氢致损伤改为 氢鼓泡引发的设备破损及物料泄漏

10.5.3.1 氢腐蚀

石油裂化和煤转化用压力容器等装备是在高温高压下运行，其使用寿命和安全可靠性受到极大关注。高压氢进入钢中，在高温下（200℃以上）与碳化物反应生成甲烷（CH₄）气泡，在应力作用下气泡沿晶界长大，连接成为裂纹，不仅降低材料性能，而且严重影响设备的寿命。

氢腐蚀有以下特点：

（1）氢腐蚀属化学腐蚀，受温度和压力的影响。各种钢在一定氢压力下均存在氢腐蚀的起始温度，一般都在200℃以上。低于起始温度时，反应速度极慢，甚至形成甲烷气泡的孕育期超过设备的使用寿命，可以认为不发生氢腐蚀。氢分压对氢腐蚀的影响也有最低值，低于此值时即使温度高也不产生氢腐蚀，仅产生钢的脱碳。Eelson根据大量经验数据，提出各种钢发生氢腐蚀的温度与氢分压关系曲线，即著名的Eelson曲线，如图10-44所示。曲线下方为材料安全使用区。

（2）钢的化学成分对氢腐蚀有影响，随碳含量增加，氢腐蚀加剧。图10-45所示为在500℃的氢介质中暴露100h，钢中碳含量对氢腐蚀的影响。因此抗氢腐蚀钢在满足强度要求的前提下，应尽量降低碳含量。

图10-43 四种石油钻杆用钢在pH值为10～11的介质中的曲线（室温）

MnS杂质促进氢腐蚀，应尽量减少其含量。

钢巾含有形成稳定化合物的合金元素，例如Cr、Mo、V、Ti、Nb、Zr等能提高钢的抗氢腐蚀性。钢是最常用的石油精炼压力容器用钢。

(3)细晶粒和用铝脱氧的钢，由于晶界面多，有利于甲烷气泡形核，缩短了氢腐蚀孕育期。焊接接头易发生氢腐蚀。

10.5.3.2 氢鼓泡

低强度钢管或容器在H，S水溶液中或湿H₂S中有应力或无应力作用下，由于H₂S分解产生的氢原子进入钢中，扩散到缺陷处，变成氢分子，产生很高的压力，导致产生裂纹。裂纹平行于轧制面，在接近表面处形成鼓泡，称为氢鼓泡。在含硫的油、气管线，储罐，炼制设备及煤的汽化设备中，经常见到这类氢诱发开裂现象。钢中存在扁平状或长条MnS夹杂物等易成为裂纹源。产生氢鼓泡时将导致设备破损或物料泄漏。

图10-44 在含氢介质中的Nelson曲线

图10-45 钢中碳含量对氢腐蚀的影响

氢鼓泡是在室温下出现，如果提高或降低温度，则能减少开裂倾向。钢中含有少量Cu[w（Cu）为0.2%～0.3%]时能显著减少开裂；加入少量Cr、V、Mo、Eb、Ti等元素时可改善钢的力学性能，提高对裂纹扩展的阻力。淬火回火处理的钢比正火态可减少氢诱发开裂的危险。

10.5.3.3 氢脆

氢脆一般发生在屈服强度大于620MPa的高强度钢及Ti、Ta等高强度材料中。氢对材料的伸长率及断面收缩率有显著影响，但对屈服强度的影响不大。氢对低强度钢的影响不仅降低塑性，也降低断裂应力（σ_F）。

1.氢脆特点

（1）延迟破坏。材料在静载荷作用下，裂纹萌生，低速扩展，失稳断裂。图10-46所示为高强度钢延迟断裂曲线，图中的下临界应力是延迟断裂临界应力，低于此值时应力作用时间再长也不发生破断。

图10-46 高强度钢静载荷作用下的延迟断裂应力-时间曲线

（2）氢脆裂纹扩展是不连续的，在裂纹扩展过程中有氢析出。

（3）氢脆断口没有明显特征，断口形貌与应力强度因子及含氢量有关系。高K_I时可能是韧窝形断口，低K_I时是沿晶断口，中等K_I时是解理或准解理断口（图10-47）。图10-48所示为35CrMnSiA钢氢脆断口类型与K_I及氢含量关系。

图10-47 K_I值与氢脆断口形貌关系(www.xing528.com)

a）高K_I时为韧窝状断口 b）中等K_I时为解理或准解理断口 c）低K_I时为沿晶断口

图10-48 35CrMnSiA钢氢脆断口类型与K_I及氢含量关系

2.影响氢脆的因素

（1）随着氢含量增加，钢的塑性急剧下降，临界应力也降低。图10-49所示为纯Fe中氢含量与伸长率的关系。

（2）氢脆与湿度有关系，一般认为钢的氢脆发生在-100～150℃之间，其中以室温附近（-30～30℃）最严重。

（3）溶液的pH值越低时，越容易产生氢脆，溶液中存在Cl-时加速氢脆。

（4）应力集中程度越大，越容易产生氢脆。应变速率越慢，材料氢脆敏感性越大，因此冲击加载和正常拉伸试验不能显示出材料对氢脆的敏感性。

（5）材料的成分、组织结构及力学性能与氢脆有关系。钢中含P、As、Sb、Si、S、Mn等元素促进钢产生氢脆。钢的组织与氢脆关系见表10-27。

钢的强度越高，氢脆敏感性越大。实践证明，在湿H₂S中，钢的硬度大于22HRC时易出现氢脆。但是冷轧钢管即使硬度低于22HRC，在湿H₂S中也易产生氢脆。

图10-49 纯Fe中氢含量与伸长率的关系

表10-27 Cr-Mo钢组织与氢脆关系

注：I为氢脆系数，Z₀、Z分别为无氢和含氢试样断面收缩率。

3.氢脆试验与评定方法

（1）弯曲法。用板状试样夹在特制夹具上反复弯曲一定角度（一般为120°），直至断裂，记下弯断次数（n），算出氢脆系数（I）。n_H为含氢试样弯断次数，n_空为不含氢试样弯断次数。

（2）断面收缩率法。在一定拉伸速度下，测量拉伸试样断裂后的断面收缩率（Z），计算氢脆系数（I）。

式中 Z₀——无氢试样断面收缩率；

Z——含氢试样断面收缩率。

（3）测定试样的延迟断裂曲线。即应力（σ）与时间（t）曲线，求出试样不断时的应力门槛值（σ_th），即下临界应力。图10-50所示为20MnVB钢不同组织的延迟断裂曲线，纵坐标为试样在含氢介质中的断裂应力（σ_n）与大气介质中材料缺口试样强度（σ_bn）之比，横坐标为断裂时间（t_f）。

图10-50 20MnVB钢不同组织的延迟断裂曲线

注：图中百分数为体积分数。