HTHA 是氢原子扩散到钢中并与微观组织中的碳化物发生反应的结果。
在临氢条件下,吸附在钢表面的分子氢通过金属晶格和晶界向钢内扩散, 使钢严重脱碳产生沿晶腐蚀裂纹,力学性能下降。 这种腐蚀速度取决于温度、 氢分压、 加热时间、 钢的含碳量和合金元素等因素。
有2种反应和 HTHA 相关, 一个是氢分子 (H2) 分解成能在钢中扩散的氢原子 (H),第二个反应发生在原子氢和金属碳化物之间, 4H + MC==CH4+ M。
对钢材的破坏也有2种形式, 一是因甲烷气体在碳化物基体界面上积聚, 形成了很高的局部应力, 而产生内部脱碳和裂纹或鼓包, 其力学性能发生显著的劣化;
二是原子氢和钢材表面或临近表面的碳化物发生反应产生的表面脱碳, 在该表面甲烷气体可溢出而不会形成裂缝。 内部裂缝一般可在碳钢、 C-0.5Mo钢和高氢分压下的Cr-Mo钢中观察到, 而表面脱碳在高温和低的氢分压下的Cr-Mo钢中更普遍。 增加钢中合金的Cr、 Mo元素, 碳化物的稳定性提高, 可减缓 HTHA。
钢的抗氢腐蚀性能与钢的显微组织也有密切关系。 所以, 压力容器的制造和热处理制度对设备的抗 HTHA 性能影响也很大, 对于淬火状态, 只需经很短时间加热就出现了氢腐蚀, 但进行回火处理, 且回火温度越高, 由于形成稳定了的碳化物, 抗氢腐蚀性能也得到改善。
另外, 对于在临氢环境下使用的铬-钼钢设备, 进行焊后热处理同样具有提高抗氢腐蚀能力的效果。 试验证明, 2.25Cr-1Mo钢焊缝若不进行焊后热处理, 则发生氢腐蚀的温度将比纳尔逊 (Nelson) 曲线表示的温度低100℃以上。
在高温氢腐蚀中, 在高温氢气中材料的蠕变强度会下降。 特别是由于二次应力 (如热应力或由冷作加工所引起的应力) 的存在会加速高温氢腐蚀。 当没有变形时, 氢腐蚀具有较长的 “孕育期”; 随着冷变形量的增大, “孕育期” 逐渐缩短, 当变形量达到一定程度时, 则无论在任何试验温度下都无 “孕育期”, 只要暴露到此条件的氢气中, 裂纹立刻就发生。
高温高压氢环境下的设备选材是按照 “纳尔逊 (Nelson) 曲线” 来选择的。该曲线是本推荐准则中所列的临氢作业用钢防止脱碳和开裂的操作极限,, 在温度和氢分压范围, 这些钢已经得到成功应用而没有因 HTHA 造成的破坏。
材料默认为退火状态, 不能用于含 As、 Sb、 Sn和 P等高含量混入元素的钢, 如怀疑高含量混入元素, 则临界Pv 系数应降低, 对于高含量的混入元素的钢的熔炼炉次, 临界Pv 系数可低至0.25。