某工程含H<sub>2</sub>S介质压力容器材料选择探讨

某工程含H₂S介质压力容器材料选择探讨

2020-12-28王龙姜力员天赵钢

中国化工贸易·下旬刊 2020年6期

王龙姜力员天赵钢

摘要：介质中含有H2S时，在一定条件下，会形成湿H2S环境，使压力容器出现腐蚀开裂情况，易造成容器失效，并可能引发爆炸、中毒等事故。故对于介质含有H2S的压力容器，根据情况合理选材是腐蚀防护重要的一环。本文结合某项目对含H2S介质压力容器的材料选择进行探讨。

关键词：H2S;压力容器;材料;选择

硫化氢（H2S）是油气田工艺介质中常见的成分，在一定条件下，会形成湿H2S环境，易引发压力容器的腐蚀开裂，造成容器失效，并可能引发爆炸、中毒等事故，对人员和公众健康以及环境带来危害，并造成巨大财产损失。因此，湿H2S腐蚀是油气田生产过程中的重要问题。

金属在湿H2S环境下腐蚀的电化学原理如图1所示：

金属在湿H2S环境下产生腐蚀的反应过程可表示如下：

从反应过程可知，硫化氢在水溶液中离解出的氢离子，从钢的表面得到电子后还原成氢原子。氢原子之间有较大的亲和力，易结合形成氢分子排出。然而，介质中的硫化物、氰化物等消弱这种亲和力，部分抑制了氢分子的形成，这样一来，原子半径极小的氢原子就很容易渗入钢的内部并溶入晶格中。固溶于晶格中的氢有很强的游离性，在一定条件下将导致材料的脆化和氢损伤。因此，湿H2S环境除了可以造成过程设备的均匀腐蚀外，更重要的是引起一系列与钢材渗氢有关的腐蚀开裂。

压力容器钢板所用钢材一般是碳钢、低合金钢及不锈钢，而湿H2S腐蚀环境中，对压力容器所用材料的要求更高，相应制造、检验、验收的方法亦不相同，导致容器制造的周期和费用大大提高。因此，当介质中含有H2S时，压力容器的选材非常重要。现根据介质含有H2S的某工程实例，探讨该工程压力容器所用钢板的材料选择。

某工程的一台卧式压力容器，外形结构φ1400×5600，设计压力0.4MPa，设计温度60℃，介质为凝析油、采出水以及含H2S260mg/m3的天然气，pH值为6.1。

湿H2S腐蚀环境对压力容器的选材至关重要，故首先因根据设计条件，判断是否为湿H2S腐蚀环境。根据《钢制化工容器材料选用规定》HG/T20581-2011中的规定，当化工容器接触的介质同时符合下列各项条件时，即为湿H2S腐蚀环境：

①温度小于或等于（60+2p）℃，p为压力，MPa（表压）;

②H2S分压大于或等于0.00035MPa，即相当于常温在水中的H2S溶解度大于或者等于7.7mg/L;

③介质中含有液相水或处于水的露点温度以下;

④pH<7或有氰化物（HCN）存在。

根据本容器的设计条件：介质设计温度为60℃、含有液相水、pH值为6.1，可知符合条件①、③和④，若H2S分压也大于或等于0.00035MPa，则本容器介质为湿H2S腐蚀环境。接下来根据容器设计压力以及H2S含量，计算H2S分压。本容器H2S含量260mg/m3，H2S的摩尔质量为34g/mol，設计压力0.4MPa，根据道尔顿分压定律：

Pi=P总*ni/n总

1m3天然气中H2S物质的量：

nH2S=m/M=260mg/34*103mg/mol=7.647*10-3mol

1m3天然气物质的量：

n总=V/Vm=1*103L/22.4L/mol=44.643mol

硫化氢的摩尔分数：

nH2S/n总=7.647*10-3mol/44.643mol=0.0001713

硫化氢分压：

PH2S=P总*nH2S/n总=0.4MPa*0.0001713=0.000285MPa

由此可见，本容器的H2S分压为0.000285MPa，小于0.00035MPa，不属于湿H2S腐蚀环境。根据《天然气地面设施抗硫化物应力开裂和应力腐蚀开裂金属材料》SY/T0599-2011，碳钢或低合金钢发生SSC的酸性环境的严重程度的区域如图2所示。

本容器介质酸性环境的严重程度为0区，在0区使用的钢材可不采用抗SSC的碳钢或低合金钢，结合《钢制化工容器材料选用规定》HG/T20581-2011以及工程实践经验，本容器钢板使用Q245R。

参考文献：