浅谈压力容器在湿硫化氢环境下的氢损伤

刘义伟（德州市产品质量标准计量研究院，山东 德州 253000）

湿硫化氢环境存在于石化行业的各种压力容器中，因其常常被忽视，所以湿硫化氢环境下的氢损伤对压力容器的危害性更大，因此探讨压力容器在湿硫化氢环境下的氢损伤对压力容器的定期检验具有重要意义。

1 湿硫化氢环境下电化学腐蚀的过程

硫化氢本身对压力容器并无腐蚀性，但是在有水的情况下就会形成H2O-H2S环境，即湿硫化氢环境，在湿硫化氢环境下，H2S会发生电离，其电离过程如下：

此时在压力容器表面发生的电化学反应为：

其中H2-氢分子；Had-吸附氢；Hab-吸收氢。

从上述反应过程中可以看出，本来在压力容器表面的氢离子（H+），与从阳极反应释放的电子（e-）按照公式（4）结合成吸附氢Had。由于吸附氢Had之间具有较强的亲和力，很容易在压力容器表面结合成氢分子（H2）释放出去，但由于H2S 在水溶液按照公式（1）、（2）电离出了HS-和S2-，HS-和S2-的存在削弱了氢原子之间的亲和力，使氢离子（H+）不再按照公式（4）的途径生成吸附氢Had，而是按照公式（5）的途径形成吸收氢Hab，致使大量半径极小且渗透能力极强的吸收氢Hab渗入压力容器内部，并积聚在夹杂物或某些杂质元素的偏析处，就有可能产生氢鼓包(HB)、氢致腐蚀开裂(HIC)、导向氢致开裂(SOHIC)和硫化物应力腐蚀开裂(SSCC)。

2 湿硫化氢环境中的氢损伤类型

氢原子进入压力容器内部，在不同组织结构和不同强度级别的压力容器中会发生不同类型的氢损伤。金属制压力容器在湿硫化氢环境下发生的氢损伤的类型主要有以下几种。

2.1氢鼓包（HB）

渗入压力容器的内部容易产生过饱和空位，而且量比较大，这主要是因为氢原子在晶界、夹杂物和第二相粒子周围聚集，使其在金属中的空位浓度大大提高，氢原子在夹杂物周围聚集越多就会结合氢分子，并形成巨大的氢分压，当氢分压足以使周围金属材料发生局部塑性变形时，将出现平行于压力容器表面的鼓泡。氢鼓泡最容易在没有任何外加应力的常温下发生。

氢鼓包可通过肉眼或者手电筒进行宏观检查时发现，采用量具来测量其尺寸的大小。对于那些大而明显的氢鼓包直接用肉眼就可以清楚地发现；而对于那些尺寸较小，且凸起高度不明显的鼓包可借助手电筒紧贴压力容器内壁的直射光有效地检出，有时候还可以通过手触摸的方式感受到其存在。

2.2 氢致开裂（HIC）

在氢分压作用下不同层面的相邻氢鼓泡裂纹相互连接，形成直线状或阶梯状特征的内部裂纹称为氢致开裂（HIC）。

氢致开裂（HIC）的机理与氢鼓泡（HB）一样，HB 和HIC 的形成过程示意图，如图1。

图1 氢鼓包（HB）和氢致开裂（HIC）形成示意图

由于氢致开裂一般发生在压力容器内部，很难用肉眼发现，在压力容器定期检验过程中可借助声发射或者超声相控阵等先进方法，及时发现氢鼓包（HB）和氢致开裂（HIC）等缺陷。

2.3 硫化物应力腐蚀开裂（SSCC）

氢原子渗入压力容器内部，在压力容器内部引起微裂纹导致氢脆，在外加拉应力或残应余力作用下形成的开裂称为硫化物应力腐蚀开裂（SSCC）。硫化物应力腐蚀开裂（SSCC）通常发生在中、高强度钢的焊接熔合区和低合金钢的热影响区。硫化物应力腐蚀开裂与钢材的化学成分、显微组织、力学性能、外加应力与残余应力及焊接工艺等密切相关。这种类型的开裂由于没有预兆所以危害非常大。

2.4 应力导向氢致开裂（SOHIC）

在压力容器的高应力部位处（如压力容器接管、几何不连续处）因氢聚集而形成的微小裂纹，微小裂纹在应力引导下沿着壁厚方向发展形成的开裂，称为应力导向氢致开裂（SOHIC）。渗入压力容器的内部的氢原子，在晶界、夹杂物和第二相粒子周围聚集形成巨大的氢分压，当氢分压超过材料结合力时，形成平面裂纹（沿拉伸面平行于试样长度方向），然后再氢分压、拉应力和夹杂物的共同作用下产生了纵向裂纹（即垂直于拉伸面，沿着壁厚方向发展），纵向裂纹在扩展过程中发生偏转，当纵向裂纹扩展到平面裂纹面上时，有些裂纹扩展就此终止，有些与平面裂纹合并继续扩展，即纵向裂纹不完全垂直于平面裂纹；因此，应力导向氢致开裂典型的特征是裂纹沿“之”字形扩展。

由于资料对应力导向氢致开裂（SOHIC）介绍较少，往往使检验人员在压力容器定期检验过程中对应力导向氢致开裂（SOHIC）的认识和重视程度不够，抑或是对检验工作做得粗糙，混淆了应力导向氢致开裂（SOHIC）和硫化物应力腐蚀开裂（SSCC）。

3 湿硫化氢环境下氢损伤类型间的联系与区别

3.1 氢损伤两大类型之间的联系

所有氢损伤类型发生的条件均是在湿硫化氢环境下，发生的实质都是钢中渗氢，并且氢原子来源于H2S 腐蚀反应。氢致开裂（HIC）的发生机理与氢鼓包（HB）一样，并且两者的发生都无需外加应力；硫化物应力腐蚀开裂（SSCC）是氢致开裂(HIC)的另一种表现形式，由吸附硫化物腐蚀过程中在金属表面生成的氢原子引起。

3.2 氢损伤两大类型之间的区别

湿硫化氢环境腐蚀开裂四种类型的比较见表2：

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