硫化氢环境钢板选用标准要求 – 压力容器设计与研究

1. 引言

在石油炼制、天然气处理、煤化工及酸性水汽提等工艺单元中，工艺介质常含有硫化氢（H₂S）。当介质中同时存在游离水时，即形成”湿硫化氢腐蚀环境”。在这种环境下，碳素钢和低合金钢不仅面临均匀腐蚀减薄的威胁，更严重的是会发生多种氢致开裂形式的脆性破坏——这类破坏往往在无明显预兆的情况下突然发生，可能造成灾难性后果。

我国自20世纪80年代起逐步建立湿H₂S环境下的材料选用和制造规范体系，当前最权威的依据是 HG/T 20581-2020《钢制化工容器材料选用规范》第6.8.2条（I类环境）和第6.8.3条（II类环境），该版本在2011版基础上进行了大幅修订——完善了环境分类定义、调整了碳当量和硬度限制要求、增加了”最大模拟焊后热处理”和”最小模拟焊后热处理”术语，并大量吸收了 NACE 8X194 和 SH/T 3193-2017 的国际工程经验。

本文旨在为压力容器设计及审核人员提供一份全面、可供查阅的技术参考，所有数据均标注标准条文出处，并在可能范围内辅以工程背景说明。

2. 湿H₂S环境下的失效机理

湿H₂S环境对碳钢和低合金钢的破坏机制并非单一模式，而是多种氢致损伤的复合效应。根据 HG/T 20581-2020 条文说明，四种主要失效形式如下：

2.1 硫化物应力开裂（SSC — Sulfide Stress Cracking）

SSC 是在拉伸应力（外加应力或残余应力）与湿H₂S共同作用下发生的一种延迟脆性断裂。其机理为：钢表面在湿H₂S中发生电化学反应，生成的氢原子（H⁺）渗入钢基体，在夹杂物、位错等”陷阱”处聚集，降低材料的临界断裂应力。SSC 的敏感性与材料的强度（硬度）呈正相关——强度越高，敏感性越大。这正是标准严格限制 ReL ≤ 355 MPa 和硬度 ≤ 200~235 HBW 的根本原因。

2.2 氢致开裂（HIC — Hydrogen-Induced Cracking）

HIC 区别于 SSC 的关键在于它不需要外加应力即可发生。氢原子在钢内部沿轧制方向富集于 MnS 夹杂物或带状组织界面，复合为氢气分子（H₂），产生极高的内压，导致平行于表面的阶梯状裂纹萌生和扩展。HIC 的敏感性主要取决于钢的纯净度——S（硫）含量和夹杂物形态是关键控制因素。

2.3 氢鼓泡（HB — Hydrogen Blistering）

当 HIC 裂纹萌生位置较浅（靠近钢材表面）时，内部氢气压力使表层金属发生塑性变形，形成肉眼可见的鼓泡。氢鼓泡本身不一定导致立即失效，但鼓泡区域的材料已严重损伤，且可能成为后续 SSC 或 SOHIC 的起裂源。

2.4 应力导向氢致开裂（SOHIC — Stress-Oriented Hydrogen-Induced Cracking）

SOHIC 是 HIC 与 SSC 的”复合产物”：先在夹杂物处形成 HIC 微裂纹，然后在拉伸应力作用下，这些微裂纹以”梯子状”方式沿厚度方向串联扩展，形成穿透性的宏观裂纹。SOHIC 对焊缝热影响区（HAZ）的软化组织尤其敏感。

失效模式	是否需要应力	主要控制因素	关键检测方法
SSC	是（拉应力）	强度、硬度	GB/T 4157（NACE TM0177）
HIC	否	S含量、夹杂物形态	GB/T 8650（NACE TM0284）
HB	否	近表面夹杂物	目视 + UT
SOHIC	是（拉应力）	HIC 敏感 + HAZ 软化	SSC 四点弯曲 + HIC

3. 湿H₂S腐蚀环境的分级与判定

3.1 前提条件（HG/T 20581-2020 第6.8.2条首段）

当容器接触的介质中含有游离水，且 H₂S 浓度 > 50 ppmw时，称为湿硫化氢腐蚀环境。

若介质不含游离水（如气相 H₂S 仅存在于干燥的烃类中），则不构成”湿”硫化氢环境，本条不适用。

3.2 I类湿H₂S腐蚀环境（第6.8.2条之1）

容器工作条件同时符合以下四项时，判定为 I 类：

序号	条件	标准原文表述
①	温度	室温 ~ 150℃
②	液相硫化物	硫化物浓度 > 50 ppmw
③	气相 H₂S	H₂S 分压 ≥ 0.3 kPa （≈ 0.003 atm）
④	pH / HCN	硫化物浓度 < 2000 ppmw，且 pH < 4；或硫化物浓度 < 2000 ppmw，pH > 7.6 且 HCN < 20 ppmw

I 类环境的总体特点是：硫化物浓度较低（< 2000 ppmw）、腐蚀性”温和”。

3.3 II类湿H₂S腐蚀环境（第6.8.3条之1）

容器工作条件同时符合以下四项时，判定为 II 类：

序号	条件	标准原文表述
①	温度	室温 ~ 150℃
②	液相硫化物	硫化物浓度 > 50 ppmw
③	气相 H₂S	H₂S 分压 ≥ 0.3 kPa
④	pH / HCN / NH₄HS	硫化物浓度 ≥ 2000 ppmw且 pH < 4；或硫化物浓度 ≥ 2000 ppmw、pH > 7.6 且 HCN ≥ 20 ppmw；或液相中 NH₄HS 质量分数 > 2%

I类与II类的关键区别：前三个条件（温度、硫化物 > 50 ppmw、H₂S 分压 ≥ 0.3 kPa）完全一致。区别仅在第④项硫化物浓度阈值——I 类 < 2000 ppmw，II 类 ≥ 2000 ppmw（或 NH₄HS > 2%）。

II 类环境不仅要求 I 类的全部材料与制造要求，还额外增加了超低 S/P/O 含量、HIC 试验、全焊接接头 PWHT 等严苛条件。典型的 II 类场景包括：酸性水汽提塔、胺液再生塔底、加氢裂化反应流出物系统等。

3.4 环境分级决策流程

介质中是否有游离水？   │   ├─ 否 → 不适用湿H₂S条款   │   └─ 是 → H₂S浓度 > 50 ppmw？           │           ├─ 否 → 不构成湿H₂S腐蚀环境           │           └─ 是 → 温度在室温~150℃ 且 H₂S分压 ≥ 0.3 kPa？                   │                   ├─ 否 → 不构成标准定义的湿H₂S腐蚀环境                   │                   └─ 是 → 硫化物浓度 < 2000 ppmw？                           │                           ├─ 是 → I类湿H₂S环境（执行6.8.2条）                           │                           └─ 否 → II类湿H₂S环境（执行6.8.2条 + 6.8.3条附加要求）

4. 钢板牌号选用——国产标准体系

4.1 Q245R(HIC) / Q245R(R-HIC)

参数名称	说明	依据标准	选取方法
标准依据	GB/T 713.2-2023 承压设备用钢板和钢带	—	—
基础牌号出处	列入 GB/T 150.2-2024 表2	GB/T 150.2-2024	—
抗HIC要求	附录C：压力容器用钢抗氢致开裂附加技术要求	GB/T 713.2-2023	II类按6.8.3-2-3
I类适用性	✅ 标准 ReL ≥ 245 MPa，远低于 355 MPa 上限	HG/T 20581-2020 6.8.2-2-1	直接选用
硬度组别	Fe-1，≤ 200 HBW	HG/T 20581-2020 表6.8.2	逐张检测
热处理状态	正火（Normalized）	6.8.2-2-3	订货时明确

Q245R(HIC) 是 I/II 类湿 H₂S 环境中最基础、最可靠的碳素钢板选择。其屈服强度适中，硬度天然控制在 200 HBW 以内，焊接性好，工程应用成熟。

4.2 Q345R(HIC) / Q345R(R-HIC)

参数名称	说明	依据标准	选取方法
标准依据	GB/T 713.2-2023	—	—
I类适用性	⚠ 需限定	—	采购协议限定
— 屈服强度	标准 ReL ≥ 345 MPa，合格；但需注意实测值可能超限	6.8.2-2-1	协议限定 ReL ≤ 355 MPa
— 抗拉强度	实测 Rm ≤ 630 MPa	6.8.2-2-2	协议限定
硬度组别	Fe-3（或 Fe-4），≤ 225 HBW	表6.8.2	逐张检测

⚠ 必须注意：标准 Q345R 的 ReL 下限为 345 MPa，上限通常在 400 MPa 左右，不一定能满足”标准规定值 ≤ 355 MPa”的要求。采购时必须在技术协议中明确限定屈服和抗拉强度上限，并逐张核验质保书。

4.3 Q370R(HIC) — 限制使用

参数名称	说明	依据标准	选取方法
限制原因	标准 ReL ≥ 370 MPa，直接违反 6.8.2-2-1 条	HG/T 20581-2020 6.8.2-2-1	—
使用条件	不可直接用于 I/II 类环境	—	须专门评定

Q370R 虽然名义上也有 HIC 供货状态，但其屈服强度下限 370 MPa 已超过 355 MPa 的硬性规定。原则上不应选用。如因特殊原因必须使用，需按 NACE MR0175/ISO 15156-2 进行完整的 SSC 评定。

4.4 珠光体耐热钢（高温 H₂S/临氢工况）

牌号	硬度组别	硬度上限	典型适用温度	主要应用场景
15CrMoR(HIC)	Fe-4	225 HBW	350~550℃	中温抗硫、低压加氢
14Cr1MoR(HIC)	Fe-5A/B	235 HBW	高温高压	临氢 + H₂S，须步冷试验
12Cr2Mo1R(HIC)	Fe-5C	235 HBW	最高温高压	加氢裂化/加氢精制反应器

Cr-Mo 钢的选用还须同时满足 HG/T 20581-2020 第 5.1.4 条（氢腐蚀 + 回火脆化双重防护）的 J 系数、X 系数和步冷试验要求。

4.5 低温环境用钢（H₂S + 低温双重量工况）

牌号	最低使用温度	硬度组别	硬度上限	标准依据
16MnDR(HIC)	-40℃	Fe-1	200 HBW	GB/T 3531-2014
09MnNiDR(HIC)	-70℃	Fe-3/4	225 HBW	GB/T 3531-2014

⚠ 09MnNiDR 的 Ni 含量（标准 0.30%~0.80%）：I 类环境无额外限制；II 类环境必须成品分析 Ni < 1.0%（6.8.3-2-1），通常可以满足，但须在订货时要求成品分析验证。

5. 钢板牌号选用——国际标准体系

当项目按 ASME 规范设计，或需同时满足国内外双重合规时，可参考 NACE MR0175/ISO 15156-2 选材。

5.1 非焊接件或 PWHT 后的碳钢/低合金钢板

ASME 牌号	标准	硬度上限	适用依据
SA-516 Gr.60 / 65 / 70 (NACE)	ASME II-A SA-516	≤ 22 HRC	NACE MR0175/ISO 15156-2 表A.2
SA-285 Gr.C (NACE)	ASME II-A SA-285	≤ 22 HRC	同上
SA-387 Gr.11 Cl.2 / Gr.22 Cl.2 (NACE)	ASME II-A SA-387	≤ 22 HRC	同上表A.3

注意：按 NACE MR0175 选用时，硬度上限统一为 22 HRC（约 237 HBW），但焊接态（未经 PWHT）的硬度限值更严格（通常需额外焊接工艺评定）。

5.2 不锈钢复合板

类型	标准	复层选材依据
碳钢/低合金钢 + 不锈钢复合板	NB/T 47002.1-2019	NACE MR0175/ISO 15156-3

复合板的基层须满足前述碳钢/低合金钢的全部要求，复层须按 NACE MR0175/ISO 15156-3 进行评定（奥氏体不锈钢通常需控制硬度 ≤ 22 HRC 且在固溶处理状态下使用）。

6. I类环境材料技术要求——化学成分与力学性能限值

以下要求全部出自 HG/T 20581-2020 第6.8.2条之2，是该条款最核心的技术约束。

6.1 强度限值

参数名称	要求	条文号
下屈服强度 (ReL)	标准规定值 ≤ 355 MPa （非实测值，注意区分）	6.8.2-2-1
实测抗拉强度 (Rm)	≤ 630 MPa	6.8.2-2-2
使用状态	正火，或正火+回火，或调质	6.8.2-2-3

解释：

“标准规定值 ≤ 355 MPa”是指材料标准中的 ReL 下限值——即牌号本身的屈服强度等级——应 ≤ 355 MPa。这是对”牌号”的限定，而非对”实测值”的要求。

6.2 碳当量（CE）

参数名称	要求	条文号
碳素钢 CE	≤ 0.43	6.8.2-2-4
低合金钢 CE	≤ 0.45	6.8.2-2-4
计算公式	CE = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15	6.8.2-2-4 注1

注：当 CE 超过上述限值时，标准规定应加大硬度监测频度作为补偿措施。

6.3 硬度限制（HG/T 20581-2020 表6.8.2）

材料组别	硬度最大值 (HBW)	典型牌号
Fe-1	200	Q245R
Fe-3	225	Q345R（正火）
Fe-4	225	15CrMoR
Fe-5A	235	14Cr1MoR
Fe-5B	235	14Cr1MoR（厚壁）
Fe-5C	235	12Cr2Mo1R

适用前提：本硬度限值适用于非焊接件或经焊后热处理的材料。焊接接头（焊缝、热影响区和母材）的硬度限值与母材相同（6.8.2-4-3）。

6.4 化学成分及其他限值

参数名称	要求	条文号
禁止添加元素	不得添加铅（Pb）、硒（Se）等	6.8.2-2-5
禁用材料	不应采用铜及各种铜合金	6.8.2-2-8
涂层限制	母材不宜采用金属涂层（电镀/化学镀）、转化涂层、塑料涂层	6.8.2-2-10
腐蚀裕量	≥ 3 mm	6.8.2-2-9

涂层限制原因（条文说明）：

金属涂层（如镀锌、化学镀镍）在湿 H₂S 环境中可能产生电位差腐蚀或涂层下氢致鼓泡；塑料涂层的渗透性无法完全阻止氢渗入且一旦破损形成局部腐蚀电池。

6.5 超声检测（UT）

参数名称	要求	条文号
适用条件	厚度 ≥ 12 mm	6.8.2-2-7
检测标准	NB/T 47013.3-2015	6.8.2-2-7
合格等级	≥ II 级	6.8.2-2-7

⚠ 易错点：不是常见的”壳体厚度 > 20mm → UT > III 级”，而是 ≥ 12 mm 就要求逐张 UT，且提高到 II 级。

7. II类环境附加技术要求

II 类环境以 I 类环境全部要求为基础，额外增加以下七项。以下要求全部出自 HG/T 20581-2020 第6.8.3条之2。

7.1 化学成分（成品分析）——超纯净钢要求

元素	II类附加限值（成品分析）	条文号	对比参考
S	≤ 0.003%（30 ppm）	6.8.3-2-1	普通 Q345R 通常 0.010~0.015%
P	≤ 0.010%（100 ppm）	6.8.3-2-1	普通 Q345R 通常 0.020~0.025%
Ni	< 1.0%	6.8.3-2-1	I 类无限制
[O]	≤ 0.0020%（20 ppm）	6.8.3-2-1	真空脱气钢方可满足

S 是 HIC 的第一敏感元素——S 含量控制到 ≤ 0.003% 是 II 类环境区别于 I 类最本质的化学要求。这需要钢材冶炼时采用铁水预脱硫 + LF 精炼 + 钙处理工艺，成本显著升高，交货周期通常长 2~4 周。

7.2 厚度方向性能

参数名称	要求	条文号	检测标准
断面收缩率 ψ(z)	≥ 35% （3 个试样平均）	6.8.3-2-2	GB/T 5313
单个最低值	≥ 25%	6.8.3-2-2	—

这是对抗 SOHIC（应力导向氢致开裂）沿厚度方向发展的关键措施。低 ψ(z) 值意味着钢板厚度方向塑韧性差，容易在 HAZ 区域形成台阶状贯穿裂纹。

7.3 HIC 试验

参数名称	要求	条文号
是否必须	所有 II 类环境用钢板均须通过	6.8.3-2-3
试验标准	GB/T 8650-2015（≡ NACE TM0284）	—
验收标准	≥ GB/T 713 I 级	6.8.3-2-3

7.4 焊后热处理

参数名称	要求	条文号
适用范围	II 类环境：所有焊接接头均应焊后热处理	6.8.3-2-4
对比 I 类	I 类：”应进行焊后消除应力热处理”	6.8.2-5-1

区别：

I 类要求容器进行整体 PWHT，但小接管、附件角焊缝等是否可豁免尚无明确规定；II 类则明确规定”所有焊接接头”——没有任何例外。

8. HIC与SSC试验标准

8.1 HIC 试验（GB/T 8650-2015）

参数名称	说明	依据标准
试验方法	无应力浸泡，A 溶液（pH 3~5饱和 H₂S）或 B 溶液（pH 4.8~5.4）	GB/T 8650-2015
试验时间	96 h	—
评价指标	CLR（裂纹长度率）、CTR（裂纹厚度率）、CSR（裂纹敏感率）	—

GB/T 713 验收分级：

等级	CLR (%)	CTR (%)	CSR (%)	适用环境
I 级	≤ 5	≤ 1.5	≤ 1	II 类湿 H₂S
II 级	≤ 15	≤ 5	≤ 2	I 类（参考）

8.2 SSC 试验（GB/T 4157-2017）

参数名称	说明	依据标准
试验方法	A 法（标准拉伸）、四点弯曲等	GB/T 4157-2017（≡ NACE TM0177）
试验时间	720 h	—
验收准则	720 h 不断裂	—
适用场合	当设计文件明确要求时，或使用 Q370R 等需专门评定的钢种时	—

8.3 辅助检验

检验项目	标准	适用场合
晶粒度	GB/T 6394	GB/T 20972.2 要求
非金属夹杂物	GB/T 10561 B 法	按设计规定
钢板 UT	NB/T 47013.3	厚度 ≥ 12mm（6.8.2-2-7）

9. 制造过程中的特殊要求

（HG/T 20581-2020 第6.8.2条之3 / 之4）

9.1 冷成形变形率与热处理

冷变形率 δ	处理方式	试验要求	条文号
δ ≤ 2%	可不处理	无需额外试验	6.8.2-3-1
2% < δ ≤ 5%	应做消除应力热处理	硬度检测	6.8.2-3-1
δ > 5%	应做恢复力学性能热处理	附带试板验证拉伸 + 冲击 + 硬度	6.8.2-3-1

⚠ 恢复力学性能热处理 ≠ 消除应力热处理。前者要求更高，须通过附带试板验证力学性能恢复至不低于材料标准要求。标准椭圆封头冷冲压成形，变形率通常在 3%~8%，多数超过 5%，必须做恢复力学性能热处理。

9.2 成形后禁止项

禁止事项	条文号
热处理后不得在接触介质一侧打钢印	6.8.2-3-2
材料标志移植不得使用硬印	GB/T 25198-2023

9.3 焊接特殊要求

（HG/T 20581-2020 第6.8.2条之4，十项全列）

序号	要求	条文号
1	所有焊接接头均应经焊接工艺评定（对接、补焊、管板焊、堆焊、角焊）	6.8.2-4-1
2	满足强度时宜采用低强度焊接材料（松弛应力、降低 HAZ 硬度）	6.8.2-4-2
3	焊接接头（焊缝 + HAZ + 母材）硬度同表6.8.2	6.8.2-4-3
4	产品硬度：接触介质侧表面测定；试板：横截面距表面 1.5 mm 处测定	6.8.2-4-4
5	焊缝外起弧/打弧点应在 PWHT 前打磨 0.3 mm 以上并 MT/PT	6.8.2-4-5
6	所有焊接接头不应留下封闭中间空隙，不可避免时开设排气孔	6.8.2-4-6
7	母材 CE > 0.40 或 Nb+V > 0.01%，焊前最低预热 120~150℃	6.8.2-4-7
8	壳体厚度 > 50 mm对接接头：100% RT + 100% UT或 100% TOFD + 100% UT + 双面 MT/PT	6.8.2-4-8
9	接管与筒体焊接接头：100% UT，不能 UT 时 100% MT/PT	6.8.2-4-9
10	不允许铁素体钢或双相不锈钢与奥氏体钢之间的异种金属焊接接头	6.8.2-4-10

10. 焊后热处理（PWHT）要求

10.1 I类环境 PWHT（第6.8.2条之5）

参数名称	要求	条文号
是否必须	应进行焊后消除应力热处理	6.8.2-5-1
温度（碳素钢）	取标准上限：(607±14)℃ ~ (635±14)℃	6.8.2-5-1
保温时间（碳素钢）	1 h / 25 mm，且不低于 1 h	6.8.2-5-1
方式	宜采用炉内整体消除应力热处理	6.8.2-5-2

10.2 Max.PWHT / Min.PWHT 框架

这是 HG/T 20581-2020 修订时新增的术语（第2.0.9 / 2.0.10 条），对封头等外购件制造有重要约束。

术语	全称	定义
Max.PWHT	最大模拟焊后热处理	模拟设备制造及维修全寿命周期中可能达到的最大程度的 PWHT——包括恢复力学性能热处理 + 所有482℃以上的中间热处理 + 设备 PWHT + 厂内返修 PWHT + 现场返修 PWHT
Min.PWHT	最小模拟焊后热处理	模拟设备制造中可能达到的最小程度的 PWHT——包括恢复性能热处理 + 超过 482℃的中间热处理 + 一次设备 PWHT

工程含义：封头制造中的每一次高温热处理（恢复力学性能、中间消应力、封头拼板 PWHT）都应记录并交付容器制造厂，纳入容器总体的 Min.PWHT / Max.PWHT 累计核算。超出 Max.PWHT 累计时间的，材料力学性能须重新评定。

11. 常用标准条文索引

标准	核心作用	关键条文/章节	适用场景
HG/T 20581-2020	化工容器湿 H₂S 选材第一规范	6.8.2 （I 类）、6.8.3（II 类）、表 6.8.2	所有化工容器
HG/T 20581-2020 条文说明	技术背景与来源	第 140-142 页	理解条文由来
GB/T 150.2-2024	压力容器用钢板牌号体系	表 2	基础牌号确认
GB/T 713.2-2023	钢板技术要求（含 HIC）	附录 C	HIC 钢板订货
GB/T 3531-2014	低温压力容器用钢板	全文	低温 + H₂S 双重工况
GB/T 8650-2015	HIC 试验方法	全文（≡ NACE TM0284）	HIC 评定
GB/T 4157-2017	SSC 试验方法	全文（≡ NACE TM0177）	SSC 评定
SH/T 3075-2024	石化钢制容器材料选用	第 7 章	石化行业参考
SH/T 3193-2017	湿 H₂S 设备设计导则	全文	HG/T 20581 条文说明引用来源
GB/T 20972.2-2025	油气开采含 H₂S 环境材料	第 6 章，表 A.2/A.3	井口/管汇/油气田
TSG 21-2016	压力容器安全监察	第 2 章	基本材料安全要求
NACE MR0175 / ISO 15156-2	国际抗 SSC 标准	§6.2, Table A.2, Table A.3	ASME 项目
ASME BPVC Section II-A	国际钢板标准	SA-516, SA-285, SA-387	ASME 项目
NB/T 47013.3-2015	超声检测	第 6 章	钢板 UT

12. 结语

湿 H₂S 环境下压力容器用钢板的选用是一个多标准交叉、多层次递进的系统工程。其核心逻辑可以概括为：

先判定环境等级

（I 类 / II 类），需收集温度、硫化物浓度、H₂S 分压、pH、HCN、NH₄HS 六项工艺参数；
再确定钢板牌号

，Q245R(HIC) / Q345R(HIC) 是基础选项，高温工况选 Cr-Mo 钢，低温工况选低温钢，II 类必须选用 R-HIC 专用钢板；
再对照技术要求逐项落实

——强度上限、碳当量、硬度组别、S/P/Ni/O 化学限值、UT、HIC 试验、冷变形约束、焊接要求、PWHT 制度；
最后核算 Max.PWHT / Min.PWHT 累计

，确保材料在全寿命制造热处理过程中力学性能依然达标。

工程设计人员和审核工程师在实际工作中，建议将本文与 HG/T 20581-2020 原文对照使用，特别是在环境判定和化学限值等敏感环节，以原文为准。II 类环境的 S ≤ 0.003% 要求是极为严苛的冶炼门槛，应在项目初期即与钢板供应商充分沟通交货可行性和周期。

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