濕硫化氫環境中石油化工設備的腐蝕與防護

李鑫波(廣東石油化工學院，廣東 茂名 525000)

0 引言

隨著中國國民經濟的快速發展，各領域對石油資源的需求量呈直線上升趨勢，因此石油產業的良好發展直接影響著我國經濟及石化下游產業結構的健康發展。為此，針對石油化工產業中出現的問題需要高度重視，提出有效的解決方案。在石油化工產業中，大量生產環節存在無法避免有硫化氫產生的特殊環境，如若石油化工設備長期處于該種環境中，將會出現嚴重的腐蝕問題，不僅會影響工作效率，還會加大設備維修方面的成本支出。基于此，相關單位與技術人員應針對濕硫化氫環境下石油化工設備的腐蝕現狀進行深入探究，提出有針對性的防護手段，從而保證石油化工企業生產設備安全穩定運行。

1 濕硫化氫對石油化工設備造成腐蝕

以某石油化工企業為例，該企業在生產過程中會存在含量非常高的硫元素。調查發現該企業生產使用的原油中含有較高的硫元素，硫元素的存在會給石油化工設備帶來影響。一般情況下原油都會經過脫硫處理，但即使接受脫硫處理后的原油在后續生產過程中依舊會有硫元素，進而生成硫化氫，給生產設備造成腐蝕。研究表明，石油化工產業設備中存在的硫化氫成分是導致設備腐蝕問題出現的主要原因[1]。

2 濕硫化氫腐蝕原理分析

在濕硫化氫環境中，石化生產設備的腐蝕分為4類，即氫鼓包(HB)、氫致開裂(HIC)、硫化氫應力腐蝕開裂(SSCC)和應力導向氫致開裂(SOHIC)，不同腐蝕情況的腐蝕機理存在一定差異[2]。

氫鼓包問題產生的主要原理在于氫氣，石油化工設備在遭受硫化物腐蝕后氫原子會在二者反應中被分解出來，然后與鋼材相互作用產生氫氣，而氫氣具有一定的膨脹力，當膨脹力積聚到一定程度后就會導致石油化工設備內壁上出現氫鼓包，隨之產生裂紋。氫鼓包產生的裂紋至今尚未有有效的技術對其進行完美恢復，因此要想保證石油化工設備不受到氫鼓包問題困擾，需要做好氫鼓包問題防護工作。

氫致開裂問題則是在氫鼓包問題上的進一步惡化。在石油化工設備已發生氫鼓包問題后，如若不及時處理將會導致該問題逐漸惡化，導致因氫鼓包產生的裂紋隨之加重，并逐漸惡化成更為嚴重的裂縫，最終出現氫致開裂問題。在石油化工設備上氫致開裂問題主要存在設備表面或平行位置上，且四周還會出現帶狀組織，進一步加重氫致開裂問題的嚴重程度。

硫化氫應力腐蝕開裂問題出現的主要原因在于氫材料被脆化。石油化工設備長期處于濕硫化氫環境下會提高氫原子與設備材料的反應活力，且氫原子可以在晶格中直接溶解，從而導致氫材料被脆化，進而致使石油化工設備在外力作用下出現開裂。根據出現硫化氫應力腐蝕開裂問題的石油化工設備整體結構檢查發現，該問題主要會發生在設備的焊接處，為此技術人員應加大對設備焊接處腐蝕問題防護。

應力導向氫致開裂問題的產生相較于其他腐蝕問題而言，主要與外界應力相關，如若石油化工設備受到外界力作用，則會導致該應力位置聚集的氫原子出現裂紋，且該類裂紋會逐漸連接形成一片，對設備整體結構與性能造成嚴重影響。根據出現應力導向氫致開裂問題的石油化工設備整體結構檢查發現，該問題主要會發生在設備的焊接處，或已經發生腐蝕問題的部位，為此技術人員應加大對設備焊接處與已腐蝕位置腐蝕問題防護[3]。

石油化工設備在濕硫化氫環境中的腐蝕反應公式為：

3 濕硫化氫環境下石化設備腐蝕的影響因素

3.1 氰化物堿性作用因素

根據濕硫化氫環境下石油化工設備腐蝕的原理與原因分析，當石油化工設備介質內含有硫元素時就有一定程度發生腐蝕問題的概率，且硫元素含量越高腐蝕問題發生率越高，同時腐蝕程度越嚴重，給石油化工設備帶來的危害越大。

根據催化裂化反應條件總結發現，石油化工產業生產中所采用的原油中存在硫化合物與氮化物，硫化合物將直接構成H2S，氮化物則生成HCN，其中HCN對于處于濕硫化氫環境中的石油化工設備腐蝕問題而言，具有突出的促進作用。與此同時，結合氰化物分析發現，其在堿性的H2S+H2O溶液中具有以下作用，一方面氰化物能溶解石油化工設備的硫化鐵保護膜，在對保護膜溶解后，處于濕硫化氫環境中的石油化工設備將失去對硫化氫腐蝕的抵御能力，從而導致石油化工設備腐蝕問題發生，且腐蝕開始向金屬表面發展。另一方面，堿性的H2S+H2O溶液中含有一定量的緩蝕劑，能夠減緩石油化工設備在濕硫化氫環境中受到的腐蝕程度，從而對設備起到一定的保護作用，但氰化物能夠溶解H2S+H2O溶液中的緩蝕劑，導致石油化工設備在濕硫化氫環境中喪失掉一層保護作用，進而導致并加重腐蝕問題。此外，鋼材是石油化工設備的主要材料，設備對鋼材的硬度有一定要求，而鋼的硬度則與S、Ni、H元素質量息息相關，且是正向關系，但該類元素又很容易被硫化氫的應力腐蝕，從而促使石油化工設備部分位置的脆度提高，進而導致設備易受到外力損壞與腐蝕。

但需要注意的是，硫化氫對石油化工設備的腐蝕需要有一定的先決條件，即溫度，當溫度到達一定標準時，硫化氫給會加重設備腐蝕程度，而低于標準溫度時硫化氫帶來的腐蝕問題會得到緩解，根據有關資料調查發現，硫化氫最敏感的溫度為20℃，因此技術人員要想預防硫化氫給石油化工設備帶來的腐蝕危害，可以從溫度為切入點入手開展探究[4]。

3.2 pH值因素

結合相關經驗與大量文獻資料調查發現pH 值是濕硫化氫環境下石油化工設備腐蝕的主要影響因素，當pH 值處于中性或越來越接近中性時，鋼內氫溶解量會越低，會有效緩解石油化工設備在濕硫化氫環境中的腐蝕程度。與此同時，當pH值處于較高狀態時硫化氫應力腐蝕的敏感性會下降，當pH值處于較低狀態時硫化氫應力腐蝕的敏感性則會提高，而氨離子則會對pH值產生一定影響，多數情況下會導致pH值上升[5]。

3.3 溫度因素

石油化工設備在濕硫化氫環境中受到的腐蝕程度與環境中的實際溫度息息相關，且從影響來看溫度給設備帶來的影響較為復雜。由于石油化工設備的主要材料為鋼材，而鋼材處于穩定環境中時，鋼材在H2S水溶液中的腐蝕速度與溫度呈正比，即溫度越高鋼材在H2S水溶液中的腐蝕速度就越快，反之則相對較慢。但如若鋼材處于10%的H2S水溶液中，其腐蝕速度也存在差異，如通過實驗表明，在10%的H2S水溶液中，溫度從55 ℃升溫至84 ℃時，鋼材的腐蝕速度隨著溫度增加而不斷加快，在此期間鋼材的腐蝕速度大約增加了20%，但隨著實驗繼續，不斷繼續提升10%的H2S水溶液溫度，會發現在此期間鋼材的腐蝕速度明顯開始下滑，且隨著溫度越來越高，腐蝕速度就會越來越慢，直至溫度增加至110 ℃以上時，鋼材的腐蝕速度出現停滯。通過實驗結果分析來看，石油化工設備在H2S水溶液中的腐蝕速度與溶液的溫度呈正比，但當溫度保持在110 ℃以上，200 ℃以下時，石油化工設備的腐蝕速度與程度最小。

3.4 暴露時間

在一般環境下，石油化工設備在濕硫化氫環境中的腐蝕速度與暴露時間具有直接關系，暴露時間越長石油化工設備的腐蝕速度會越慢，二者呈負向關系。通過實驗表明，將石油化工設備放置于濕硫化氫環境中時，最開始的腐蝕速度較快，可以到達0.7 mm/a，但隨著設備在濕硫化氫環境中暴露的時間增加，設備的腐蝕速度開始出現下滑，當暴露時間到達2 000 h及以上時，設備的腐蝕速度已經由0.7 mm/a下降至0.1 mm/a。出現這一現象的主要原因在于石油化工設備的碳鋼與低合金鋼在濕硫化氫環境中會產生大量的腐蝕物，而這類腐蝕物會聚集在設備表層，在一定程度上能夠對設備起到保護膜的作用。但這類物質對設備也具有一定的破壞性。

4 石化設備在濕硫化氫環境中腐蝕防護措施

4.1 優化石油化工設備制作與安裝工藝

首先，在開展石油化工設備焊接時應做好腐蝕防護工作。根據石油化工設備在濕硫化氫環境中腐蝕問題發生原因與位置分析發現，焊接處是腐蝕問題的多發地，因此做好焊接位置防腐蝕工作，能夠有效降低腐蝕問題給石油化工設備帶來的惡劣影響。基于此，技術人員在進行焊接作業時應采取3項措施，一是應降低焊接管的合金含量；二是完善焊接后解熱處理工作，避免出現殘余應力；三是基于焊縫硬度需求，應根據實際情況將焊縫硬度控制在HB200 N/mm2范圍內[6]。

其次，應完善焊接作業工藝。具體內容包括檢查焊接作業人員是否具有相關資質；焊接作業人員是否接受崗前培訓，并已獲取結業證書；焊接作業員是否配備專業操作設施；焊接設備功能是否正常；助焊劑、原料是否已就位；焊接設備電流是否調控完畢；焊接原材料質量是否符合標準；焊接作業人員操作是否規范，是否具有安全隱患；焊接設備電流參數是否標準；結構是否已全部被焊接；焊接位置是否存在夾渣問題、氣孔問題、咬邊問題；焊接位置是否存在縫隙；外觀是否存在破損，形狀是否受到擠壓變形等。

4.2 合理選擇設備材料

石油化工產業涉及到的設備種類眾多，每一種石油化工設備所適用的環境也不盡相同，即使同處于濕硫化氫環境中，也應根據不同的硫化氫濃度選擇最適宜的石油化工設備材料，其中石油化工設備外殼材料的選擇尤為重要。根據相關經驗汲取與實際情況調查發現，在石油化工設備外殼材料選擇應用時應以50 mg/L硫化氫濃度為標準，在硫化氫濃度大于50 mg/L時應選擇碳錳鋼或碳鋼+0Cr13 復合鋼板來作為石油化工設備外殼的主要材料，因為碳錳鋼或碳鋼+0Cr13 復合鋼板的抗腐蝕性能較高，不僅可以滿足濃度為50 mg/L以上的硫化氫環境對石油化工設備的切實需求，還能夠保證設備在20 mg/L濃度以上的氰化物環境中作業。與此同時，為進一步強化石油化工設備在濕硫化氫環境中的抗腐蝕能力，還應在設備內部采用碳錳鋼或碳鋼+0Cr13 復合鋼板。此外，針對硫化氫濃度小于50 mg/L時，可以選用碳錳鋼或者碳鋼材來作為石油化工設備外殼的主要材料，但需要注意的是，在碳錳鋼或者碳鋼材選擇時還應檢查其抗拉強度，所應用材料的抗拉強度必須在414 MPa范圍內[7]。

此外，石油化工設備外殼多為鋼制材料，而鋼制材料中的錳元素、磷元素、硫元素如若含量與標準值不符，不僅會影響鋼材的強度，還會加重石油化工設備在濕硫化氫環境中的腐蝕程度。基于此，在選擇石油化工設備材料時，還應控制鋼材的錳元素、磷元素、硫元素含量。

4.3 加強腐蝕控制力度

加強腐蝕控制力度，提高石油化工設備的防腐蝕性能是現階段石油化工企業主要探究方向。為切實強化石油化工設備的腐蝕控制水平，可以從以下幾個角度入手：一是在進行石油化工設備結構設計時需要質地均勻，以此降低設備表面腐蝕問題發生率；二是應設置防腐涂層，針對硫化氫與氰化物特性，合理選擇能夠有效預防被硫化氫與氰化物溶解的防腐材料，將其涂抹至易發生腐蝕問題的部位上，在石油化工設備與硫化氫、氰化物之間形成隔離層，避免二者直接接觸，在此過程中還需要注意的是，在考慮防腐材料不會輕易被硫化氫與氰化物溶解的同時，還應側重防腐材料的穩定性，選取不會與設備本身材料與介質發生反應的物質。此外，在采購該類防腐涂料時應堅持質量原則，購買質量合格產品。

4.4 應用質量流量計

在油田開采過程中，由于石油資源貯存在地下深處，在長期儲存中會有地下水、固體顆粒等物質混入到石油資源中，因此在石油開采出來后，為確保石油純度以及后續應用，需要對初采出來的石油資源(原油)進行專業技術處理。原油經過破乳處理后油水層逐漸明顯且含水量波動加劇，在此現狀下會出現硫化氫與水反應現象，從而加劇濕硫化氫環境中的硫元素含量，進而加重石油化工設備在濕硫化氫環境中被腐蝕問題。根據這一現狀，可以提前對原油應用質量流量計，傳統人工檢尺與容積式流量計已無法測定出較為精準的數據，要想繼續應用該類技術開展原油含水量的測定，則需安裝射頻含水分析儀器，但該設備在市場的售價十分昂貴。質量流量計相較于傳統計量方式而言，功能系統更加完善，抗干擾能力非常強，即使原油中涵蓋多種液體、固體等混合物，其也能精準地開展原油含水測定，并出具精準可靠的計量結果。技術人員可以根據測量結果進行原油后續處理，從而降低濕硫化氫環境中的硫元素含量。

4.5 提高技術人員防腐蝕意識

當石油化工設備在濕硫化氫環境中出現腐蝕問題時，如若第一時間發現該問題，并采取有效手段，則可以將腐蝕問題帶來的影響控制在最小范圍內，避免腐蝕問題惡化。這就需要提高技術人員防腐蝕意識，提高對石油化工設備的重視程度。基于此，技術人員應對石油化工設備的相關數據進行整理，并作出有效分析，對實踐經驗進行總結，不斷加強知識儲備豐富專業技能，從而提高自身實力，進而真正做到防患于未然。只有秉承著防患于未然的工作理念，才能保障石化機械設備減少腐蝕故障，出現腐蝕后也可以快速有效地進行解決，從而為石油化工生產提供保障。此外石油化工企業還應制訂系統的防腐蝕工作機制，對技術人員應開展與落實的工作內容進行明確，并要求其嚴格實施，從而對技術人員工作行為、工作態度進行有效約束，提高技術人員防腐蝕意識[8]。

4.6 完善設備檢修工作

石油化工設備受到腐蝕會直接加大設備故障發生率，進而帶來一系列不利影響，其中因設備故障造成的停工停產將會導致石油化工企業產生較大的經濟損失，因此對石油化工設備進行定期維修保養是技術人員主要工作內容，能夠及時掌握石油化工設備在濕硫化氫環境中受到的腐蝕程度，有效規避經濟損失發生。

與此同時，由于石油化工設備是石油化工企業生產過程中的主要設備，如若設備遭受嚴重腐蝕，致使設備無法運行，則會對整個生產線帶來不良影響，甚至停工停產。因此，技術人員在石油化工設備管理過程中，需要時刻關注石油化工設備運行狀況并且防患于未然，對石油化工設備可能出現腐蝕問題與相應解決措施牢記于心，當腐蝕問題突發時可以立刻采取有效措施。首先，要做好日常腐蝕問題排查工作，每天多次對石油化工設備進行巡查和維護，檢查設備是否存在腐蝕隱患，并且需要對日常巡查和維護數據進行記錄和統計；其次，應加強對防腐蝕技術的學習與應用，石油化工企業應定期組織技術人員進行先進的防腐蝕技術培訓，并逐漸加強培訓力度，從而提升石油化工設備腐蝕防護水平。

4.7 使用過程中的防腐措施

石油化工企業在生產過程中石油化工設備是最重要的設備之一，而濕硫化氫環境也是無可避免會出現的一種環境，為此要想最大程度保護石油化工設備不被腐蝕，就要在設備運行過程中做好防腐的保護措施。首先，石油化工設備操作人員應熟練掌握正確的設備操作方法，確保設備使用規范；其次，技術人員應不斷豐富自身知識體系，強化設備養護技能，在防腐工作中開展有效的專項工作，例如緩蝕劑、加堿、指標測定等，以此隨時掌握石油化工設備的整體性能情況；最后技術人員需要優化與完善石油化工設備高腐蝕高危部位的防腐保養工作，進而保障設備使用的安全性。

5 結語

綜上所述，石化生產中不可避免地會產生濕硫化氫環境，應做好石油化工設備在濕硫化氫環境中的防腐蝕工作顯得尤為重要。通過優化石油化工設備制作與安裝工藝、合理選擇材料、加強腐蝕控制力度、應用質量流量計、提高技術人員防腐蝕意識、完善設備檢修工作等措施可以有效預防和控制石油化工設備腐蝕問題發生，進而有效提高石油化工設備的整體使用性能，從而保障石化生產的工作效率，保障石油化工企業健康可持續發展。