有效的热处理(适当增加625℃±25℃保温时间)是十分必要的。
控制硫裂措施:在硫裂环境中的受压元件不宜选用18-8型奥氏体不锈钢和标准抗拉强度大于540MPa的碳钢和低合金钢;降低钢板中S、P含量;增加非金属夹杂物和晶粒度检查以避免夹杂物超标和保证细晶粒要求;当选用标准未推荐材料,或改变材料的制造工艺,或选用无使用经验的材料时,要对材料进行抗SSCC性能评定试验;壳体用钢板的腐蚀裕量不得小于3mm;不得采用铜及各种铜合金;不允许存在铁素体钢或双相不锈钢与奥氏体铜之间的异种金属焊接接头等。
碳钢和低合金钢在其他应力腐蚀开裂环境中的控制措施与上述控制硫裂措施基本相同。因压力容器设计和使用过程中,“应力集中”和“介质浓缩”是两个无法避免且十分重要的因素,并与结构设计密切相关,所以资料中给出的产生应力腐蚀开裂的临界应力和临界浓度只具有参考价值和相对意义,是可以接受的工程控制指标,或适合使用的实用措施。这也是工程项目的复杂性所在。
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