石油化工設(shè)備濕硫化氫腐蝕與防護

劉 健

（吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林吉林 132000）

石油化工設(shè)備濕硫化氫腐蝕與防護

劉 健

（吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林吉林 132000）

針對石油化工設(shè)備常見的濕硫化氫腐蝕現(xiàn)象，闡述了濕硫化氫腐蝕的特點，重點論述了濕硫化氫應(yīng)力腐蝕的機理、形成條件、選材原則及相應(yīng)防護措施。

石油化工設(shè)備；濕硫化氫；應(yīng)力腐蝕；防護

近年來，我國的原油進口中中東高硫原油比重明顯增加，加工這些高硫原油所造成的石油化工設(shè)備腐蝕問題日趨嚴(yán)重，由此導(dǎo)致的事故明顯增多，因此濕硫化氫所造成的腐蝕應(yīng)該引起足夠重視。濕硫化氫對石油化工設(shè)備不僅造成均勻腐蝕還導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕，均勻腐蝕時的腐蝕性強弱與其分壓力有關(guān)，均勻腐蝕易發(fā)現(xiàn)且不難控制，而濕硫化氫應(yīng)力腐蝕是較危險的一種腐蝕破壞形式。我國煉油和化工行業(yè)參照NACE MR0103[1]及國內(nèi)工程實際，形成了我國石油化工設(shè)備濕硫化氫應(yīng)力腐蝕環(huán)境下的選材及使用規(guī)范[2-3]。

1 腐蝕機理及特點

石油化工中的硫化氫來源主要有兩種途徑，一種是由原料含有的硫化物轉(zhuǎn)化得到，另一種是加工過程中介質(zhì)與新氫反應(yīng)而生成。游離水中含有硫化氫且具備下列條件之一，即可構(gòu)成濕硫化氫應(yīng)力腐蝕[2]：①硫化氫濃度＞50mg/L；②pH＜4；③HCN濃度＜20mg/L；④氣相中硫化氫分壓＞0.3kPa。同時濕硫化氫腐蝕發(fā)生的環(huán)境溫度一般小于200℃[5]。其反應(yīng)機理如下式子所示：

由上訴過程可見，硫化氫發(fā)生電離析出氫離子，氫離子奪鋼中的電子后生成氫原子，形成原電池。所生成的氫原子容聚集成為氫氣排出，然而由于介質(zhì)中的硫化氫等的存在，抑制了氫氣的生成，導(dǎo)致上式中電離得到的氫原子固溶在鋼材的晶格之中，這部分氫原子導(dǎo)致了鋼材的氫損傷及脆化，即濕硫化氫應(yīng)力腐蝕。濕硫化氫應(yīng)力腐蝕主要有以下4種形式：

1.1 氫鼓泡

腐蝕過程中析出的氫原子在鋼材雜質(zhì)、缺陷和不連續(xù)處聚集為氫分子，而在鋼材內(nèi)部形成的氫分子很難逸出，在晶格界面產(chǎn)生很大的膨脹力，最終在鋼材的表層形成鼓泡。

1.2 應(yīng)力腐蝕開裂

固溶于鋼材內(nèi)部的氫原子，增加了鋼材的脆性，在外部拉力或容器自身殘余應(yīng)力的作用下形成開裂。其開裂部位一般出現(xiàn)在焊縫及其熱影響區(qū)，即硬度較高處。這種現(xiàn)象稱為硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂，簡寫為SSCC。SSCC與鋼材本身化學(xué)成分及外部拉力和自身殘余應(yīng)力有關(guān)。

1.3 氫誘導(dǎo)開裂

彼此相鄰且位于不同層面的氫鼓泡裂紋在氫分壓的作用下相互連接，導(dǎo)致鋼材內(nèi)部出現(xiàn)階梯狀裂紋的現(xiàn)象稱為氫誘導(dǎo)開裂，簡寫為HIC。HIC僅與鋼材自身雜質(zhì)或不規(guī)則組織有關(guān)。

1.4 應(yīng)力向氫誘導(dǎo)開裂

在雜質(zhì)或缺陷處的小裂紋在應(yīng)力的作用下不斷沿著鋼板厚度方向疊加，最終導(dǎo)致貫穿開裂的現(xiàn)象稱為應(yīng)力向氫誘導(dǎo)開裂，簡寫為SOHIC。多發(fā)生在應(yīng)力集中或焊縫熱影響區(qū)，與鋼材中的雜質(zhì)和外部拉力有關(guān)。

2 濕硫化氫應(yīng)力腐蝕的控制措施

首先，殼體鋼材應(yīng)力腐蝕開裂的傾向隨著濕硫化氫含量的增加而增大，所以可以從根源上嚴(yán)格控制介質(zhì)中濕硫化氫的濃度。即將硫化氫濃度控制在構(gòu)成濕硫化氫腐蝕的條件一以下。其次，濕硫化氫電離出H+濃度隨著pH值的降低而增大，應(yīng)力腐蝕的速度增加。即控制濕硫化氫應(yīng)力腐蝕形成的條件二。再次，應(yīng)力腐蝕開裂和氫誘導(dǎo)開裂的敏感性隨著鋼材硬度值的增高而增大，為消除焊接過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，可對容器進行整體熱處理，并將焊接接頭的硬度控制在200HB以下。最后，容器自身的材質(zhì)對濕硫化氫應(yīng)力腐蝕也存在重要影響，主要表現(xiàn)為材料的強度和硬度、Mn和雜質(zhì)S的含量。強度越高的材料對應(yīng)力腐蝕的敏感性就越高，所以選用材料屈服強度≤355MPa、抗拉強度≤630MPa的材質(zhì)。Mn元素的含量對HIC存在較大影響，碳鋼對HIC的敏感性隨著Mn含量的增加而增大，一般將Mn含量控制在1.3%以下。而S元素的含量對上述集中應(yīng)力腐蝕都較為敏感，II類濕硫化氫腐蝕中，一般將S含量控制在0.002%范圍內(nèi)。因此，常規(guī)的Q345R鋼板不適宜用于濕硫化氫腐蝕環(huán)境中。但因Q345R的強度較高，當(dāng)壓力稍高容器壁厚通常由強度控制，為不使容器厚度多大造成加工困難，在濕硫化氫應(yīng)力腐蝕的環(huán)境下，通常選用Mn含量符合要求的Q345R板材，即Q345R抗氫鋼。當(dāng)濕硫化氫的濃度較高時，采用不銹鋼復(fù)合層較為安全、經(jīng)濟。

3 結(jié)束語

綜上所述，導(dǎo)致濕硫化氫環(huán)境下的設(shè)備失效原因有很多，但都與材料自身的雜質(zhì)含量、交貨狀態(tài)、加工過程密不可分。所以在材料的選擇上有以下注意事項：①碳鋼必須為鎮(zhèn)靜鋼；②板材的交貨狀態(tài)至少為正火；③厚度≤38mm碳鋼及碳錳中的碳當(dāng)量應(yīng)小于0.43%；④消除應(yīng)力熱處理后不得再設(shè)備本體上動火；④對于厚度大于12mm的板材應(yīng)進行超聲檢查，II級合格。

[1] HG/T 20581-2011，鋼制化工容器材料選用規(guī)定[S].

[2] SH/T 3096-2012，高硫原油加工裝置設(shè)備和管道設(shè)計選材導(dǎo)則[S].

[3] SH/T 3075-2009，石油化工鋼制壓力容器材料選用規(guī)范[S].

Chemical and Chemical Equipment Wet Hydrogen Sulfide Corrosion and Protection

Liu Jian

In view of the common phenomenon of wet hydrogen sulfide corrosion in petrochemical equipment，the characteristics of wet hydrogen sulfide corrosion are expounded.The mechanism，formation conditions，selection principle and corresponding protective measures of stress corrosion of wet hydrogen sulfide are discussed emphatically.

petrochemical equipment；wet hydrogen sulfide；stress corrosion；protection

TE986

B

1003–6490（2017）10–0085–01

2017–07–05

劉健（199—），男，遼寧撫順人，助教，主要研究方向為過程裝備技術(shù)。