黑水环境中氯离子浓度对不锈钢应力腐蚀开裂敏感性的影响

单广斌，迟立鹏，李贵军，黄贤滨，屈定荣

（1.中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院，青岛266071；2.北京科技大学，北京100086）

M厂煤制氢装置采用GE“非催化部分氧化法”水煤浆气化技术，原料中的氯含量时常超设计值，即物料中的Cl－含量增多，而该装置中的许多设备和管道选用了18-8奥氏体不锈钢，Cl－的增加不仅会增加点蚀，还会引起应力腐蚀开裂，这也引发了企业的担心。目前，关于氯化物浓度与不锈钢应力腐蚀开裂关系的研究已较多。如不锈钢在100℃以下常压环境水溶液中的应力腐蚀规律［1-11］；不锈钢在沸腾氯化物盐溶液中的腐蚀规律［12-13］；不锈钢在高温高压水溶液或蒸汽中的腐蚀及影响因素［14-15］等。煤制氢装置所处的黑水环境不仅具有高温高压，而且含有CO2、硫化物等腐蚀性介质，而目前关于该环境中应力腐蚀规律的研究还鲜见报道，本工作针对煤制氢装置所处的高温高压环境，开展了Cl－浓度对不锈钢应力腐蚀敏感性影响的研究。

1 试验

拉伸试样采用固溶态00Cr18Ni10不锈钢板，标距段长度为25.4 mm，直径为5 mm，Ra＜3μm。

试验环境模拟M厂的煤制氢黑水环境：温度250℃，压力6.5 MPa，氨氮质量浓度320 mg／L，硫化物质量浓度1 mg／L，气相中CO2体积分数18%，Cl－质量浓度为0，5，10，50，100，200，400 mg／L。

拉伸试验采用CORTEST慢拉伸测试系统，测试方法参照GB／T 15970 2001《金属和合金的腐蚀 应力腐蚀试验第7部分 慢应变速率试验》进行，试样完全浸没于溶液中，应变速率为10－5／s。

2 结果与讨论

由图1可见：随着溶液中Cl－量的增加，试样的抗拉强度降低。试验环境中得到应力应变曲线包围的面积标记为S1，惰性介质中应力应变曲线包围的面积标记为S2，比值y＝S1／S2，y的大小反映了材料的应力腐蚀敏感性，y值越小，应力腐蚀敏感性越高，结果见表1。

图1 试样在含不同量Cl－试验溶液中的SSRT曲线Fig.1 SSRT curves of samples in test solution containing different concentrations of Cl－

表1 试样在含不同量Cl-试验溶液中的应力腐蚀敏感性Tab.1 The sensitivity to stress corrosion cracking of samples in test solution containing different concentrations of Cl－

由表1可见：随着溶液中Cl－含量的增加，试样的应力腐蚀敏感性增大。当溶液中Cl－质量浓度为0～10 mg／L时，其断后伸长率仅约为6%；应力腐蚀敏感性急剧变化；且当Cl－质量浓度为10 mg／L时，试样的应力腐蚀敏感性已比较高，当Cl－质量浓度为10～400 mg／L时，应力腐蚀敏感性变化相对比较缓和。

由图2可见：应力腐蚀敏感性随Cl－质量浓度变化的突变点为16.8 mg／L，即应力腐蚀发生的临界Cl－质量浓度为16.8 mg／L，这明显低于温度60℃，p H＝7条件下的（90 mg／L）［10］。

由图3可见：当溶液中的Cl－质量浓度为0和5 mg／L时，试样断口形貌以韧窝为主，表现出明显的韧性断裂特征；当溶液中Cl－质量浓度为10 mg／L时，断口出现韧窝＋沿晶和少量穿晶混合特征；进一步增加Cl－质量浓度，试样断口的沿晶和穿晶脆性特征更加明显；继续增加Cl－质量浓度为200 mg／L，脆断面积约为90%。

图2 应力腐蚀敏感性随Cl－质量浓度的变化曲线Fig.2 Change curve of sensitivity to SCC vs Cl－concentrations

图3 试样在含不同量Cl－溶液中经SSRT后的断口微观形貌Fig.3 Micro morphology of the fracture of samples after SSRT in the solution containing different concentrations of Cl－

3 结论

在M厂煤制氢装置黑水环境中，00Cr18Ni10钢试样的应力腐蚀敏感性随溶液中Cl－含量的增加而增大，应力腐蚀敏感性发生突变的Cl－质量浓度为16.8 mg／L。