本文介绍了某石化公司炼油厂精制车的两台原料污水罐经检测均发现存在严重的氢鼓包并伴有裂纹产生，通过对其检测结果分析最终确定导致该类失效发生的原因是碳钢材质处于湿硫化氢腐蚀环境下发生的氢鼓包，当鼓包内聚集的氢气压力超过了材质的承受极限，会使鼓包发生破裂产生裂纹。此外该罐使用杂质、夹层过多的 A3F 钢、牺牲阳极块的安装位置不当、防腐涂层的破损脱落等因素也促成了失效的发生。
某石化公司炼油厂精制车间有两台原料污水罐，容积 3000m，其主要参数如下：材质：A3F；规格：φ18500×14406×5/6/7/8/9mm； 操作压力为常压，操作温度常温，内部介质为原料污水。
2012 年 10 月，我单位对该装置位号为 G-2 的污水罐进行了全面检验，1金相、硬度测定等，通过检验，发现该罐存在严重的腐蚀问题——一带板罐内壁存在 56 处鼓包并伴随有裂纹发生。2014 年 9 月，我单位受委托对位号为 G-1 的污水罐进行了检验，主要采取的检测手段为宏观和测厚，发现的部分缺陷部位进行了表面渗透探伤。通过本次检验，发现该罐的一带板内壁同样存在局部鼓包并伴随有裂纹缺陷的问题，且缺陷形貌与 G-2 非常相似。通过对该装置在检测过程中发现缺陷的两台原料污水罐进行比较，发现这两台储罐的规格、材质、工况和介质都相同，缺陷形貌也基本一致，因此可以初步判断导致这两台罐发生失效的机理相同。鉴于这一缺陷系重复发生于同一装置同种工况的同类设备中，对车间的安全生产带来了很大的安全隐患，因此在本文中，我们将对该类设备失效原因进行分析讨论，找出导致失效发生的主要影响因素，为车间防止类似腐蚀失效再次发生提供解决方案。
一、检验情况
1.宏观检验
对 G-1 进行宏观检验，发现该罐罐壁的一带板和三带板上安装的阳极块固定支架普遍发生断裂的问题。在罐壁一带板安装的阳极块下部发现有14 处存在局部鼓包的问题，且多数鼓包处上部伴随有肉眼可见的裂纹，见图1，裂纹既有横向裂纹也有纵向裂纹，且多数裂纹存在不规则十字交叉。
图1 G-1罐内壁某处氢鼓包伴有裂纹图示
2.渗透检测
对鼓包及其周围部位进行渗透检测，发现鼓包处基本都伴随有裂纹产生，裂纹的具体形貌见图 2 所示。对鼓包部位进行打磨削平，发现在一定的厚度范围内裂纹的长度越来越长，有时会有新的裂纹出现。从渗透检测的结果分析，可知鼓包处的材质已经发生了明显的裂化。
图2 罐内壁某处鼓包处渗透检测结果图示
3.壁厚检测
对鼓包部位进行壁厚检定，鼓包处所测壁厚范围在 4.3mm~6.5mm 之间，其附近未发生鼓包的所测壁厚均在 9.2mm 以上，鼓包部位仅有正常壁厚一般左右，且鼓包内外未见明显的局部腐蚀，分析鼓包部位由于发生分层导致所测壁厚减小。
4.金相组织分析
对原料污水罐 G-2 母材和裂纹处分别选取一点进行金相组织分析，图 3是母材处的金相组织，该部位的金相组织为铁素体 + 珠光体组织。图 4 是某条裂纹处的金相组织，其为铁素体+ 珠光体，并伴随有沿晶裂纹。
图3 G-2罐内壁母材处的金相组织图
图4 G-2罐内壁某处裂纹处的金相组织图
5.硬度测试
对 G-2 罐的母材和鼓包处进行了硬度检测，母材的硬度值范围在147 ～ 155HB 之间，而发生鼓包部位的硬度值范围在 120 ～ 125HB 之间。分析硬度检测的结果，发现鼓包处的硬度值低于母材部位的硬度值。
二、腐蚀发生原因
1. 工作介质原因
污水罐的内部介质为原料污水，其介质组成比较复杂，介质中主要含有原油、硫化物、无机盐、有机酸等多种腐蚀组分。其中硫化物又分无机硫化物和有机硫化物。无机硫化物主要是硫化氢，易溶于水呈酸性，具有很强的腐蚀性。无机硫化物主要有硫醚、二硫醚化碳等，也具有一定的腐蚀性。由于污水罐的操作温度为常温，处于湿硫化氢腐蚀的敏感温度范围，容易造成湿硫化氢腐蚀。碳钢和低合金钢在湿硫化氢环境中发生氢鼓包和氢致应力腐蚀的案例非常普遍。
2. 电化学因素
分析本文中 2 台原料污水罐氢鼓包发生的位置，发现所有氢鼓包均发生在罐壁一带板的阳极块正下方。综合分析该罐的介质、温度等工艺参数，可知该罐内部为湿硫化氢环境。其腐蚀机理为，H 2 S 在水中发生电离，电离公式为：
H 2 S → 2H + +S 2-
电离后，使得原料污水罐的介质呈酸性，会对罐壁产生腐蚀作用。为了防止罐壁发生腐蚀，对该罐实施了涂层防护和牺牲阳极阴极保护的防腐策略。阳极块选用 Zn 块，罐壁为阴极，构成了一个原电池。
在阳极发生阳极反应：
Zn-2e → Zn 2+
在安装阳极块的周围，发生阴极反应：
2H + +2e → 2H
随着电化学反应的持续进行，会在阳极附近产生大量的 H 原子，聚集在罐壁表面的氢原子，被罐壁吸附，会向钢板中渗透，遇到夹层、夹杂物等显微缺陷，就会聚集结合成氢分子。由于氢分子体积大，不能在金属内部扩散，于是就在缺陷处不断聚集，使缺陷内部的氢气压力不断增加，当压力超过金属的屈服强度时，就会使金属产生局部塑性变形，最终导致金属表面凸起而形成氢鼓包。随着电化学反应的持续进行，氢鼓包内氢气压力不断增加，会使鼓包不断扩大，最终使表面发生扯裂。
3. 材质的因素
碳钢和低合金钢因钢板轧制问题，容易在板厚的中部产生夹层、夹杂物偏析聚集带等显微缺陷，当使用含有此类材质缺陷的设备在使用过程中如果发生渗氢，会便于氢气在显微缺陷处不断聚集，导致氢鼓包的发生。本文中的两台罐的材质均是A3F沸腾钢，该种钢的纯净度不够，钢内夹杂物多。
4.腐蚀原因初步分析
首先，在普通酸性条件下，钢的表面的氢原子会形成分子氢气，并且，假如它们是以很慢的腐蚀速率产生的，那么它们会被无害地耗散掉。但是，当存在硫化物垢膜时，硫化物会成为负催化剂，对反应有促进作用。结果，原子氢渗透进入钢材，并在晶体结构中聚集起来，从而影响钢的机械特性。其它化合物，如硫化物、氢氰酸、磷，被叫做重组抑制剂或者催化剂毒物，它们阻碍原子氢转化成分子氢。存在催化剂毒物时，原子氢的表面浓度升高，相应地增加了扩散进入钢材的氢的总量。其次，分析鼓包发生的位置，发现本次发现的所有鼓包均发生在罐壁 1 带板阳极块的正下方。这是因为该处是电化学反应的活跃区域，阳极块作为原电池的阳极随着电化学反应的不断进行不断消耗，阳极块附近的罐壁作为阴极附近发生阴极反应，产生大量的氢原子并在阳极块附近聚集，致使阳极块的附近的氢原子浓度远高于其它部位。再次，检查发现本文中两个罐的阳极块的安装位置过于靠近罐壁，不符合相关标准中阳极块与罐壁的安装距离不小于 50mm 的规定，阳极块与罐壁的距离过近也加剧了氢原子渗入罐壁的过程。此外，观察发现罐壁靠下部的几带板的防腐涂层发生严重的脱落破损，由于缺少了防腐涂层这一层保护，使得产生的氢原子更容易渗透入罐壁的过程。
本次检验过程中，罐底板及罐壁安装有阳极块的下部及其它位置未检出有鼓包存，尤其是罐壁 2 带板及 3带板也均装有阳极块， 但未发现有鼓包存在。针对该问题，我们将在今后的工作中展开进一步的研究讨论。
三、结论
本文从多角度对某炼油厂精制车间的两台原料污水罐出现的严重氢鼓包并伴随有裂纹性缺陷这一问题进行了分析，初步确定导致该类失效发生的原因是罐壁材质处于湿硫化氢腐蚀环境下产生的氢原子不断渗入材质并聚集形成氢气，随着电化学反应的持续进行，在杂质、夹层处聚集的氢气压力不断增加，会产生氢鼓包，当压力超过了材质的承受极限，会使鼓包发生破裂产生裂纹。此外，使用杂质、夹层过多的 A3F 钢、阳极块的安装位置不当、防腐涂层的破损脱落等一系列因素更加剧了上述过程的发生。
在今后工作中，针对本文两台储罐发生的问题继续跟踪研究，主要从防腐涂层种类的选择、阳极块的种类、安装的布局和位置参数等方面进一步验证和优化，并在下一次检验过程中重点关注其它位置是否存在不同程度的鼓包问题，通过相关工作的开展，力求找到导致本文问题发生的根本原因。
● 作者简介
魏盛斌，男，1963 年 3 月出生，1984 年 7 月毕业于重庆大学工程物理专业，本科学历，于 1984 年 7月分配到乌鲁木齐化工总厂监测中心工作至今，先后从事理化检验、锅炉、压力容器、压力管道的现场检验工作和设备管理。1991 年被聘为理化检验工程师，2002 年被乌石化总厂聘为监测中心高级工程师，2005 年任监测中心副总工程师兼任容检科科长，2009 年 4 月任乌石化公司监测中心副主任，2010 年 7 月任乌石化公司设备检验检测院副院长。
近年来，主持参与多项乌石化公司的科技公关项目，获得乌石化公司科技进步二等奖 2 项，技术改进项目二等奖 4 项，发表科技论文 5 篇。