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你聽(tīng)說(shuō)過(guò)氫脆、氫致開(kāi)裂以及氫腐蝕嗎？

氫在什么狀態(tài)和什么環(huán)境下會(huì)對(duì)金屬有所損傷？什么是氫損傷？危害幾何？如何識(shí)別與防范？

悄悄進(jìn)行的破壞：氫損傷

幾年前，某化工廠的重油裂解裝置在裂解過(guò)程中，循環(huán)油管泄漏引起了爆炸事故。事故發(fā)生時(shí)，反應(yīng)操作溫度為397℃，操作壓力為16.6MPa (G)。

經(jīng)過(guò)分析研究，此次事故主要是由于管道內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到氫腐蝕導(dǎo)致管道破壞，高溫高壓下管道內(nèi)的物質(zhì)漏出并遇電火花進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)。由于氫腐蝕而產(chǎn)生的甲烷氣體還會(huì)引起管道的內(nèi)外表面出現(xiàn)鼓包和鋼材脫碳現(xiàn)象。該工廠運(yùn)行7年，大約供氫52天（累計(jì)每次開(kāi)機(jī)時(shí)），而工作高溫環(huán)境引起了氫蝕。

氫損傷危害

早在1875年Johnson首次報(bào)道了鋼和氫作用導(dǎo)致材料脆化現(xiàn)象，這也是最早的關(guān)于氫脆的報(bào)道。

氫會(huì)導(dǎo)致很多金屬構(gòu)件的損傷，使微觀結(jié)構(gòu)及組織變化，并引起其性能的下降，導(dǎo)致鋼材的開(kāi)裂、鼓泡或斷裂，并降低疲勞壽命，降低蠕變抗力，產(chǎn)生氫化物相，最常見(jiàn)的是導(dǎo)致構(gòu)件脆性斷裂，這種脆性斷裂通常是突然發(fā)生的，習(xí)慣上稱為氫脆。

其實(shí)，氫損傷的模式還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止于以往所發(fā)生的氫脆?；ぜ笆a(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到高溫高壓氫介質(zhì)引起的氫腐蝕，這是金屬內(nèi)部的氫和合金元素或雜質(zhì)在微觀結(jié)構(gòu)上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成不可溶解于金屬的現(xiàn)象。

氫損傷失效的的模式和特征有哪些？

各種機(jī)理的氫損傷所造成的失效、破壞，特別是承壓設(shè)備氫損傷失效模式主要分為：

• 內(nèi)氣體氫致開(kāi)裂，因材料氫脆而發(fā)生的斷裂

• 氫鼓包，由于溶解在金屬內(nèi)部的內(nèi)氫導(dǎo)致金屬結(jié)構(gòu)出現(xiàn)各種形式的裂紋

• 氫脆

• 氫腐蝕脫碳

高強(qiáng)度焊接結(jié)構(gòu)鋼焊接時(shí)極易發(fā)生延遲裂紋，也與氫致開(kāi)裂有關(guān)。有色金屬鈦、鋯對(duì)氫損傷更為敏感。此外，當(dāng)今氫能源汽車(chē)的充氫站需在70Mpa以上高壓下工作，涉及到的儲(chǔ)氫容器在常溫下也會(huì)有氫脆的問(wèn)題。

如何預(yù)防氫損傷？

在現(xiàn)代工業(yè)和各種工程技術(shù)中，無(wú)法避免接觸介質(zhì)及環(huán)境中的分子氫、原子氫及離子氫，也無(wú)法在使用過(guò)程中阻止這些形態(tài)的氫進(jìn)入設(shè)備的金屬之中。重要的是如何防止氫損傷的發(fā)生，以杜絕氫損傷引起的失效和事故。

首先，針對(duì)氫損傷的特殊性在設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)該選好材料，以抗氫致開(kāi)裂和抗氫腐蝕的鋼材為主。抗氫致開(kāi)裂鋼主要靠冶煉時(shí)提高純度和采用高真空脫氣消除鋼水中的氣孔，這樣鋼在結(jié)晶凝固之后就不會(huì)有明顯的夾雜物，可大大消除氫在鋼中的儲(chǔ)存空間。另一方面，抗腐蝕的鋼材主要是加入能夠強(qiáng)烈形成碳化物的合金元素，它們可在鋼水凝固后的較高溫度下迅速與C形成穩(wěn)定碳化物且不易分解，即使氫進(jìn)入也不會(huì)破壞這些合金元素的碳化結(jié)構(gòu)，從而避免氫腐蝕。

其次，采用有效的消氫熱處理。消氫是要?jiǎng)?chuàng)造一種必需的溫度條件和低氫或無(wú)氫的周邊環(huán)境，以利于氫的擴(kuò)散或外逸。200℃時(shí)氫分子即可分解為氫原子，有逸出金屬的可能性。工程上常常將工件加熱到300℃左右，更有利于擴(kuò)散和逸出。同時(shí)，消氫熱處理還要考慮鋼材的厚度、尺寸。大厚度的設(shè)備應(yīng)加長(zhǎng)消氫時(shí)間，保證氫原子擴(kuò)散。

此外，對(duì)于工程設(shè)備氫損傷的監(jiān)控也十分必要。氫致開(kāi)裂最有效的檢測(cè)方法是超聲波檢測(cè)，這比射線檢測(cè)更有效可信，可避免射線法的漏檢。當(dāng)超聲波測(cè)厚結(jié)果顯示的壁厚比原始壁厚明顯增大時(shí)，應(yīng)懷疑發(fā)生了高溫氫造成的氫腐蝕。金相檢驗(yàn)也是臨氫設(shè)備非常重要的檢驗(yàn)手段，應(yīng)以現(xiàn)場(chǎng)覆膜法為首選。金相可直接觀察到氫致開(kāi)裂的裂紋，夾渣、氣孔缺陷和開(kāi)裂的狀態(tài)，也可觀察脫碳時(shí)產(chǎn)生微裂紋的情況。

如今，國(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)氫損傷的認(rèn)識(shí)及預(yù)防做得比較欠缺，設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、檢測(cè)、使用、設(shè)備維護(hù)，各干各的。實(shí)際上，失效分析應(yīng)該參與到產(chǎn)品的各個(gè)環(huán)節(jié)中，這樣才能從根本上避免失效。另外，企業(yè)應(yīng)建立適用于自身專(zhuān)門(mén)的失效分析數(shù)據(jù)庫(kù)和資料庫(kù)，以此作為依據(jù)，指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用管理等，這樣可大大降低產(chǎn)品的失效風(fēng)險(xiǎn)，避免同類(lèi)問(wèn)題重復(fù)發(fā)生。