高温高压炼油化工装置中临氢环境用钢.docx

高温高压炼油化工装置中临氢环境用钢API 941(RP)(2021)高温高压炼油化匚装置中临氢环境用钢翻译稿，仅供参考介绍本标准论述了钢的抗高温氢侵蚀的能力在常温下，气态氢分子很难向钢材中渗透， 即使是在高压下也是这样2000psi (14MPa )压力以下的氢气输送管道标准材质是碳钢 很多 经过焊后热处理的碳钢压力容器在压力10,000psi (69MPa)、温度43O0H (221℃) 的连续工况条件下使用状况良好然而，在相同的温度下，高应力碳钢和高硬度钢会由 于氢脆而开裂常温下，按照ASME “锅炉和压力容器规范”制造的碳钢设备允许的氢分压是13, OOOpsia (90MPa)在这个压力以下，碳钢设备有令人满意的性能高于这个压力的氢 分压，可以查到的操作和经验数据很少如果装置操作的氢分压超过13, OOOpsia (90MPa),就应当考虑使用奥氏体不锈钢衬里，并且壳体要采取通风措施高温下，氢分 子分解成氢原子，氢原子可以很容易的渗透进钢材中，并在钢中扩散在这些情况下， 氢在钢中的扩散很快如第4章所讨论的高温氢损伤形式那样，氢会与钢中的碳发生反 应，引起表面脱碳、内部脱碳和微裂纹，并最终引起开裂。

这种形式的氢损伤称为高温 氢损伤1范围本标准总结了试验结果和来自于运行装置的实际数据，这些实际数据是高温高压氢环 境下碳钢和低合金钢操作所建立的实际操作极限讨论了高温高压下材料抗氢损伤性能 的影响，如高应力、热处理、化学组分和覆层等本标准没有对低温下(温度低于400近204℃])材料的抗氢损伤性能进行说明，在 这种温度条件下氢原子进入钢材是电化学腐蚀的结果本标准适用于林油、石化和化工设备，这些设备中的物料是氢气或含有氢气，温度和 压力较高本标准中的准则也适用于加氢设备，如生产氨、甲醉、食用油和高浓度酒精 等加氢工艺通常所需要的标准和材料在石油行业的其他地方找不到根据在高温高氢 条件下，碳钢的化学成分和金相组织会发生变化，严重的会使得该设备不再适合安全运 行在这种情 况下，可以使用含铭和铝的合金钢本标准中所讨论的钢材在给定的运行指导范围内使用可以抗高温氢损伤但是，在高 温氢损伤环境中，这些钢材内可能无法抗工艺流体中其他腐蚀性物质的腐蚀或其他金相 损伤本标准也不涉及高温高氢分压环境中的的材料迅速冷却可能受到的损伤（如加氢 反应器可能需要先进行排气）本标准仅详细讨论抗高温氢损伤的材料本标准所给出的曲线表示了高温氢环境中碳 钢和铭钳钢可以放心使用的温度和氢分压操作范围。

除此之外，还包括了检测方法的总 结2参考文献（略）3操作界限3183. 1操作界限设定依据图1给出了钢抗氢损伤的温度和氢气压力的关系如下所说，高温氢损伤可以造成表 面脱碳，内部脱碳和裂纹图1给出了操作条件（工艺温度和氢分压），在这些条件以 上，可能发生氢损伤图1是以1940以来收集的经验为基础支持数据从各类工业应用和实验室数据中获 得温度和氢分压数据不准确，但精度对工业应用是足够的令人满意的性能曲线是通过抽样或设备暴露在腐蚀环境中一年来划出来的令人不满 意的性能曲线是通过实验室或装置数据来划的，不考虑暴露时间的长短图1中钢的化 学成分符合ASTM或ASME规定的范围由于图1最初来白1949年API,进一步的试验使大部分普通用钢都可以比较准确 的找到位置最大的例外是C-0. 5Mo钢本文附录A中收集了与0. 5Mo钢（L0. 5Mo 和Mn-O. 5Mo）相关的所有信息本标准第五版中也给出了三个数据点，显示在1. 25Cr-0. 5Mo曲线以下也发生了高温 氢损伤附录B进一步讨论了 1. 25Cr-0. 5Mo钢附录C对2. 25Cr-l. OMo进行了相 似的讨论3.2新设备材质选择图1常常用于为临氢环境设备选择材质。

使用图1辅助材质选择，需要注意的是图 1仅考虑了材料抗高温氢损伤不考虑高温条件下其他因素，如：a.系统中可能存在其他腐蚀，如H2Sb.蠕变，回火脆化，或其他高温损伤机理 c.可能的相互影响，如高温氢损伤与蠕变图中的温度数据一个范围，即操作温度范围20OH(irc)o因为图1主要是以 试验数据为基础，工业应用应有一定的安全余量，在曲线以下来选择材料图1中标记 参考编号的数据点对应于下面所列的来源图中的字母与这页中注释对应参考文献 (略)注释A.用A106材质制造的管道一部分在使用5745小时后壁厚损失27%管道的其他 部分未受影响B.损伤集中在热弯弯头的过热区弯头未被加热的直管段不受影响C.在29个 钢样中，12个受到损伤，17个没受到损伤D.在暴露2年以后，6个碳钢管中有5个受到损伤，1个没有受到损伤E.损伤集中在用A106材质制造的管道的焊缝和热影响区，而两侧的材质都没受到 影响F.使用11年以后，用A106材质制造的管道的热弯部分发现损伤未被加热的直 管段不受影响G.使用2年后，碳钢管所有部件，包括焊健和热影响区，都能满足使用要求319H.使用4年以后，用A106材质制造的管道的焊缝及热影响区发现裂纹。

I.使用 31 年后，0. 3C-1. 3Cr-0. 25Mo 锻造钢发现 0. 007in(0.2 mm)深的裂纹J. 1. 25Cr- 0. 25Mo材质的管道K.使用4年后,0. 3C-1. 3Cr-0. 25Mo锻造钢未受到影响L.使用7年后，0. 3C-1. 52Cr-0. 50Mo锻造钢发现0.050 in. (1.3 mm)深的裂纹 M.使用30年后，0. 3000. 74cL0. 43Ni锻造钢未受到影响N.在氨环境中使用15年后，0. 15C-2.25Cl1.00Mo钢管道未受到高温氢损伤，但 氮化 物厚度达到0. 012 in. (0. 3 mm) 00.使用8年后，碳钢开裂P.使用18年后，碳钢未发现高温氢损伤Q.使用450天后，L25Cr-0. 5Mo阀体未由于高温氢损伤而损坏3203214高温氢损伤的形式4. 1概要如上所述，高温氢损伤有两种方式损伤材质a.表面脱碳b.内部脱碳和微裂纹高温低氢分压条件容易造成部件的表面脱碳，而不会造成内部脱碳和开裂较低温度, 但温度高于4300H(221C),高氢分压条件下容易造成部件的内部脱碳和裂纹，并最终造 成开裂在高温高氢分压条件下，两种机理都是活性的。

这些机理下面进行详细介绍图1中虚线代表了钢材与氢接触时表面脱碳的趋势实线代表钢材内部脱碳的趋势, 形成裂纹，造成开裂，产生甲烷4.2表明脱碳表面脱碳不会产生微裂纹，这与空气、氧气或二氧化碳气等其他气体造成的脱碳类似 表面脱碳通常会造成局部强度和硬度轻微降低，而塑性增加因为这些影响通常很小， 对表面脱碳的关注比内部脱碳小很多有很多理论解释了表面脱碳现象，但目前接受的观点是碳向部件表面的移动，生成含 碳气体，表现为局部贫碳(含碳气体是CH4,含氧的情况，生成CO)水蒸汽会加快反 应溶液中的碳扩散到表面，速率控制机理看似是碳扩散因为溶液中的碳由碳化物持 续供应，碳化物的稳定性与表面脱碳的程度直接相关对于表面脱碳相对于内部损伤是主导损伤形态的情形下，其压力一温度组合的实际值 尚没有进行广泛的研究但由Naumann5定义的极限或许是最确切的趋势Naumann的工作是基F 100小时的实验来研究脱碳的趋势；然而，长期暴露显示操作极限更低4.3 内部脱碳和微裂纹图1中实线以上区域代表内部脱碳和裂纹/开裂造成的材料损伤已有相关的报道每 种材料曲线下面和左边区域，使用时间接近50年，材料性能依然良好在实线的上面和 右边区域的温度条件下，会发生内部脱碳和裂纹/开裂。

内部脱碳和开裂前期存在一个孕 育期，这取决于温度 和氢分压(5. 2部分作出进一步的讨论)内部脱碳和开裂是由氢渗透和氢与碳反应生成甲烷引起的5生成的甲烷不能在材料 中扩散，通常会在晶界聚集这就会造成局部高应力，形成裂纹，开裂或鼓包氢损伤 的裂纹会造成机械特性显著下降图2是C-0. 5Mo钢受到内部脱碳和开裂损伤后的微观结构该图所示钢材的工况条件 为790oF (421℃),氢分压为425psia (2. 9MPa),在催化重整反应器中使用近65, 000小 时在材质中添加碳化物稳定元素可以降低内部开裂的倾向性铭、钳、铛、钿、钛和锯 等元素通过与碳形成更稳定的耐氢损伤的合金碳化物，降低形核的数量，因而降低了生 成甲烷的倾向图1中的实线反映了，材质含钳和铭时，会增加抗内损伤的能力非金属夹杂物的存在往往会增加鼓泡损伤的程度当钢材中含有杂质偏析、条形夹杂 或分层缺陷时，氢气或甲烷会在这些区域聚集，从而引起严重的鼓包7除图1所示合金外还有其他一些合金也可以耐高温氢损伤包括一些添加了碳化物 稳定元素(铭、钳、钿、钛和银)等的优质碳钢和低合金钢Class8已经对欧洲材料及 其热处理工艺进322感谢您的阅读，祝您生活愉快。