液化石油气(Liquefied Petroleum Gas，简称LPG)一般通过降温或加压的方式储存在容积大和结构简单的球罐内。然而，由于脱硫不彻底或是从石油炼制单元中意外逃逸到贮存系统中的H2S，都有可能使得LPG中含有超过标准量的H，S，H2S很容易溶解于沉积在球罐内壁的薄层水膜中，形成腐蚀性较强的湿H2S环境。在这种介质条件下，用于建造LPG球罐的低合金钢都有发生环境开裂的可能性。根据裂纹形貌和开裂特征，一般将钢在湿H2S环境下开裂主要分为氢诱导开裂(Hydrogen-Induced Cracking，简称HIC)和硫化物应力腐蚀开裂(SulfideStress Corrosion Cracking，简称SSCC)两大类。近十年来，随着大量中东高含硫原油在中国的炼制，这种与湿H2S相关的环境开裂问题又被引发，成为LPG球罐发生早期失效的主要原因。　　 大量研究表明，HIC主要发生在中低强度钢母材部位，受外加应力的影响比较小；SSCC主要出现在高强度和/或高硬度钢焊接接头的热影响区，残存的较高焊接残余应力对SSCC的发生起着非常重要的作用。实际上，无论发生SSCC还是HIC，都与金属材料在湿H2S环境中发生电化学腐蚀所产生的氢有关，腐蚀反应的速度越大，析出的氢量越多，扩散渗入钢中的氢量亦越多，球罐发生开裂的危险性也越大。　　 本文以国内较常使用的16MnR钢和SPV50Q球罐钢为研究对象，针对LPG球罐服役过程中所发生的H2S腐蚀开裂现象，利用电化学分析技术、氢渗透测试、慢应变速率拉伸试验(Slow Strain Rate Testing，简称SSRT)以及有限元计算模拟，对16MnR和SPV50Q钢及其焊接接头的电化学腐蚀特性、氢扩散渗透性能和扩散规律以及力.环境交互作用的断裂行为进行系统研究。　　 本论文主要研究内容及结论如下：　　 通过动电位扫描技术和交流阻抗技术对16MnR和SPV50Q钢及其焊接接头在含H2S的5wt.％NaCl-0.5wt.％HAc溶液中的电化学腐蚀特性进行了研究，考虑了H2S含量、pH值和温度对腐蚀速度以及浸泡时间对沉积在钢表面硫化物腐蚀产物的影响，并对腐蚀产物膜的形貌和组成分别进行扫描电镜观察和能谱分析。结果表明，尽管介质中H2S含量比较小，但H2S的存在对16MnR和SPV50Q钢的腐蚀过程具有明显的加速作用，腐蚀速度随H2S含量的增加而不断增大；pH值大小对钢的腐蚀同样具有较大影响，随pH值降低，腐蚀速度呈较大幅度地增长，这是腐蚀形成的硫化物在溶液中具有较强的溶解性以及较大阴极析氢反应的综合结果；温度升高也加速钢的腐蚀；沉积在钢表面的硫化物腐蚀产物膜在pH值较低溶液中，具有较强的溶解性，在pH值较高的溶液中，硫化物与基体的结合力较差，都不能对钢遭受进一步的腐蚀提供有效保护。在相同的试验条件下，从焊接接头处切取的具有不同组织结构的母材金属(Base metal，简称BM)、热影响区(Heat-Affected Zone，简称HAZ)金属以及焊缝金属(Weld Metal，简称WM)间具有一定的腐蚀差异性，对16MnR钢焊接接头，BM的腐蚀速度最大，HAZ的次之，WM的最小，而对SPV50Q钢焊接接头而言，其腐蚀速度则以BM、HAZ、、WM的顺序递增。　　 使用电化学充氢渗透试验法，对16MnR和SPV50Q钢及其焊接接头的氢扩散行为进行研究，考虑了H2S含量、pH值、外加电流、溶液温度以及渗透试样厚度对氢穿透时间、最大氢渗透电流密度、稳态氢渗透电流密度以及渗透速率等的影响。结果表明，试样充氢面由于腐蚀反应或在外加阴极电流下产生的氢原子数越多，氢浓度梯度越大，氢穿透试样厚度所需时间越短，最大和稳态氢渗透电流密度也越大；厚度的影响主要体现在氢扩散渗透过程中所遭遇到的氢“陷阱”数量增多，使得更多的氢被“俘获”；温度升高促进腐蚀反应的进行，产生更多氢，使得氢扩散变得更加容易。在相同的充氢条件下，16MnR钢焊接接头BM的氢扩散系数最小，这与钢基体所具有的带状珠光体与基体界面及非金属夹杂物MnS与基体界面等强氢“陷阱”有关，WM组织结构的晶界面较宽，为氢的扩散提供了快速通道，导致了氢的快速扩散渗透，故具有最高的扩散系数；HAZ金属正火区的细晶组织及过热区的粗大魏氏体组织对氢扩散的阻碍作用，使得氢在其内的扩散速度介于母材和焊缝金属之间。同样地，对于SPV50Q钢焊接接头，BM的氢扩散系数也最小，这与板条状马氏体结构中所具有的大量位错对氢的较强“俘获”能力有关；WM具有的宽大晶界，使得氢较容易扩散，具有最大的扩散系数；HAZ的扩散系数也介于BM和HAZ之间。　　 利用有限元软件ABAQUS，开发了焊接接头氢扩散的耦合三维有限元计算程序，将焊接残余应力和氢扩散过程耦合起来，考虑焊接残余应力、不同组织对氢扩散的影响以及氢浓度随时间的分布规律。结果表明，不考虑焊接残余应力时，具有最大氢扩散系数的WM内聚积的氢浓度最高；当存在焊接残余应力时，具有较高焊接残余应力的HAZ内聚积的氢浓度则最高；BM由于距离焊缝区较远，其氢扩散不受到应力的影响，证实了焊接残余应力对氢的扩散具有明显的诱导作用，将促使氢向焊接接头的高应力区扩散，这和工程结果相一致。　　 通过慢应变速率拉伸试验，研究了H2S含量或pH值大小对16MnR和SPV50Q钢焊接接头在5wt.％NaCl-0.5wt.％HAc溶液中的环境断裂行为，并对断口的显微特征及其附近裂纹形貌进行扫描电镜和光学显微镜观察。结果表明，两类钢焊接接头的环境断裂敏感性都随H2S含量的增加或pH值的降低而不断增强，拉伸面上的裂纹亦随之加深；在力-腐蚀的交互作用下，16MnR钢试样的断裂都发生在具有较大腐蚀速度的母材部位，而SPV50Q钢试样则断裂在热影响区，表明SPV50Q钢焊接接头应力腐蚀开裂敏感性比16MnR钢焊接接头更大。　　 基于出现裂纹的高强钢LPG球罐再制造的需要，对多次热处理SPV50Q钢焊接接头的综合性能进行评估。结果表明，多次热处理不会对材料力学性能和耐全面腐蚀性能造成明显影响，也不会恶化材料的环境断裂行为，相反还具有一定的改善作用。