сгенерировать QR код
Открытый доступ
Только для подписчиков
Высокотемпературная водородная коррозия стали (обзор)
https://doi.org/10.22349/1994-6716-2025-122-2-180-200
Аннотация
Представлен аналитический обзор научных и прикладных работ, посвященных вопросам высокотемпературной водородной коррозии стали. Рассматриваются современные методы диагностики водородной коррозии и приводится обзор фундаментальных отечественных и зарубежных разработок. Особое внимание уделяется анализу перспективных методов исследования данного типа коррозии для оценки пригодности металлического оборудования к эксплуатации в водородсодержащих средах при повышенных температурах и давлениях и оценки рисков разрушения опасных производственных объектов, вызванных высокотемпературной водородной коррозией.
Ключевые слова
Об авторах
А. Н. Добротворская
АО «НПО «Ленкор»
Россия
Россия
канд. физ.-мат. наук
192236, Санкт-Петербург, ул. Белы Куна, 31, литера А, помещ. 25-Н, офис 1408
М. А. Добротворский
АО «НПО «Ленкор»
Россия
Россия
канд. физ.-мат. наук
192236, Санкт-Петербург, ул. Белы Куна, 31, литера А, помещ. 25-Н, офис 1408
Д. А. Зайцев
АО «НПО «Ленкор»
Россия
Россия
192236, Санкт-Петербург, ул. Белы Куна, 31, литера А, помещ. 25-Н, офис 1408
Список литературы
1. Коррозия и защита химической аппаратуры. Т. 9: Нефтеперерабатывающая и нефтехимическая промышленность / Под ред. Сухотина А. М., Шрейдера А. В., Арчакова Ю. И. – Л.: Химия, 1974. – 576 с.
2. Арчаков Ю. И. Водородная коррозия стали. – М.: Металлургия, 1985.
3. Fletcher E. E., Elsea A. R. The effects of high pressure, high temperature hydrogen on steel. – Defense Metals Information Center, Battelle Memorial Institute, 1964. – 35 c. URL: https://babel.hathitrust.org/cgi/pt?id=mdp.39015095155274&seq=13
4. Nugent M., Silfies T., Dobis J., A rmitt T. A review of high temperature hydrogen attack (HTHA) modeling, prediction, and non-intrusive inspection in refinery applications // NACE Corrosion Proceedings. – 2017. – March. – P. 11–13. URL: https://doi.org/10.5006/C2017-08924
5. Poorhaydari K. A Comprehensive Examination of High-Temperature Hydrogen Attack – A Review of over a Century of Investigations // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2021. – V. 30. – P. 7875–7908.
6. API RP 571. Creep and Stress Rupture // Damage Mechanisms Affecting Fixed Equipment in the Refining Industry. – American Petroleum Institute, 2020. – 3rd ed.
7. Xu X., Niu J., Li Ch., Huang H., Yin Ch. Comparative Study on Hydrogen Embrittlement Susceptibility in Heat-Affected Zone of TP321 Stainless Steel // Materials Science Forum. – 2020. – V. 993. – P. 568–574. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.993.568
8. Li X., Chen H., Yao Z., Li J., Ke W. Hydrogen Attack on Austenitic Steel 304 under High Temperature and High Pressure // Acta Metall. Sinica Ser. B. – 1993. – V. 6, Is. 11. – P. 374–378.
9. API RP 941. Steels for Hydrogen Service at Elevated Temperatures and Pressures in Petroleum Refineries and Petrochemical Plants. – Washington: American Petroleum Institute, 2016. – 8th ed.
10. Elli ot P. Materials performance in high-temperature environments – making the choice // NACE Corrosion Proceedings. – 2000. – P. 1–22.
11. Технические указания – регламент по эксплуатации и обследованию оборудования установок каталитического риформинга и гидроочистки, работающих в водородсодержащих средах при повышенных температуре и давлении. – СПб.: ВНИИНефтехим, ВНИИНефтемаш, Ленкор, 1998.
12. API RP 579-1/ASME FFS-1, Fitness-For-Service. – Washington: American Petroleum Institute, American Society of Mechanical Engineers, 2021. – 4th ed.
13. Prueter P. E. Leveraging fitness-for-service and inspection techniques to manage the risks associated with high-temperature hydrogen attack // E²G industry insight. – 2019. – V. 7. – Spring/Summer. – 14 p. URL: https://e2g.com/library-item/leveraging-fitness-for-service-and-inspection-techniques-to-manage-the-risks-associated-with-high-temperature-hydrogen-attack/ (дата обращения 3.06.2025)
14. Martin M. L., Dadfarnia M., Orwig S., Moore D., Sofronis P. A microstructure-based mechanism of cracking in high temperature hydrogen attack // Acta Materialia. – 2017. – V. 140. – P. 300–304. URL: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2017.08.051 (дата обращения 3.06.2025)
15. Tang S., Guo T. F., Chen g L. Modeling hydrogen attack effect on creep fracture toughness // Int. J. Solids Struct. – 2011. – V. 48, Is. 20. – P. 2909–2919. URL: https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2011.06.007 (дата обращения 3.06.2025)
16. Krynicki J., Bagnoli K., McLaughlin J. E. Probabilistic Risk Based Approach for Performing an Onstream High Temperature Hydrogen Attack Inspection // 61st Annual Conference & Exposition. – 2006.
17. Chevreux N., Flament C., Gillia O., David T., Goti R., Le Nevé C., Andrieu E. Understanding the Phenomenon of High Temperature Hydrogen Attack (HTHA) Responsible for Ferrito-Pearlitic Steels Damage // High Temperature Corrosion of Mater. – 2024. – V. 101. – P. 1225–1236. URL: https://doi.org/10.1007/s11085-024-10281-8
18. Benzerga A. A., Leblond J. B. Ductile fracture by void growth to coalescence // Advances in applied mechanics. – 2010. – V. 44. – P. 169–305. URL: https://doi.org/10.1016/S0065-2156(10)44003-X
19. Eliezer D. High-temperature hydrogen attack of carbon steel // J. Mater. Sci. – 1981. – V. 16. – P. 2962–2966. URL: https://doi.org/10.1007/BF00540300
20. Pillot S., Corre S., Coudreuse L., Chauvy C., To us saint P. Development and production of creep and hydrogen resistant grade 91 (9 Cr1 Mov) heavy plates for new generating high efficiency refining reactors // NACE Corrosion Proceedings. – 2013. – V. 91. – P. 1–15.
21. Schlögl S. M., Svoboda J., Vander Giessen E. Evolution of the methane pressure in a standard 2.25 Cr–1Mo steel during hydrogen attack // Acta materialia. – 2001. – V. 49, N 12. – P. 2227–2238. URL: https://doi.org/10.1016/S1359-6454(01)00132-X
22. Van Der Burg M. W. D., Van Der Giessen E. A Continuum damage relation for hydrogen attack cavitation // Acta Mater. – 1997. – V. 45. – P. 3047–3057. URL: https://doi.org/10.1016/S1359-6454(96)00382-5
23. Sundararajan G., Shewmon P. G. The kinetics of hydrogen attack of steels // Metall Trans A. – 1981. – V. 12. – P. 1761–1775. URL: https://doi.org/10.1007/BF02643758
24. Shewmon P. G . Synergism between creep ductility and grain boundary bubbles // Acta Metal. – 1987. – V. 35. – P. 1317–1324. URL: https://doi.org/10.1016/0001-6160(87)90013-7
25. Dadfarnia M., Martin M. L., Moore D. E., Orwig S. E., Sofronis P. A model for high temperature hydrogen attack in carbon steels under constrained void growth // Int. J. Fract. – 2019. – V. 219. – P. 1–17. URL: https://doi.org/10.1007/s10704-019-00376-8
26. Pillot S., Coudreuse L. Hydrogen-induced disbonding and embrittlement of steels used in petrochemical refining // Gaseous hydrogen embrittlement of materials in energy technologies. – 2012. – P. 51–93. URL: https://doi.org/10.1533/9780857093899.1.51
27. Овчинников И. И., Овчинников И. Г. Влияние водородосодержащей среды при высоких температурах и давлениях на поведение металлов и конструкций из них // Науковедение. – 2012. – № 4 (13). – 28 с. URL: https://naukovedenie.ru/PDF/60tvn412.pdf (дата обращения 2.06.2025)
28. Алексеев В. И., Юсупов В. С., Ла заренко Г. Ю. Механизм влияния молибдена и меди на антикоррозионные свойства стали // Перспективные материалы. – 2009. – Т. 6. – С. 21–29.
29. Shewmon P. G. Hydrogen Attack of Carbon Steel // Metallurgical transactions A. – V. 7A. –1976. – P. 279–286. URL: https://doi.org/10.1007/BF02644468
30. Алексеев В. И., Боголюбский С. Д., Ушаков И. С. Термодинамическая оценка склонности хромистых сталей к водородной коррозии при повышенных температурах и давлениях водорода // Журнал физ. химии. – 1971. – Т. 45, № 8. – C. 2053.
31. Schlögl S. M., Giessen E. van der. Micromechanics of High Temperature Hydrogen Attack // Proceedings of the European Conference on Computational Mechanics, solids, structures, and coupled problems in engineering, August 31 – September 3. – 1999. – P. 1–11.
32. Bodden Connor M . T. , Barrett C . D . Introduction of Molecular Dynamics for HTHA and a Review Article of HTHA // J Fail. Anal. and Preven. 2022. – V. 22. – P. 1326–1345. URL: https://doi.org/10.1007/s11668-022-01419-4
33. Skrypnyk L . D . Analytic evaluation of hydrogen-assisted void growth at high temperatures // Mater. Sci. – 1997. – V. 33, N 4. – P. 478–490. URL: https://doi.org/10.1007/BF02537545
34. Parthasarathy T. A., Lopez H. F., Shewmon P. G. Hydrogen Attack kinetics of 2.25Cr-1Mo steel weld metals // Metall. Trans. A. – 1985. – V. 16A. – P. 1143–1144. URL: https://doi.org/10.1007/BF02811683
35. Арчаков Ю. И., Гребешкова И. Д. Водородная коррозия сталей // Коррозия и защита химической аппаратуры. – Л.: Химия, 1974. – Т. 9, ч. 2. – С. 335–364.
36. Павлов С. Б., Маликов В. А. Влияние водорода на сталь 09Г2С при повышенных температурах и давлениях // Международный научно-исследовательский журнал. – 2014. – Т. 10. – P. 38–39.
37. Shih H . M . , Johnson H . H . Inclusions, grain boundaries and hydrogen attack // Scripta Metallurgica. – 1977. – V. 11. – P. 151–154. DOI: 10.1016/0036-9748(77)90296-4
38. Mostert R. J., Mukarati T. W., Pretorius C. C. E., Mathoho V. M. A constitutive equation for the kinetics of high temperature hydrogen attack // Procedia Structural Integrity. – 2022. – V. 37. – P. 763–770. URL: https://doi.org/10.1016/j.prostr.2022.02.007
39. Looney L., Hurst R. C., Taylor D. The effect of high pressure hydrogen on the creep fracture of notched ferritic-steel components // Journal of Materials Processing Technology. – 1998. – V. 77. – P. 25–31. URL: https://doi.org/10.1016/S0924-0136(97)00384-1
40. Alshahrani M . A . M., Ooi S . W., Colliander M . H., El-Fallan G . M . A . M., Bhadeshia H . K . D . H . High-temperature hydrogen attack on 2.25 Cr-1Mo steel: the roles of residual carbon, initial microstructure and carbide stability // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2022. – V. 53, N 12. – P. 4221–4232. URL: https://doi.org/10.1007/s11661-022-06809-9
41. Арчаков Ю. И. Феноменологическая теория легирования водородоустойчивых сталей // Вопросы атомной науки и техники. – 2008. – № 2. – С. 31–36.
42. ASM Handbook Committee. V 1: Properties and Selection: Irons, Steels, and High-Performance Alloys – ASM International, 1990. URL: https://doi.org/10.31399/asm.hb.v01.9781627081610
43. Shimomura J-I., Tani H., Kooriyama T, Sato Sh., Ueda S. High Strength 2-1/4 and 3% Cr1% Mo Steels with Excellent Hydrogen Attack Resistance // Kawasaki steel technical report. – 1989. – N 20. – P. 78–87.
44. Арчаков Ю. И. Водородоустойчивость стали. – М.: Металлургия, 1978. – 112 с.
45. Алексеев В. И., Боголюбский С. Д., Ушаков И. С., Шварцман Л. А. Термодинамическая оценка склонности хромистых сталей к водородной коррозии при повышенных температурах и давлениях водорода // Журнал физ. химии. – 1971. – Т. 45. – С. 2053–2055.
46. Утевский Л. М. Отпускная хрупкость стали. – М.: Металлургиздат, 1961. – 101 с.
47. Chao B. L., Odette G. R., Lucas G. E. Kinetics and mechanisms of hydrogen attack in 2.25Cr1Mo steel. – Santa Barbara (USA): Oak Ridge National Lab, 1988.
48. Schlögl S. M., Giessen E. van der, Leeuwen Y. van. On methane generation and decarburization in low-alloy Cr-Mo steels during hydrogen attack // Metal. Mater. Trans. A. – 2000. –V. 31, N 1. – P. 125–137. DOI: 10.1007/s11661-000-0059-5
49. Chan S. L. I. Hydrogen trapping ability of steel with different microstructure // Journal of the Chinese Institute of Engineers. – 1999. – V. 22, N 1. – P. 43–53. URL: https://doi.org/10.1080/02533839.1999.9670440
50. Yam a ni A. A cost effective development of an ultrasonic A-scans database for high-temperature hydrogen attack // NDT&E International. – 2008. – V. 41. – P. 163–168. URL: https://doi.org/10.1016/j.ndteint.2007.10.007
51. Allevato C. Utilizing acoustic emission testing to detect high-temperature hydrogen attack (HTHA) in Cr-Mo reformer reactors and piping during thermal gradients // Procedia Engineering. – 2011. – V. 10. – P. 3552–3560. URL: https://doi.org/10.1016/j.proeng.2011.04.585
52. Hlongwa N., Mabuwa S., Msomi V. The development of techniques to detect high temperature hydrogen attack – A mini review // Materials Today: Proceedings. – 2021. – V. 45. – P. 5415–5418. URL: https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.02.112
53. Li X., Dong C., Li M., C hen H. Effect of hydrogen attack on acoustic emission behavior of low carbon steel // International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials. – 2002. – V. 9, N 2. – P. 130–134.
54. Panzarella C., Cochran J. The E2G Model of High Temperature Hydrogen Attacs and the New Prager Curves // WRC Bulleten Current Concepts for Life Assessment of Pressure Vessels and Piping. – 2016. – V. 568. – P. 135–169.
55. Nugent M., Silfies T., Kowalski P., Sutton N. Recent applications of evaluations of equipment in HTHA service // NACE Proceedings. – 2018. – P. 10509.
56. Le Nevé C., Loyan S., Le Jeune L., Mahaut S., Demonte S., Chauveau D., Tessier M. et al. High temperature hydrogen attack: New NDE advanced capabilities – development and feedback // Proceedings ofASME 2019 Pressure Vessels and Piping Conference. American Society of Mechanical Engineers. – 2019. – Paper No PVP2019-94001, V007T07A011. – P. 11. DOI: 10.1115/PVP2019-94001
57. Добротворский А. М., Копыльцов А. В., Добротворский М. А. Новые физико-химические методы выявления причин отказов технологического оборудования нефтеперерабатывающих предприятий // Химическая техника. – 2017. – № 1. – 30 с.
58. Асвиян М. Б. Влияние масштабного фактора на длительную прочность труб при высоком внутреннем давлении водорода // Заводская лаборатория. – 1963. – Т. 3. – С. 352–356.
59. Асвиян М. Б. Основные факторы, влияющие на длительную прочность стали при высоких давлениях водорода // Физико-химическая механика материалов. – 1977. – Т. 6. – С. 3–6.
60. Черных Н. П. Влияние водорода на длительную прочность некоторых сталей // Влияние водорода на служебные свойства стали. – Иркутск: Иркутское кн. изд-во, 1963.
61. Карташов А. М. Влияние водородного воздействия при высокой температуре и давлении на упругие свойства углеродистой стали // Сб. научн. тр. аспирантов. – Л.: ЛИТМО, 1974. – С. 142–145.
62. Миронов В. И., Емельянов И. Г., Вичужанин Д. И., Замараев Л. М., Огорелков Д. А., Яковлев В. В. Влияние температуры наводороживания и растягивающего напряжения на параметры полной диаграммы деформирования стали 09Г2С // Diagnostics, Resource and Mechanics of Materials and Structures. – 2020. – № 1. – С. 24–33.
63. Арчаков Ю. И., Тесля Б. М. Исследование влияния водорода на работоспособность оборудования и трубопроводов при длительных сроках эксплуатации // Процессы нефтепереработки и нефтехимии: cб. науч. тр. к 75-летию ВНИИНефтехима. – CПб., 2005.
64. Nelson G. Hydrogenation Plant Steels // Proceedings API. – 1949. – V. 29M. – P. 163–174.
65. API Publication 940: Steel Deterioration in Hydrogen: A Report on Corrosion Research. – Washington: American Petroleum Institute, 1967.
66. API Publication 945: A Study of the Effects of High-temperature, High-pressure Hydrogen on Low-alloy Steels. – Washington: American Petroleum Institute, 1975.
67. Cantwell J. High-Temperature Hydrogen Attack // Mater. Perform. – 1994. – V. 33 (7). – P. 58–61.
68. Staats J., Buchheim G. A new practical method for prioritizing equipment in HTHA service for inspection and replacement and the challenges in obtaining process conditions to be used in the HTHA assessment // NACE Corrosion Proceedings. – 2016. – P. 7233.
69. Sutton N. G., Time Dependent Nelson Curve Update // World Fertilizer. – 2024. – July/August.
70. Osage D . e t a l . E2G Technical Report 94: E2G HTHA JIP FFS. Rules for API 579-1/ASME FFS-1. – Part 15. Version 7. – The Equity Engineering Group, 2017.
71. Pretorius C. C. E., Mostert R. J., Mukarati T. W., Mathoho V. M. Microstructural influences on the damage evolution and kinetics of high temperature hydrogen attack in a C-0.5 Mo welded joint // Suid-Afrikaanse Tydskrif vir Natuurwetenskap en Tegnologie. – 2021. – V. 40, N 1. – P. 212–223. URL: https://hdl.handle.net/10520/ejc-aknat_v40_n1_a55
72. Panzarella C. H., Osage D. A., Spring D. W., Gassama E., Cochran J. The α–Ω HTHA Model and the Time-Dependent Prager Curves // WRC Bulletin 585, The Welding Research Council – New York. – 2021.
Рецензия
Для цитирования:
Добротворская А.Н., Добротворский М.А., Зайцев Д.А. Высокотемпературная водородная коррозия стали (обзор). Вопросы материаловедения. 2025;(2(122)):180-200. https://doi.org/10.22349/1994-6716-2025-122-2-180-200
For citation:
Dobrotvorskaya A.N., Dobrotvorsky M.A., Zaitsev D.A. High-temperature hydrogen corrosion of steel: a review. Voprosy Materialovedeniya. 2025;(2(122)):180-200. (In Russ.) https://doi.org/10.22349/1994-6716-2025-122-2-180-200
Просмотров:
4
Послать статью по эл. почте 