專屬客服號
微信訂閱號
全面提升數(shù)據(jù)價值
賦能業(yè)務(wù)提質(zhì)增效
摘要:氫氣長輸管道的鋼管材料在工作時會產(chǎn)生氫致失效現(xiàn)象,該現(xiàn)象受材料的組成元素、顯微組織和帶狀組織等影響較大,本文討論了輸氫管道失效的原因及影響管道的主要因素,并分析了鋼材的選用方向。
氫氣會對長期處于高溫高壓狀態(tài)下的管道產(chǎn)生氫損傷,進而增加管道材料方面的失效風險。因此,氫氣長輸管道對鋼管的選材和處理工藝方面具有一定的要求。
輸氫管道失效通常由氫脆等四類問題引起
在氫氣長輸管道中,氫分子易與金屬反應(yīng)使管道失效。管道的氫致失效主要包括氫脆、氫致開裂、氫鼓泡、脫碳及氫腐蝕四類。
(1)氫脆現(xiàn)象易在低溫下形成,需在外力作用下表現(xiàn)出來。氫脆氫溶于鋼后,在鋼分子間聚集形成的氫分子,造成了局部的應(yīng)力集中,而當應(yīng)力超過鋼的強度極限時,則會在鋼材的內(nèi)部形成細小裂紋,使鋼材易斷裂。當溫度低于95℃時,氫脆現(xiàn)象易發(fā)生,當溫度在95~230℃之間時,氫脆現(xiàn)象隨著升溫而下降,最終到230℃以上時,氫脆現(xiàn)象消失,且鋼材的強度越高越易引起氫脆。
(2)氫致開裂在金屬材料內(nèi)部缺陷處形成,不需要外力即可表現(xiàn)出來。其是由于進入金屬材料內(nèi)部缺陷處的氫原子,聚集后產(chǎn)生內(nèi)壓,使金屬內(nèi)部形成裂紋且逐步擴散至局部,從而形成材料斷裂等現(xiàn)象,整個過程完全由內(nèi)壓提供動力,而不需要施加應(yīng)力即可發(fā)生。
(3)氫鼓泡在金屬內(nèi)部微孔中形成,易發(fā)生在0~150℃溫度下。該類現(xiàn)象是由于氫原子擴散到金屬內(nèi)部的微孔中后,聚集形成氫分子,在微孔內(nèi)部形成內(nèi)壓使金屬產(chǎn)生鼓包、甚至破裂的現(xiàn)象,其在0~150 ℃時較易發(fā)生。
(4)脫碳是鋼中碳元素和氫發(fā)生化學反應(yīng),易發(fā)生在高溫環(huán)境下。鋼中的碳易和滲透進入的氫原子,在高溫下反應(yīng)生產(chǎn)甲烷,使鋼脫碳后韌性下降、機械強度遭受破壞,該類機理多在高溫條件下發(fā)生。
合金元素及內(nèi)部顯微和帶狀組織是主要影響因素
目前業(yè)內(nèi)普遍認為高壓氫氣對管道造成的損傷,主要受氫氣的壓力、純度、環(huán)境溫度、管道強度、變形速率和微觀組織等因素影響,與鋼材本身相關(guān)的主要為其本身的合金元素含量以及內(nèi)部的顯微和帶狀組織。
(1)影響材料特性的合金元素主要有碳、錳、磷、硫和鈣。碳是鋼材的主要固溶強化元素,其作用是使鋼在熱軋狀態(tài)下可以生成馬氏體組織(高強度和硬度),其含量越高則鋼管的氫致裂紋(HIC)敏感性越大;錳和磷是鋼材的易偏析元素,在制造的過程中易在鋼板中心產(chǎn)生偏析,生成對氫致裂紋(HIC)較敏感的低溫轉(zhuǎn)變硬顯微組織帶;硫元素易使?jié)B入鋼材中的氫原子在硫化物的尖端處聚集,形成的氫內(nèi)壓誘發(fā)氫致裂紋;而鈣則具有較高的脫硫效果,可適當增加降低硫元素產(chǎn)生的氫致效果。
(2)氫原子易在顯微組織及夾雜物處聚集形成內(nèi)壓破壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)。由于非金屬夾雜物在鋼材的加工過程中會被拉長,而其熱膨脹系數(shù)大于周圍的基體金屬,冷卻后會在其周圍產(chǎn)生不規(guī)則空隙,是滲入鋼材中氫原子的理想聚集地,進而造成氫致現(xiàn)象。因此,控制非金屬夾雜物的形態(tài)、數(shù)量,以及降低偏析程度,即能減少氫原子聚集源,從而提高鋼材的抗裂紋能力。
(3)鋼材中帶狀組織處同樣較易偏析變形導致氫致作用,正火處理可提高抗氫致裂紋性能。在中、低強度的鋼材中,位于鐵素體相界面的珠光體條帶較易產(chǎn)生偏析。而隨著鋼材強度的提高、合金元素的進一步增多,鋼材中的低溫轉(zhuǎn)換組織硬帶(錳、磷等元素的偏析帶)也隨之增多,為氫致裂紋(HIC)的擴展提供了更多的場所。一般情況下,管道或板材均會存在帶狀組織,但是經(jīng)過正火處理,可顯著降低帶狀組織級別,明顯提高抗氫致裂紋(HIC)的性能。
低強度的無縫鋼管較為理想,但生產(chǎn)成本較高
影響選材的因素主要有鋼管的管型、鋼級和熱處理狀態(tài)三類。
(1)鋼管管型易采用無縫鋼管,減少氫脆的發(fā)生。若采用焊縫連接的鋼管,由于其焊縫部分強度比兩端要高,更易發(fā)生氫致失效現(xiàn)象。
(2)低強度鋼材的疲勞性能較高強度鋼材更優(yōu)越。一般的低強鋼,如API SPEC 5L PSL2 X52型號及以下的鋼材,在同樣的高壓下對氫脆較高級鋼材不敏感,更適合作為氫氣的輸送管道材料,在目前已有的實例中,較多采用 ASTM A106 B級、ASTM A53 B級及API SPEC 5L X42和X52(PSL2級)鋼管。
(3)焊接鋼管采用形變熱處理工藝、無縫鋼管采用淬火和回火組合工藝。形變熱處理主要用于焊接鋼管,該工藝處理后的產(chǎn)品可以獲得更高的強度、塑性和韌性,適用于微量元素強化的無縫鋼管和焊接鋼管;而淬火和回火的組合工藝僅適用于無縫鋼管的制造,目前該工藝的成本較高。
結(jié)論
氫氣會對長期處于高溫高壓狀態(tài)下的管道產(chǎn)生氫損傷,進而增加管道材料方面的失效風險;管道失效通常由氫脆、氫致失效、氫鼓包和脫碳四類問題引起;其中,合金元素及內(nèi)部顯微和帶狀組織是失效的主要影響因素;選用低強度的無縫鋼管是較為理想的氫氣管道材料,但目前該工藝的生產(chǎn)成本較高,可以以降低工藝成本為研發(fā)方向,作為輸氫管道大規(guī)模商用的技術(shù)儲備。
本文為我公司原創(chuàng),歡迎轉(zhuǎn)載,轉(zhuǎn)載請標明出處,違者必究!
請完善以下信息,我們的顧問會在1個工作日內(nèi)與您聯(lián)系,為您安排產(chǎn)品定制服務(wù)
評論