加氢设备主要损伤形式选材.docVIP

加氢设备的主要损伤形式与选材 一、概述 加氢裂化装置由于操作条件的特殊性，常引起一些特殊的损伤现象。本节仅就这些特殊的损伤现象给予论述，并且在高温区域以反应器为代表，在低温高压部位以高压空冷器作为对象。 在加氢过程中，如反应器等设备处于高温高压氢气中，氢损伤就是一个很大的问题。高温高压硫化氢与氢共存时的腐蚀也很严重。正因为如此，为抗高温硫化氢的腐蚀通常也在反应器等设备内表面堆焊不锈钢（以奥氏体不锈钢居多）覆盖层和选用不锈钢材料制作内件。这样又有可能出现不锈钢的氢脆、奥氏体不锈钢的硫化物应力腐蚀开裂及堆焊层氢致剥离现象等损伤。另外还有Cr-Mo钢的回火脆性破坏也曾是举世瞩目的问题。在高压空冷器上，由 于物流中存在氨和硫化氢等腐蚀介质可能引起传热管穿孔损伤等都是必须加以慎重考虑的。 掌握这些损伤的特征和影响因素，并正确地进行设备的选材及对其某些选用材料的冶学问题做充分考虑是保证设备安全使用至关重要的一环。据国内外的资料报道，由于强度造成高压设备的破坏例子是极少的，可是由于腐蚀和材料选用不当所引起的损伤例子是较多的。所以，特别是对于使用在高温高压氢介质中的热壁加氢反应器等设备来说，腐蚀和材料冶金学问题显得更为突出。因此要求用于制造这类设备的材料要具有令人满意的综合性能。具体来说至少应满足： （1）作为描述材料内质特性的致密性、纯洁性和均质性性能要优越，这对于厚（或大断面）钢材尤为重要； （2）要满足设计规范要求的化学成分、室温和高温力学性能的要求； （3）要具有能够在苛刻环境下长期使用的抗环境脆化性能。 二、常见的损伤形式与对策 （一）高温氢腐蚀 1、高温氢腐蚀的特征。 高温氢腐蚀是在高温高压条件下扩散侵入钢中的氢与不稳定的碳化物发生化学反应，生成甲烷气泡（它包含甲烷的成核过程和成长），即FeC＋2H2→CH4＋3Fe并在晶间空穴和非金属夹杂部位聚集，引起钢的强度、延性和韧性下降与劣化，同时发生晶间断裂。由于这种脆化现象是发生化学反应的结果，所以它具有不可逆的性质，也称永久脆化现象。 在高温高压氢气中操作的设备所发生的高温氢腐蚀有两种形式：一是表面脱碳；二是内部脱碳。表面脱碳不产生裂纹，在这点上，与钢材暴露在空气、氧气或二氧化碳等一些气体中所产生的脱碳相似。表面脱碳的影响一般很轻，其钢材的强度和硬度局部有所下降而延性提高。 内部脱碳是由于氢扩散侵入到钢中发生反应生成了甲烷，而甲烷又不能扩散出钢外，就聚集于晶界空穴和夹杂物附近，形成了很高的局部应力，使钢产生龟裂、裂纹或鼓包，其力学性能发生显著的劣化。 高温高压氢引起钢的损伤要经过一段时间。在此段时间内，材料的力学性能没有明显的变化；经过此段时间后，钢材强度、延性和韧性都遭到严重的损伤。在发生高温氢腐蚀之前的此段时间称为“孕育期”（或称潜伏期）。“孕育期”的概念对于工程上的应用是非常重要的，它可被用来确定设备所采用钢材的大致安全使用时间。“孕育期”的长短取决于许多因素，包括钢种、冷作程度、杂质元素含量、作用应力、氢压和温度等。 2、 影响高温氢腐蚀的主要因素。 1）温度、压力和暴露时间的影响 温度和压力对氢腐蚀的影响很大，温度越高或者压力越大发生高温腐蚀的起始时间就越早。例如Naumann 曾用含碳量为0.11% 的碳素钢在29.42MPa氢压下，以各种温度加热100h观察其力学性能的变化。直到350℃时，还未发现有变化，但一到400℃，力学性能就劣化了，氢的影响显著地表现出来。另外，在 2）合金元素和杂质元素的影响 从高温氢腐蚀的机理可知，金属碳化物的分解是很主要的原因。它对整个氢腐蚀现象的发生起着支配作用。已有试验证明，在钢中添加不能形成稳定碳化物的元素（如镍、铜等）对改善钢的抗氢腐蚀性能毫无作用；而在钢中凡是添加能形成很稳定碳化物的元素（如铬、钼、钒、钛、钨等），就可使碳的活性降低，从而提高钢材抗高温氢腐蚀的能力。在合金元素对抗氢腐蚀性能的影响中，试验还证明，元素的复合添加和各自添加的效果不同。例如铬、钼的复合添加比两个元素单独添加时可使抗氢腐蚀性能进一步提高。在加氢高压设备中广泛地使用着铬—钼钢系，其原因之一也在于此。 关于杂质元素的影响，在针对2 1/4Cr-1Mo钢的研究中已发现，锡、锑会增加甲烷气泡的密度，且锡还会使气泡直径增大，从而对钢材的抗氢腐蚀性能产生不利影响。因为甲烷“气泡”的形成，其关键还不在于“气泡”的生产，而是在于“气泡”的密度、大小和生成速率。 3）热处理的影响 钢的抗氢腐蚀性能，与钢的显微组织也有密切关系。合金钢经淬火、回火 可形成稳定的碳化物，抗氢腐蚀性能就得到改善。另外，对于在氢环境下使用的铬－钼钢设备，施行了焊后热处理同样具有可提高抗氢腐蚀能力的效果。曾有试验证明，2 1/4Cr-1Mo钢焊缝若不进行焊后热处理的话，则发生氢腐蚀的温度将比纳尔逊曲线