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腐蝕機理

在濕的硫化氫環(huán)境中，氫致破壞是因為產(chǎn)生原子氫而引起的。原子氫是腐蝕反應的副產(chǎn)物，之后，原子氫會擴散進入鋼中。如下所示，鋼與含水硫化氫發(fā)生腐蝕反應時，就會產(chǎn)生原子氫(H)和分子氫(H2)：

Fe + H2S → FeS + 2 H ，接著，2H → H2

碳鋼設備發(fā)生均勻腐蝕和濕硫化氫應力腐蝕開裂。開裂的形式包括以下幾種。

（1）氫鼓泡含硫化合物腐蝕過程析出的氫原子向鋼中滲透，在裂紋、夾渣、缺陷等處聚集并形成分子，從而形成很大的膨脹力。隨著氫分子數(shù)量的增加，對晶格界面的壓力不斷增高，導致界面開裂形成氫鼓泡。主要分布在設備內壁的淺表面。

（2）氫致開裂在鋼材內部發(fā)生氫鼓泡的區(qū)域，當氫的壓力繼續(xù)增高時，小的鼓泡裂紋趨向于相互連接，形成階梯狀特征的氫致開裂，分布在平行于表面方向，鋼中MnS夾雜帶狀組織分布會增加氫致開裂的敏感性。

（3）硫化物應力腐蝕開裂濕硫化氫環(huán)境中產(chǎn)生的氫原子滲透到鋼的內部，溶解于晶格中導致氫脆，在外加應力或殘余應力作用下形成開裂。它通常發(fā)生在焊縫與熱影響區(qū)等高硬度區(qū)。

（4）應力導向氫致開裂在應力引導下，在夾雜物與缺陷處因氫聚集而形成成排的小裂紋沿著垂直于應力的方向發(fā)展。它通常發(fā)生在焊接接頭的熱影響區(qū)及高應力集中區(qū)，如接管處、幾何形狀突變處、裂紋狀缺陷處或應力腐蝕開裂處等。

濕硫化氫開裂是在濕硫化氫環(huán)境中發(fā)生的一種氫致破壞形式。在濕硫化氫環(huán)境中，因為存在氫而發(fā)生的其他破壞形式包括：氫鼓泡，硫化物應力開裂(SSC)，氫致開裂(HIC)，應力定向氫致開裂 (SOHIC)

一、氫致開裂(HIC)及氫鼓泡

氫致開裂是平行的氫層連通在一起產(chǎn)生穿壁裂縫造成的，它們與外加應力或殘余應力沒有明顯的相互作用。在鼓泡處，氫在內部聚積產(chǎn)生的應力加劇了氫致開裂。氫致開裂與鋼材的凈度密切相關，并且與鋼的制造方法、存在的雜質和它們的形狀有關。 實驗室執(zhí)行標準GB/T8650-2015、NACE TM0284-2016

非均質的細長的硫化物或氧化物夾雜物如果是與鋼板軋制方向平行發(fā)生的，一般都會發(fā)生氫致開裂。這些夾雜物構成形成顯微氫鼓泡的場所，這些顯微鼓泡會生長，并且最終通過臺階狀裂縫連在一起。事實上，有時候把氫致開裂叫做臺階狀開裂。

由于氫致開裂對應力沒有依存關系，也不是伴隨硬化的顯微結構發(fā)生的，所以，焊后熱處理一點作用也沒有。限制硫這樣的痕量元素以及控制鋼的制造變量，才能使鋼具有氫致開裂抗性。

氫鼓泡圖

宏觀下氫致裂紋圖

氫鼓泡是原子氫擴散進入鋼材并在空隙、夾層或非金屬夾雜物處被截獲而造成的。正如上文已經(jīng)提及的，進入這些部位的氫原子結合在一起會形成分子氫，而分子氫是無法向外擴散而逸出的。聚集在一起的氫氣的膨脹壓力終使部件發(fā)生穿壁分離，并在金屬表面出現(xiàn)明顯的鼓泡。

氫鼓泡會出現(xiàn)在一塊板的兩面，或者鼓泡出現(xiàn)在另一鼓泡頂上，取決于夾層的位置。它們大小不一，從小的突起到幾英尺直徑的腫脹。不斷增大的鼓泡會使表面發(fā)生扯裂，使設備失去承壓能力。

二、硫化物應力開裂(SSC)

硫化物應力開裂(SSC)是一種氫脆開裂形式，假如高強度鋼、硬焊縫和焊接熱影響區(qū)(HAZs)處于酸性環(huán)境中，受到拉伸應力作用，并且溫度低于82°C(180°F)，就會發(fā)生硫化物應力開裂。鋼材的硫化物應力開裂易發(fā)性在很大程度上取決于其組成、顯微結構、強度、殘余應力、外加應力。

將施加應力的試樣浸泡在含H2S的酸性水溶液環(huán)境中，通過施加合適增量的載荷獲得材料抗SSCC性能數(shù)據(jù)。實驗室執(zhí)行標準GB/T 4157-2017 及NACE TM0177-2016。

拉伸法

評價在單軸拉伸加載下的金屬抗SSCC性能。通常用斷裂時間確定SSCC敏感性。通過對拉伸試樣施加特定應力級的載荷進行720h試驗，給出斷裂/未斷裂或開裂/未開裂試驗結果。

試樣簡單，應力狀況明確，試驗結果易于判定，能由斷裂時間定量評定。但試驗周期長(一般需進行720h試驗)，限制需進行此項試驗的鋼板、設備等生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)進度。

四點彎試驗

評價材料存在應力集中時的SSCC敏感性。將彎梁試樣加載到特定撓度，并將受力試樣暴露在特定的試驗環(huán)境中。試驗結束后在低倍顯微鏡下觀察受拉伸面，給出開裂破壞/未破壞的試驗結果。

四點彎試樣尺寸簡單，便于試驗小、局部和薄的材料。且加載裝置精巧、經(jīng)濟、可靠、獨特，使用方便。但試驗周期較長，定量研究困難。

四點彎曲加載裝置圖

三、應力定向氫致開裂(SOHIC)

應力定向氫致開裂(SOHIC)與氫致開裂相似，所不同的是應力定向氫致開裂是受應力驅動的，并且開裂方向與基本應力方向是垂直的。在原先有其他裂縫或缺陷的焊接熱影響區(qū)，常見應力定向氫致開裂。由于裂縫形成和發(fā)展過程中存在應力的影響，所以，為減小應力定向氫致開裂，焊后熱處理多少是有點效用的?？刂浦圃熳兞亢秃哿吭匾彩怯行У?。