HIC氫致開(kāi)裂試驗(yàn)方法的選擇和應(yīng)用
隨著高硫高酸原油加工量的增加,硫化氫對(duì)設(shè)備的腐蝕也愈加嚴(yán)重,已成為石化行業(yè)較為突出的問(wèn)題,特別是濕H2S應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂和氫致開(kāi)裂,所引起的事故往往是突發(fā)的、災(zāi)難性的。因此,開(kāi)展H2S腐蝕的相關(guān)研究對(duì)于確保石化設(shè)備的安全運(yùn)轉(zhuǎn)以及提高石化行業(yè)的生產(chǎn)效率具有重大的理論和實(shí)際意義。
一 基本性能研究:輸氣管線環(huán)焊接頭抗HIC性能研究
氫致裂紋(Hydrogen Induced Cracking,縮寫為HIC),作為一種缺陷存在于管線鋼及焊縫中,其對(duì)輸氣管線使用性能的影響至今尚無(wú)全面的認(rèn)識(shí)。但大量的研究表明,HIC對(duì)鋼材的常規(guī)強(qiáng)度指標(biāo)影響不大,但對(duì)韌性指標(biāo)影響較大,會(huì)使鋼材的脆性傾向增大。在四川境內(nèi)含硫化氫酸性輸氣管線中,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)因HIC引起破裂的多起事故,給國(guó)家?guī)?lái)了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。目前,我國(guó)對(duì)管線鋼正在做比較系統(tǒng)的抗HIC性能傾向研究,環(huán)焊縫在整條管線中占相當(dāng)大的比重,但我國(guó)對(duì)其焊接頭抗HIC性能的研究還基本上處于空白。近幾年正值我國(guó)天然氣管道建設(shè)的高潮,為保證輸氣管線環(huán)焊縫質(zhì)量的可靠性,開(kāi)展對(duì)輸氣管線環(huán)焊接頭抗HIC性能研究是非常必要的,研究的成果直接用于工程實(shí)際,為輸油輸氣管線的施工建設(shè)可提供技術(shù)保障。
二 實(shí)驗(yàn)方法的選擇與應(yīng)用
2.1 裂紋的形成
氫致開(kāi)裂(HIC)與SSCC的驅(qū)動(dòng)力不同,HIC不需要像SSCC那樣的外力,其生成裂紋的驅(qū)動(dòng)力是靠進(jìn)入鋼中的氫產(chǎn)生的氣壓,當(dāng)氫氣壓超過(guò)材料屈服強(qiáng)度時(shí)便產(chǎn)生變形開(kāi)裂,裂紋間相互擴(kuò)展連接形成階梯型開(kāi)裂(SWC)。一般情況,H2S腐蝕環(huán)境用的管線鋼和壓力容器鋼等產(chǎn)品均需做HIC性能檢測(cè)。
2.2 確定對(duì)SSC的敏感性
表H-11中列出的是預(yù)測(cè)碳鋼設(shè)備和管線對(duì)HIC/SOHIC敏感性所需的數(shù)據(jù)。如果無(wú)法得知準(zhǔn)確的工藝參數(shù),則需請(qǐng)知識(shí)淵博的工藝工程師來(lái)獲得最佳的估計(jì)。如果鋼板中的硫含量不知道,則需請(qǐng)知識(shí)淵博的材料工程師來(lái)估計(jì)鋼的質(zhì)量。
表H-11 分析HIC/SOHIC-H2S所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)
基礎(chǔ)數(shù)據(jù) |
說(shuō) 明 |
是否有水存在(是或否) |
確定設(shè)備和管線中是否存在游離水。不僅在工作條件下,還應(yīng)包括在開(kāi)工、停工、操作波動(dòng)等等情況下。 |
水中是否存在H2S |
確定水相中的H2S含量。如果不能容易地得到分析結(jié)果,可以用Petrie&Moore方法(參考資料2)來(lái)估算。 |
水的pH值 |
確定水的pH值。如果不能容易地得到分析結(jié)果,則由一個(gè)經(jīng)驗(yàn)豐富的工藝工程師來(lái)估計(jì)。 |
是否有氰化物存在(是或否) |
通過(guò)樣品和(或)區(qū)域分析確定是否存在氰化物。不僅要考慮正常操作條件,還要考慮開(kāi)工、停工及波動(dòng)的情況等。 |
鋼板中的硫含量 |
確定制造設(shè)備的剛板的硫含量。這可從設(shè)備的MTR文件中得到。如果沒(méi)有,可從ASME或ASME的U—1鋼材列表中查出。 |
鋼制品的種類(板或管) |
確定設(shè)備管線是板材或是管材。大多數(shù)設(shè)備均是用鋼板卷制焊接而成的(如A285、A515、A516等等)。但是某些小直徑設(shè)備是由管件制造的。大多數(shù)的小直徑管是由鋼管和管件制造的(如A105、A234等等),但大多數(shù)的大直徑管(大于16 in的管)是由鋼板卷制焊接而成的。 |
是否進(jìn)行過(guò)PWHT(是或否) |
確定是否設(shè)備/管線的所有焊件均進(jìn)行了焊后熱處理。 |
如果沒(méi)有水存在,則認(rèn)為設(shè)備和管線對(duì)SCC/SOHIC沒(méi)有敏感性。如果有水存在,則用從表H-12中得出的有關(guān)水中的H2S含量和它的pH值的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)再?gòu)谋鞨-13中估計(jì)環(huán)境苛刻度(潛在的氫溶解量)。
如果有氰化物存在,在pH>8.3和H2S濃度大于1000 ppm時(shí)SCC的敏感性將增大。
對(duì)于用鋼板焊接或卷制而成的設(shè)備和大直徑管線,用從表H-12中確定的環(huán)境苛刻度和表H-11中列出的關(guān)于鋼板中硫化物含量和焊后熱處理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),從表H-13中確定HIC/SOHIC的敏感性。小直徑的設(shè)備和管線通常被認(rèn)為HIC/SOHIC敏感性較低,除非在它沒(méi)有進(jìn)行過(guò)焊后熱處理并暴露在高苛刻度環(huán)境的情況外。此情況下應(yīng)認(rèn)為它具有中等敏感性。圖5是確定對(duì)HIC/SOHIC敏感性的步驟流程圖。
表H-12 環(huán)境苛刻程度
水的pH值 |
H2S濃度 |
||||
<50ppm |
50-1000ppm |
1000-10000ppm |
>10000ppm |
<50ppm |
|
<5.5 5.5-7.5 7.6-8.3 8.4-8.9 >9.0 |
低 低 低 低 低 |
中 低 中 中 中 |
高 低 中 中a 高a |
高 中 中 高a 高a |
低 低 低 低 低 |
如果有氰化物存在且當(dāng)pH值>8.3和H2S濃度高于1000ppm時(shí)將對(duì)SCC的敏感性增加一個(gè)等級(jí)。
表H-13 HIC/SOHIC的敏感性
環(huán)境劣度 |
高硫鋼a S>0.01% |
低硫鋼b S=0.002-0.01% |
超低硫鋼c S <0.002 |
|||
|
焊接 |
焊后熱處理 |
焊接 |
焊后熱處理 |
焊接 |
焊后熱處理 |
高 中 低 |
高 高 中 |
高 中 低 |
高 中 低 |
中 低 低 |
中 低 無(wú) |
低 低 無(wú) |
a.典型地包括20世紀(jì)80年代的早期添加了鈣的A516(HIC)鋼。
b.典型地包括A70、A201、A212、A285、A515和1990年以前的大多數(shù)A516。
C.典型地包括20世紀(jì)90年代的后期A516(HIC)鋼。
圖6 確定HIC/SOHIC的敏感性
2.3 實(shí)驗(yàn)樣品和溶液
樣品長(zhǎng)100mm,寬20mm,厚度為管壁厚度。管線鋼每個(gè)實(shí)驗(yàn)管管體和焊接接頭上各取三個(gè)樣品。壓力容器鋼母材試樣按照NACETM0284-96標(biāo)準(zhǔn)截取,其焊接樣參照管線鋼焊接試樣方法截取。實(shí)驗(yàn)采用NACETM0284-96或GB8650-88標(biāo)準(zhǔn)。兩標(biāo)準(zhǔn)都可以采用飽和H2S人工海水實(shí)驗(yàn)溶液,要求通入H2S前實(shí)驗(yàn)溶液pH值調(diào)至8.1-8.3,實(shí)驗(yàn)結(jié)束pH 值為4.8-5.4時(shí)實(shí)驗(yàn)有效。NACE標(biāo)準(zhǔn)還可采用標(biāo)準(zhǔn)A溶液,要求初始pH值為2.7±0.1,實(shí)驗(yàn)結(jié)束pH值<4.0。
圖7 HIC實(shí)驗(yàn)標(biāo)件形貌
2.4 計(jì)算方法及評(píng)定
HIC性能采用分割法,通過(guò)金相顯微鏡測(cè)量每個(gè)斷面裂紋的長(zhǎng)度和厚度,然后用裂紋敏感率(CSR)、裂紋長(zhǎng)度率(CLR)、裂紋厚度率(CTR)三個(gè)參數(shù)來(lái)表示。
國(guó)內(nèi)西氣東輸工程用X70管線鋼評(píng)定采用ISO383-3:1999(E)標(biāo)準(zhǔn),CSR≤2%、CLR≤15%、CTR≤5%;歐洲腐蝕協(xié)會(huì)EFC-16標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,CSR≤1.5%、CLR≤15%、CTR≤3%; 煉油廠家提出了更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn):CSR≤0.5%、CLR≤5.0%、CTR≤1.5%。