氢腐蚀开裂

内容•机理–氢脆–氢致鼓泡–内氢的沉积–氢侵蚀–氢化物形成的开裂•防腐措施•案例说明•问题氢脆•钢中的氢减少拉伸延展性，在静载荷的条件下引起过早破坏•几个ppm的氢就可引起氢脆•三个主要理论：–恢复始态理论–表面减少理论–平面压力理论氢脆•机理H2(气体)σσ裂缝尖端氢脆•机理H2(气体)σσ物理吸附游离的化学吸附氢脆•机理H2(气体)σσ氢扩散氢脆•恢复始态理论H2(气体)σσσxσmax氢脆•表面减少理论–氢的吸附减少了金属的表面自由能–裂缝尖端扩展–可以解释低压氢环境下高强度钢的裂纹扩展氢脆•平面压力理论–在金属成型期间渗氢发生–在微孔中可能形成高压氢–与氢鼓泡同样机理氢脆•开裂方向氢诱导开裂途径与应力水平密切相关。（a）高应力水平将会产生微孔聚集开裂；（b）中等应力水平将会通过类裂机理产生晶内开裂；（c）低应力水平产生晶间开裂氢脆•一般规律–脆裂随金属应变力的减少而增加–在室温下脆裂发生更普遍–脆裂随温度的增加而减少氢脆•设计上的防护措施–高强度的金属和合金对脆裂更敏感–普遍问题是过度偏向强度的需要，或者说强度过剩–在环境容许的条件下:尽可能减少材料的强度!氢脆•加工中的防护措施–脆裂可能与水平低下的生产技术有关–当生产环境中引入氢时，可能会引入氢脆问题–措施•维持低浓度的氢气氛•热处理氢脆•在焊接时的防护措施–脆裂可能发生在焊缝周围–含氢的焊棒可能引入氢脆–措施•将低氢焊棒储存在干燥处•焊接后进行局部热处理氢脆•防护措施–设计:降低材料强度–生产:在生产区域和热处理时减少氢源–焊接:妥善储存和处理焊接棒–补救措施:在减压条件下，100-650°C烘烤可以减少金属的氢包含物氢脆•案例研究–纯钢–高压锅炉–蒸发器管–10年后材料无法使用–环境：含有硫酸化合物的燃料气沉积物–措施：使用低合金(耐氢)钢氢脆•案例研究–钢扣件–多种开裂原因–亚表面开裂氢鼓泡•氢被吸附到金属上，向内扩散，并作为分子氢沉积•以叠片结构、包合物、基质界面的形式沉积•当开裂不是发生在表面，而仅仅是内部时，金属的外层将会凸起•在压力满足的条件下就会产生内部开裂氢鼓泡•机理H2(气体)物理吸附氢鼓泡•机理H2(气体)扩散的化学吸附氢鼓泡•机理H2(gas)氢扩散氢鼓泡•机理H2(gas)泡形成氢鼓泡•一般规律–氢致鼓泡可以看作是特殊的氢脆–暴露在氢气氛中的低强度合金钢或金属一般容易出现氢鼓泡氢鼓泡•防护措施–表面现象–源：从环境中吸附氢–降低表面氢•缓蚀剂•避免阴极保护和腐蚀挂片氢鼓泡•案例研究–纯钢壁–二氧化碳洗涤塔–失效时间：多年–环境：水和CO2–使用无腐蚀性的洗涤液体–接受腐蚀：监控腐蚀过程内氢的沉积加工引入5-8ppm在0.1ppm室温平衡双原子沉积在现有的包合物产生压力引起裂缝扩大Cracks=Embrittlement内氢的沉积•晶内开裂内氢的沉积•氢引入的方式–空气湿度–杂质–焊接•空气•表面污染•焊接棒内氢的沉积•开裂–延展性变差–开裂引发•包合物•气孔–表面开裂•鱼眼石•片状剥落–重型钢锻件最为典型–有残存的内氢引起–在部件的中心发纹开裂–在200℃以下内氢的沉积•防护措施–内部现象–来源：在加工过程中吸附氢–改善加工技术：在真空状态下热处理内氢的沉积•在加工中的防护措施–氢在铁中的溶解度•在-铁中低(lowT)•在-铁中高(highT)–扩散随温度增加–结果：金属淬火加剧氢腐蚀•低扩散率使氢氢留在金属中•氢在内部沉积内氢的沉积•在加工时，金属是热的…•冷却金属…..•氢在高温下扩散氢被定位在金属内!内氢的沉积•在加工时，金属是热的…•当溶解度减少时，氢会扩散出来…•在真空状态下较长时间退火…内氢的沉积•案例研究–VitonB(橡胶)–环境：油井维修流体–失效时间：数月–失效原因：在材料的空穴区有压力形成–气泡内部类似于钢中的氢剥落氢侵蚀•机理–环境•高温高压氢环境–石油化工厂在21MPa、540°C条件下的烃加工•应力水平、暴露时间、钢的组成–机理•氢与碳化物反应形成甲烷•在晶界形成甲烷气泡•气泡合并产生裂纹氢侵蚀氢侵蚀氢侵蚀氢侵蚀氢侵蚀•特性–特点•突然失效–精细结构•沿晶界脱碳•沿晶界开裂•内含甲烷气泡氢侵蚀•迅速冷却可能引起：–氢脆–氢鼓泡氢侵蚀•防护措施–高温现象•石油加工高达起540℃–与碳反应•形成甲烷和脱碳结构在高温操作时，减少碳含量!氢侵蚀•案例研究–在高压碳钢锅炉管的焊接处形成的氢腐蚀氢侵蚀•案例研究–在高压碳钢锅炉管的焊接处由于氢腐蚀形成的开裂氢侵蚀•案例研究–热交换器的碳钢冷却管–失效时间：几年–环境：高内压、大约240℃的、氢、氮、氨的气体混合物–补救措施：使用0.5Mo钢或Cr/Mo钢氢化物形成的开裂•影响：Ti、Ta、Zr、U、Th•在加工中获得氢–熔融–焊接•在冷却时形成氢化物氢化物形成的开裂•特点–比金属基质的密度低•增加强度•降低延展性和韧性–小的板状结构•在晶格中的优先取向–施加应力可引起氢化物排列氢化物形成的开裂•钛中的氢化物–在100℃钝化•缓慢扩散•0.4mmTiH2层•散裂–在250℃以上迅速形成•低的氢溶解度•无散裂•自始至终形成氢化物的微粒•对失效高灵敏•一般发生在从高温冷却到室温的过程中氢化物形成的开裂•钝化Ti氢化物形成的开裂•钝化Ti氢化物形成的开裂•钝化Ti氢化物形成的开裂•钝化Ti氢化物形成的开裂•防护措施–内在现象–氢和金属高温反应的结果–补救措施•降低操作温度•热处理•设计指标–降低材料强度–减少高温操作时的碳含量–避免高温操作时使用钛•减少氢含量–热处理(加工和焊接)–使用缓蚀剂–保持储存时的干燥环境氢化物形成的开裂氢化物形成的开裂•案例研究–钛钢管–用在碳酸铵冷凝器中.–失效时间：5年–温度：130℃–补救措施：降低操作温度，使用不锈钢