高温高压炼油化工装置中临氢环境用钢.doc

附 录 3  API 941(RP)(2004)  高温高压炼油化工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 430℉（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 13,000psia (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 13,000psia (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℉[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。 本标准适用于炼油、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、甲醇、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，可以使用含铬和钼的合金钢。 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 和铬钼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 318 3.1 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 最初来自 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（C-0.5Mo 和 Mn-0.5Mo） 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-1.0Mo 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H2S。 b．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±20℉（±11℃）。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