湿硫化氢应力腐蚀工况下的压力容器设计

2017-03-04王宗宇郑伟山东海成石化工程设计有限公司山东淄博255400

化工管理 2017年23期

关键词：低合金钢硫化氢热处理

王宗宇郑伟（山东海成石化工程设计有限公司，山东淄博 255400）

湿硫化氢应力腐蚀工况下的压力容器设计

王宗宇郑伟（山东海成石化工程设计有限公司，山东淄博 255400）

简要介绍了湿硫化氢腐蚀环境的破坏机理及损伤形式，提出了在湿硫化氢应力腐蚀环境下设计人员的注意事项及设计要求。

湿硫化氢;应力腐蚀;压力容器

在以原油、天然气、石油气等为原料的炼油，石油化工产业中，压力容器设备发生湿硫化氢应力腐蚀开裂（SSCC）是一种发生频率较高，后果严重的现象。特别是在我国目前国内原油深度开采和依靠大量进口外国原油，尤其以中东油品占比较多的情况下，油品中硫及硫化物含量较高。作为压力容器设计人员对于硫化氢应力腐蚀问题需要格外注意，从设计源头做好预防措施，防止这种失效的发生。

1 湿H2S腐蚀的破坏机理及损伤形式

硫化氢在水中电离分解：H2S↔HS-+H+

钢在硫化氢水溶液中发生如下反应：Fe+HS-→FeS+H++2e-2H++2e-→2H↔H2

鼓泡（HB）

氢原子向钢的表面渗透扩散进入钢材内部，在分层处和夹杂物处聚集并形成氢分子。氢分子太大无法从金属中扩散出去，随着分子数量增加，压力增大产生局部变形。氢鼓泡的发生不需要外加应力作用即可发生，不属于应力腐蚀破坏。

诱导开裂（HIC）

氢鼓泡在金属内部不同深度层面形成，相邻或邻近的鼓泡会扩展裂纹将他们连起来，形成阶梯式开裂，故也叫“阶梯形开裂”。HIC也不属于应力腐蚀破坏。

③硫化物应力腐蚀开裂（SSCC）

在拉应力和含水的H2S腐蚀环境共同作用下的开裂现象，是钢材吸收了硫化物腐蚀介质在钢材表面形成的氢原子而形成的。焊后消除应力热处理对降低硬度和残余应力有帮助。

④应力导向氢诱导开裂（SOHIC）

与HIC相似，SOHIC的特点是裂纹排列为彼此相重叠，结果是垂直于钢板表面的贯穿性开裂，并引起高应力水平。在这些裂纹中在应力引导下加之氢原子的大量聚集形成的氢分子压力，进而发展成SOHIC。SOHIC沿着预先存在的裂纹进一步扩展。SOHIC往往伴随其他腐蚀形式出现，故危害性更大。尤其SSCC和SOHIC的叠加效应可能造成灾难性事故。[1]

2 压力容器设计中的要求

2.1 选材

①压力容器设计首先应考虑选材，虽然采用不锈钢可以防止大部分设备腐蚀破坏，但很不经济。故许多装置仍采用碳钢与低合金钢。当为湿硫化氢应力腐蚀工况时,材料要求碳素钢和低合金钢的屈服强度Rm≤355MPa；材料实测的抗拉强度Rm≤630MPa；一般取Q245R和Q345R,因为钢材强度越高越容易发生破坏，所以设计压力不是很高时一般取Q245R比较合适。钢管选用GB/T9948石油裂化用无缝钢管中20#钢管可增加要求满足标准附录B（用于含H2S环境的优质碳素结构钢钢管抗开裂补充技术要求）。

②材料确定后，还应当要求材料供货状态为正火或正火+回火、退火、调质。控制碳当量：对于低碳钢和碳锰合金，碳当量CE≤0.43，CE=C+Mn/6；对于低合金钢（包括低温镍钢），碳当量CE≤0.45，CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15。

③要求供货商对于有害元素化学成份(熔炼分析)应符合如下规定：S≤0.003%、P≤0.010%、Ni≤1.0%、Mn≤1.35%。

④受压元件用钢板及锻件厚度方向断面收缩率Z按如下规定:三个试样平均值≥35，允许其中一个试样≥25。[2]

⑤钢板应以相同的炉罐号、同厚度及同炉热处理为一批；锻件应以相同的炉罐号、同锻造工艺及同炉热处理为一批按NACETM-0284-2003A溶液进行抗氢诱导开裂（HIC）试验，要求:CLR≤5%;CTR≤1.5%;CSR≤0.5%;或者选用舞阳钢厂Q245R (HIC)、Q345R(HIC)抗硫化氢腐蚀钢板（钢板制造时腐蚀试验做抗氢致开裂检验）。

⑥壳体用钢板厚度大于等于12mm时，钢板应逐张做100%超声波检测（UT），满足相应标准NB/T47013.3-2015Ⅱ级合格。[2]

2.2 制造要求

①在冷加工过程中变形量≤2%时不需处理，变形量2%～5%应做消除应力热处理；大于5%时，应进行正火或回火热处理。

②所有焊缝均应经焊接工艺评定，包括对焊、补焊、角焊等，在满足强度要求的前提下，尽可能采用低强度焊接材料；所选用的焊接材料应保证采用相应方法焊成的熔敷金属的化学成分与主体材料匹配，力学性能应不低于主体材料性能指标。焊缝外的起弧、打弧点（包括临时焊缝处）均应在热处理前打磨0.3mm以上，并做磁粉（MT）或着色检查。

③焊接接头焊后不允许有封闭的中间空隙（如衬板等四周填角焊缝后），如不可避免应开排气孔。

④不予许存在铁素体钢或双向不锈钢与奥氏体不锈钢之间的异种钢焊接接头。

2.3 焊后热处理

设备制造完毕后必须进行焊后整体消除应力热处理。热处理后焊缝、热影响区及母材的硬度Q245RHBW≤180，Q345RHBW≤200,焊后热处理能达到消除焊接残余应力，避免焊缝及其热影响区产生裂纹，改善焊缝接头的力学性能的目的。不得在接触介质侧打钢印。热处理前应将平台、爬梯、管架、吊耳等预焊垫板焊好,热处理后不允许再在设备本体上动火施工焊接。