H2S应力腐蚀条件下钢制压力容器的设计制造探讨

茆长波

江苏金诺化工装备有限公司

摘要：目前在我国的石油化工行业, H₂S应力腐蚀工况在一些钢制压力容器中比较常见,同时因硫化氢应力腐蚀给压力容器带来的危害也很大，容易造成设备的腐蚀开裂；因此H₂S应力腐蚀条件下钢制压力容器的设计和制造，一定要充分考虑到预防硫化氢应力腐蚀的各种因素，从选材、焊接、焊后热处理等方面充分考虑，确保制造出来的压力容器能够满足H₂S腐蚀工况的要求。

关键词：H₂S工况；应力腐蚀；钢制压力容器

1. H₂S工况引起的腐蚀类型

1. 1. 氢鼓泡

腐蚀过程中析出的氢原子向钢中扩散，在钢材中的非金属杂质、分层和其他不连续处易聚集形成分子氢，由于氢分子较大，难以从钢材组织中逸出，从而形成巨大内压导致其周围组织屈服，形成表面层下的平面空穴结构成为氢鼓泡，其分布平行于钢材表面，它的发生无需外加应力，与材料中的夹杂物等缺陷密切相关。

1. 2. 氢致开裂

在氢气压力的作用下，不同层面上的相邻氢鼓泡裂纹相互连接，形成阶梯状特征的内部裂纹成为氢致裂纹，裂纹有时会扩展到金属表面。

1. 3. 硫化物应力开裂

硫化物应力开裂为金属在拉应力和湿H₂S的联合作用下出现的开裂。

1.4应力导向氢致开裂

在应力引导下，夹杂物或缺陷处因氢聚集而形成的小裂纹叠加，沿着垂直于应力的方向(即钢板厚度方向)发展导致的开裂成为应力导向氢致开裂。

2. 钢制压力容器的设计制造探讨

2.1材料的选择

(1)对于存在H₂S应力腐蚀工况的钢制压力容器，材料的正确选择尤为关键，若采用不锈钢板材，制造成本高，客户的采购成本也相应增加。考虑到经济性，目前此类工况的钢制压力容器一般选用碳素钢和低合金钢，结合现行国家标准，优先选取Q245R,Q345R低合金钢，目前市场上也有专门为应对H₂S应力腐蚀工况生产出来的Q245R(HIC),Q345R(HIC)低合金钢,这种钢材对H₂S含量较高，酸性环境的工况具有更好的耐腐蚀效果；若主体材料选用HIC钢板，则该压力容器上所用的锻件、接管等受压元件均需选用具有抗HIC性能的材料。

(2)钢材采购时，要对供应商提出如下要求：a、材料供货状态至少是正火状态，碳当量要控制在标准范围内；b、严格控制钢板内的有害元素，因为在酸性相对较高的工况下，钢材内部的硫化锰杂质会造成氢致裂纹，同时磷的微观偏析量一定程度上的增高，也会使得氢致裂纹的扩展速度加快。因此钢板的硫、磷含量要严格控制在标准范围内，具体要求如下：S≤0.030%，P≤0.020%；其它有害元素也要严格控制在标准范围内。c、对于采用Q245R(HIC)或Q345R(HIC)低合金钢板材的压力容器，还需要钢材厂家对板材进行抗氢诱导开裂(HIC)试验,试验结果符合相关标准要求。

(3)依据TSG21-2016标准要求，用于制造压力容器主要受压元件的碳钢和低合金钢板材，厚度≥12mm时，应逐张进行100%超声波检测，符合NB/T47013.3-2015 Ⅱ级合格。

2.2主体厚度及结构的确定

(1)设计人员依据客户提供的工艺条件图要求，确定好实际工作介质以及各介质成分的占比、工作压力、工作温度等参数，然后进行压力容器主体厚度的计算，对于H₂S应力腐蚀工况，设备的腐蚀裕量要适当放大，一般不小于3mm。设备的管口布置以及支座形式按照工艺条件图要求进行布置，待图纸设计完成后，需发给客户再次确认，确认无误后方可继续图纸细化，最终图纸完成后下发生产车间进行制造。

2.3制造过程中的相关要求

(1)对于冷成形的零部件，在变形率大于标准要求的比例时，需要进行冷成形后消除应力热处理，对于材料供货状态为正火状态的钢板，还需要进行一次正火处理，以恢复材料出厂时的供货状态。

(2)焊接前，焊接工艺员需确认压力容器所有焊缝是否有焊接工艺评定支撑，如焊缝已具备焊接工艺评定支撑，则可进行焊接工艺的编制和压力容器的焊接。对于缺少焊接工艺评定支撑的焊缝，首先应对其进行焊接工艺评定，焊接工艺评定的制作过程严格按照NB/T47014-2011《承压设备用焊接工艺评定》要求进行。对于主要受压元件选用Q245R(HIC)或Q345R(HIC)材质的压力容器，焊接工艺评定焊材也需要选用相应的HIC焊材，且需要对焊缝进行抗氢诱导开裂(HIC)试验。在焊接工艺评定试样各项检测指标合格后，进行焊接工艺评定报告的编制，监检部门确认后生效。上述工作完成后，方可进行焊接工艺的编制和设备的焊接工作。

(3)焊工在施焊过程中一定要严格按照工艺要求，选对焊材，做好焊前清理工作，施焊过程中要认真负责、发现夹杂、气孔等缺陷立即处理，避免焊缝返修；焊接工作完成后需要对主要受压元件的纵、环缝进行100%射线检测，符合NB/T47013.2-2015 Ⅱ级合格；射线检测合格后再进行100%磁粉检测，符合NB/T47013.4-2015 Ⅰ级合格；公称直径DN≥250mm的接管与接管对接接头、接管与高颈法兰对接接头也要按照上述要求进行无损检测。

(4)焊缝外观检查时需要注意是否存在表面气孔、表面夹渣、咬边等缺陷，且纵、环缝的焊缝余高尽可能低，若发生不符合标准的表面缺陷，需要对其进行处理，以满足焊缝表面质量要求，从而保证设备质量。

2.4焊后消应力热处理

对于H₂S应力腐蚀条件下的钢制压力容器，焊后需进行整体消应力热处理。焊后整体消应力热处理是消除残余应力的有效手段，对于存在应力腐蚀工况的压力容器，焊后整体消应力热处理不但能消除大部分焊接、冷却和组装中引起的残余应力，而且还是降低硬度的重要措施之一。压力容器焊后热处理后，能够有效

避免焊缝及其热影响区的开裂，并使得焊缝接头的力学性能得到有效的改善。

3、结束语

对于H₂S应力腐蚀条件下钢制压力容器的设计和制造，设计人员在设计过程中要充分的认识和了解其实际腐蚀工况，从材料源头做好设计选型，并提出设备制作过程中的相关要求；制造人员应当严格按照图纸及工艺要求进行装配、焊接，确保每一道制作工序的质量，从而制造出符合图纸及工艺要求的产品，使容器具备抗H₂S应力腐蚀的性能，提高容器使用寿命，满足客户需求，为客户带来更好的经济效益。

参考文献：

[1]林萍.湿硫化氢腐蚀环境下的压力容器腐蚀形式与选材.中国油气田腐蚀和防护技术科技创新大会.2013.167-170.

[2] 全国锅炉和压力容器标准化委员会.GB/T150.1～150.4-2011 压力容器.

[3] TSG21-2016 固定式压力容器安全技术监察规程