316L不锈钢在H2S中的在役应力腐蚀开裂

应力腐蚀开裂（SCC）是由拉应力和腐蚀环境共同影响引起的开裂。在最坏的情况下，它会导致通常具有延展性的金属合金突然失效，尤其是在高温下。 （有关该主题的介绍，请阅读文章是什么导致管道应力腐蚀开裂？）

管道中的应力腐蚀开裂 (SCC) 事件

在 2011 年 7 月的一起事件中，据报道从 2 英寸直径的管道泄漏到压缩机厂的压力安全阀。在随后的两天内，还报告了类似线路的另外两次泄漏。图1中的红线显示了位于相邻压缩机组压力安全阀上游的两条火炬管的泄漏位置。

图 1. 显示故障位置的流程示意图。

每个故障都位于水平截面的管道到弯头焊缝处。泄漏发生在顶部管道部分和焊缝的热影响区 (HAZ) 内。然后将所有失败的部分删除以进行进一步调查。

应力腐蚀开裂事件调查

在管道的下半部分发现了黑色沉积物，这表明该位置已经积聚了液体。显微镜检查还显示管道外表面存在裂纹，包括 13 毫米的细线裂纹。用硝酸清洗去除腐蚀产物后，裂缝肉眼可见。

宏观照片显示，点蚀和开裂主要发生在焊缝和母材中。应力腐蚀开裂具有明显的晶间开裂形态特征，并带有一定的分支（图2）。

图 2. 显示分支的应力腐蚀开裂显微照片。
来源：NASA腐蚀工程实验室。

失败的根本原因

来自压缩机排放的闪蒸气体中硫化氢 (H2S) 的浓度约为 11 mol.-%（5.5 bar 分压）。它还被氯化物含量为 260 – 900 ppm 的水饱和。正常工作温度为 52°C (126°F)，略低于 ISO 15156 对奥氏体不锈钢在氯化物存在下的限制。炎热的夏季环境温度和管翅的结垢也加剧了本已恶劣的环境。标准维护程序是关闭冷却器，用水清洗散热片，然后重新打开冷却器以提高冷却能力。但是，在手术过程中，当冷却器关闭时会暂时出现高温。

了解 NACE MR0175 和 ISO 15156

NACE MR0175 和 ISO 15156 是石油和天然气生产中用于含 H2S 环境的材料的标准，并作为 H2S 阈值的建议发布，高于该阈值时，认为有必要采取防止环境开裂的预防措施。 AISI 316L 不锈钢在 2003 年的第一次发布中，当氯化物超过 50 ppm 时，其最高限值为 60°C (140°F)。

在进行实验室测试后，研究人员认为，奥氏体不锈钢的限制可以扩大到比最初的 ISO 15156 限制更恶劣的环境。 2007年，对AISI 316材料的限制进行了更新，并在2009版标准中正式认可。

行业报告的故障发生在当前 ISO 15156 限制下被认为容易受到影响的环境中，但根据最近提出的进一步放宽，将被归类为不易受到影响的环境。大多数报告的故障发生在 4 个月后，在不同的设施中服务长达 3.5 年。

图 3 显示并标记了几个报告的故障。三个彩色区域代表 ISO 15156 在其原始形式 （颜色 1） 中施加的限制 ，在 2007 年和 2009 年都进行了修改（颜色 2） ，以及最近提出的进一步松弛 (color 3) .请注意，黄色中发生了许多故障 区域，根据实验室测试是允许的。这表明实验室测试和行业经验之间存在差距。

图 X. AISI 316/316L 最大氯化物含量为 1000 mg 的工业故障图/L。

对这种差异的第一个可能解释是实验室测试是在液体环境中进行的，而报告的故障发生在气相中。由于蒸发和冷凝的影响，湿蒸汽容易积聚氯化物。在上述事件中，从故障部件内表面去除的固体中含有高浓度的氯化物，超过了液体的浓度。

第二个因素可以是因焊缝而异的残余应力。根据焊接参数的不同，焊接试样的测试结果可能会有很大差异。 （相关阅读：焊接接头腐蚀的原因及预防。）

第三，奥氏体材料的应力腐蚀开裂需要很长的潜伏期。测试暴露时间可能是一个重要因素，并且很难在通常在实验室进行的加速测试中复制。

最后，焊件的表面状况，包括热色调和热影响区的存在，会对金属的耐腐蚀性产生影响。热色调由各种氧化物组成，具体取决于母金属和焊件的热历史。不同的氧化物形态具有不同的耐腐蚀性值。

防止应力腐蚀开裂

焊接过程中产生的残余应力可以通过消除应力退火来消除，碳钢也是如此。然而，对于奥氏体不锈钢，残余应力的阈值在氯化物环境中非常低。因此，退火或焊后热处理对含氯环境中的奥氏体不锈钢效果较差。

可以进行机械工作或处理以引入残余压应力以抵消焊接过程中产生的拉应力。喷丸或喷砂等处理会产生表面压应力，有利于控制 SCC。

合金成分对应力腐蚀开裂的影响

耐氯化物 SCC 取决于所使用的不锈钢类型。奥氏体不锈钢更容易发生SCC，其抗SCC能力取决于其镍含量。

由于 SCC，镍含量在 8 至 10 wt% 范围内的奥氏体牌号（例如 304/304L 和 316/316L）更容易受到这种侵蚀。镍和钼含量高的奥氏体牌号，如合金 20、904L 和 6% 钼的超级奥氏体牌号，在 SCC 方面具有优势。

430、444等铁素体不锈钢也非常耐氯化物SCC。

除了实验室测试，实际工业经验也是确定标准、规范限制要求和批准在特定环境条件下使用的材料的重要因素。必须考虑的重点是蒸汽和液体环境之间存在的差异、残余应力的作用、测试持续时间和焊缝表面状况。考虑到这些因素，ISO 15156 可以通过避免出现本文所述的类似事件来提高行业安全性。