"TẤN CÔNG" HYDRO Ở NHIỆT ĐỘ CAO (HTHA) LÀ GÌ?

"TẤN CÔNG" HYDRO Ở NHIỆT ĐỘ CAO (HTHA) - Tấn công hóa học (chemical hydrogen attack)

"Tấn công" hydro ở nhiệt độ cao hay hiện tượng hư hỏng vật liệu do tác động của khí hydro nhiệt độ cao còn được gọi là tấn công hydro nóng (HTHA - High Temperature Hydrogen Attack/Hot Hydrogen Attack), là một vấn đề liên quan đến thép hoạt động ở nhiệt độ cao (thường trên 204°C) trong môi trường hydro, trong nhà máy lọc dầu, hóa dầu và hóa chất khác và có thể ở nồi hơi áp suất cao. Không nên nhầm lẫn nó với hiện tượng giòn do hydro hoặc các dạng hư hỏng do hydro ở nhiệt độ thấp khác.

Mô tả cơ chế hư hỏng HTHA

HTHA xảy ra khi vật liệu, như thép carbon và thép hợp kim thấp, tiếp xúc với khí hydro ở nhiệt độ cao.

Trong điều kiện nhiệt độ cao, khí hydro có khả năng xâm nhập vào cấu trúc tinh thể của vật liệu. Các phân tử hydro sẽ khuyếch tán vào sâu trong cấu trúc tinh thể của thép. Khi hydro tiếp xúc với thép, nó có thể tác động lên các hợp chất carbide trong cấu trúc thép. Carbide là các hợp chất kim loại với carbon, thường được tạo thành trong quá trình sản xuất thép. Sự tác động của hydro có thể gây ra các phản ứng hóa học với các hợp chất carbide, dẫn đến sự phá hủy của chúng và làm yếu đi cấu trúc của vật liệu.

Kết quả của quá trình này là làm suy yếu cấu trúc và tính chất cơ học của vật liệu, gây ra các vấn đề về an toàn và bảo trì trong các ứng dụng công nghiệp. Điều này đặc biệt quan trọng trong các thiết bị và hệ thống hoạt động trong môi trường có chứa khí hydro ở nhiệt độ cao, như trong các nhà máy lọc dầu hoặc cơ sở sản xuất hóa chất.

Hiện tượng decarburization trên các biên hạt

Có 2 phản ứng liên quan đến HTHA

1-Phản ứng phân tách phân tử H2 tạo thành hydro nguyên tử H: H2⇌ 2H
Trong phản ứng này, phân tử khí hydro H2 phân tách thành hai nguyên tử hydro H. Các nguyên tử hydro sau đó có thể phân tán sâu vào trong cấu trúc của thép.
2-Phản ứng giữa hydro nguyên tử và muối carbide của kim loại: 4H+MC ⇌ CH4+M
Trong phản ứng này, hydro nguyên tử tương tác với các muối carbide của kim loại (MC), tạo thành metan (CH4) và kim loại (M). Các muối carbide của kim loại thường được tạo thành trong quá trình sản xuất thép và có thể tồn tại trong cấu trúc của vật liệu thép.

Cả hai phản ứng này đều đóng vai trò quan trọng trong quá trình HTHA, gây ra sự suy giảm và hư hỏng của vật liệu thép khi tiếp xúc với khí hydro ở nhiệt độ cao và áp suất riêng phần cao.

Hai loại hỏng chính do HTHA

Hỏng loại 1: Khử carbon bên trong cấu trúc thép và hình thành các vết nứt sâu (fissuring).

Ở điều kiện nhiệt độ và áp suất cao, Hydro sẽ phản ứng với carbide trong kim loại để hình thành Metan và khuếch tán vào bên trong kim loại. Các khí này kết nối nhau tạo các lỗ khí bên trong và lớn dần sẽ tạo các nứt kim loại. chất này do thể tích phân tử cao hơn nên không thể thoát ra ngoài.

(Áp suất tạo ra tạo sự phát triển khoang dọc theo ranh giới hạt, biến thép từ trạng thái dẻo sang trạng thái giòn). Ngoài ra việc mất carbide cũng làm kim loại giảm độ bền. Các vết nứt này có thể lan rộng và làm suy yếu vật liệu, gây ra các vấn đề an toàn và bảo trì trong ứng dụng công nghiệp.

Hỏng loại 2: Khử carbon ở bề mặt do phản ứng của hydro nguyên tử với carbide tại hoặc gần bề mặt: Trong loại hỏng này, hydro nguyên tử tác động lên carbide tại hoặc gần bề mặt của vật liệu thép.

Phản ứng này gây ra việc khử carbon ở bề mặt của vật liệu, tạo điều kiện cho sự hình thành khí methane. Khí methane có thể thoát ra từ bề mặt mà không gây ra các vết nứt sâu, nhưng vẫn làm suy yếu tính chất cơ học của vật liệu.

Các yếu tố chính ảnh hưởng đến HTHA

Các yếu tố chính ảnh hưởng đến HTHA là áp suất riêng phần của hydro, nhiệt độ của thép và thời gian tiếp xúc. Thiệt hại thường xảy ra sau một thời gian ủ bệnh, có thể kéo dài từ vài giờ đến nhiều năm tùy thuộc vào mức độ nghiêm trọng của môi trường. Nhiệt độ cao và áp suất riêng phần hydro thấp tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình khử cacbon trên bề mặt trong khi các điều kiện ngược lại (nhiệt độ thấp hơn, áp suất riêng phần hydro cao) tạo điều kiện cho sự nứt.

Ngoài ra, thành phần của thép ảnh hưởng đến khả năng kháng HTHA; Khả năng chống lại HTHA của thép có thể được tăng cường nhờ các thành phần hợp kim phản ứng với carbon để tạo thành các cacbua ổn định (ví dụ: molypden, crom, vonfram và các loại khác). Tăng hàm lượng các nguyên tố này làm tăng khả năng kháng HTHA, thép Cr-Mo có hàm lượng Cr trên 5% và thép không gỉ austenit không nhạy cảm với HTHA.

Tốc độ hư hỏng của vật liệu phụ thuộc vào áp suất của khí metan bị giữ lại, tốc độ rão của vật liệu và cấu trúc hạt của nó.

Các khu vực rất dễ bị tấn công là những khu vực có nhiều khả năng chứa cacbua không ổn định nhất, chẳng hạn như các đường hàn. Loại cacbua và hoạt tính của chúng bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi chất lượng xử lý nhiệt sau hàn (PWHT).

Nhiều nghiên cứu, thí nghiệm và điều tra cẩn thận về các hư hỏng đã giúp ngăn chặn phần lớn sự tấn công của hydro trong các nhà máy amoniac hiện đại bằng cách lựa chọn hợp lý các hợp kim chịu được hydro với hàm lượng kim loại thích hợp tạo thành hợp kim ổn định.

Tầm quan trọng lớn trong lĩnh vực này là công trình của NELSON, người đã tóm tắt kinh nghiệm thực nghiệm và vận hành sẵn có dưới dạng đồ họa.

Năm 1949, Nelson đã tập hợp và hợp lý hóa một số quan sát thực nghiệm về các loại thép khác nhau. Trong biểu đồ Nelson, các ranh giới được đặt trong biểu đồ áp suất riêng phần hydro - nhiệt độ, trong đó mô tả vùng sử dụng an toàn đối với thép cacbon, thép 1,25Cr-0,5Mo, v.v. Biểu đồ này đã được API cập nhật nhiều lần và xuất bản trong API 941. Gần đây hơn, các mô hình phân tích đã được sử dụng để dự đoán động học của HTHA với một số thành công (Shih, 1982 và Parthasarathy, 1985).

Ngày càng có nhiều lo ngại rằng đường cong Nelson có thể không phù hợp với các loại thép mới hơn đang được sử dụng trong dịch vụ hydro nhiệt độ cao hoặc có thể quá thận trọng và ngày càng có xu hướng kiểm tra (inspection) dựa trên rủi ro các thiết bị vận hành trong điều kiện hydro nóng.

Biểu đồ Nelson khuyến cáo vận hành an toàn kháng lại nguy cơ xảy ra HTHA của thép trong môi trường có áp suất riêng phần của Hydro và nhiệt độ cao.

Tấn công hydro vật lý (Physical Hydrogen Attack).

Một hiện tượng liên quan là tấn công hydro vật lý, có thể xảy ra đồng thời với tấn công hóa học. Nó xảy ra khi phân tử hydro bị hấp thụ phân ly ở nhiệt độ cao hơn thành hydro nguyên tử. Có thể khuếch tán qua cấu trúc vật liệu. Bất cứ nơi nào các nguyên tử hydro tái kết hợp với các phân tử trong cấu trúc vật liệu (ở các hạt ở pha thứ hai hoặc các vật liệu có khiếm khuyết) thì ứng suất bên trong sẽ được thiết lập bên trong vật liệu.

Kết quả là vật liệu bị suy giảm dần dần, làm giảm độ bền của nó cho đến khi phần thiết bị bị ảnh hưởng bị nứt và cuối cùng là vỡ.

Hiện tượng này còn được gọi là hiện tượng giòn do hydro (hydrogen embrittlement).

Nó rất có thể xảy ra ở các mối hàn được PWHT thích hợp.

Giữ mối hàn và vùng chịu ảnh hưởng nhiệt (HAZ) trong thời gian dài ở nhiệt độ cao (hoạt động được gọi là ngâm soaking) cho phép phần lớn hydro có trong đó khuếch tán ra khỏi vật liệu.

Tuy nhiên, điều này có thể không đủ nếu có hơi ẩm (moisture) trong quá trình hàn ban đầu (ví dụ: nếu sử dụng điện cực ướt hoặc hút ẩm), vì dấu vết của hydro nguyên tử được hình thành do sự phân hủy nhiệt của nước dưới nhiệt độ cao của quy trình hàn.

Đặc biệt quan trọng nữa là các mối hàn vật liệu khác nhau, chẳng hạn như các mối hàn giữa thép ferit và thép austenit, trong đó sự hình thành martensite, vốn nhạy cảm với sự tấn công của hydro, có thể làm tăng nguy cơ gãy giòn.

Ở nhiệt độ và áp suất riêng phần cao hơn, hydro luôn hòa tan ở một mức độ nhỏ trong thép xây dựng.

Vì lý do này, không nên làm nguội thiết bị quá nhanh khi ngừng sử dụng và giữ chúng ở áp suất khí quyển trong vài giờ ở nhiệt độ 300°C để hydro có thể khuếch tán phần lớn ra ngoài (ngâm).

Xin chào bạn!

Nếu bạn đang thích trang web của chúng tôi và thấy các bài viết của chúng tôi hữu ích, chúng tôi rất mong nhận được sự ủng hộ của bạn. Với sự giúp đỡ của bạn, chúng tôi có thể tiếp tục phát triển tài nguyên và cung cấp cho bạn nội dung có giá trị hơn nữa.

Cảm ơn bạn đã ủng hộ chúng tôi.

Nguyễn Thanh Sơn

Tìm kiếm Blog này