探讨石油化工设备在湿硫化氢环境中的腐蚀与防护处理

关远华

(广东省龙门县应急管理局,广东 惠州 516800)

随着时代的发展,我国的石油化工产业得到了快速的发展。石油化工领域的生产过程中经常会应用不同的设备,但其应用环境大多较为特殊,湿硫化氢环境下,设备容易出现腐蚀问题[1]。如果未予以及时的养护或者维修,极易导致设备使用性能和安全性的下降,影响正常的生产活动。为此,实际生产中,还需要重视设备的湿硫化氢腐蚀问题,并积极做好相应的预防措施[2]。

碳钢具有优异的力学性能、加工性能和价格优势,因此目前,在石油化工行业中,所应用的多种设备均为碳钢材质。例如,各种炼化装置多为碳钢材质。但是,在实际应用过程中,很多碳钢炼化装置会出现湿硫化氢腐蚀问题,进而对设备的正常应用造成一定的不良影响[3]。在本次研究中,选择设计一定的模拟试验,分析碳钢在湿硫化氢环境下的腐蚀情况,为设备湿硫化氢环境下的腐蚀预防提供一定的参考依据[4]。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验以XX石油化工企业的某输油站区为实验地点,对该输油战区原油储罐的罐底水进行采集,应用氢氧化钠、乙酸对液体的pH值进行采集,采用质量损失法开展湿硫化氢腐蚀模拟试验[5]。并以某型号钢材作为材料,本次实验选择使用的材料为20号钢,对材料进行加工处理,获得实验试样,大小为50 mm×30 mm×2 mm。硫化氢是石油和天然气中最具腐蚀作用的有害介质之一,湿硫化氢环境极易导致多种材质或者设备发生腐蚀,危害较大,依据游离态硫化氢水中不同pH值大小以及游离态硫化氢水中的浓度,可以对湿硫化氢环境危害程度进行评定,评估标准如表1所示。

表1 湿硫化氢环境危害程度确定标准

石油化工领域,在日常各类生产活动的开展过程中,涉及到的环境条件十分复杂。为满足生产活动开展的需求,在应用各种设备的时候,经常需要再湿硫化氢环境条件下使用。这一背景下,这些设备极易发生腐蚀。相应的腐蚀情况往往十分复杂,涉及到多种不同的类型,包括氢鼓泡以及硫化物应力腐蚀开裂等等,常见的腐蚀形式示意图如图1所示。例如,在天然气输送过程中,管材在含硫化氢等酸性环境中,因腐蚀产生的氢侵入钢内而产生的裂纹称为氢致开裂(HIC)。

图1 常见湿硫化氢腐蚀形式

1.2 实验方法

利用不同目数的砂纸对实验试样进行依次打磨,打磨至800目。打磨结束后对实验试样进行清洗,干燥后称取质量大小,并将其置于腐蚀溶液中[6]。将不同质量分数的硫化氢气体通入到腐蚀溶液中,使气、液相中硫化氢达到平衡,实验时间为7 d。为观察缓蚀剂对腐蚀情况的影响效果,在实验溶液中添加一定的缓蚀剂进行腐蚀实验。实验结束后,应用X射线衍射法对腐蚀产物的成分进行分析。对试样进行清洗,称取质量大小,观察不同pH值下湿硫化氢腐蚀速率的变化情况、不同硫化氢含量下湿硫化氢腐蚀速率的变化情况,以及添加缓蚀剂对湿硫化氢腐蚀速率的影响效果[7]。

2 结果与讨论

2.1 不同pH值下湿硫化氢腐蚀速率的变化情况

通过实验发现,pH值与碳钢湿硫化氢腐蚀之间存在一定的关系,对腐蚀的进展具有促进作用。总体来看,随着pH值的不断增加,碳钢湿硫化氢腐蚀速率随之提升。在pH值达到8左右后,腐蚀速率达到最大值。随着pH值的不断增加,腐蚀速率会呈现出不断下降的变化趋势,结果如图2所示。

图2 不同pH值下湿硫化氢腐蚀速率的变化情况

溶液pH值与水中硫类型和分布密切相关,不同的硫与铁反应后生成不同的硫铁化合物。如果溶液整体呈中性,其中的主要成分为HS-。如果溶液整体呈碱性,其中的成分以S2-为主,并生成一层致密腐蚀产物膜,其中的主要成分为FeS。该产物膜可以发挥出一定的保护作用,达到减缓腐蚀的效果。在溶液整体呈酸性的时候,以硫化氢为主,最终生成的腐蚀产物中,以含硫量不足的Fe9S8为主。另外,从影响因素角度进行分析,FeS保护膜的稳定性会受到多种因素的影响。其中。溶液是pH值大小便是一个十分常见的影响因素。在一定的条件下,如果溶液的pH值偏下,溶液的整体酸碱性会呈现出偏酸性的情况。则溶液会影响到FeS保护膜,导致其发生溶解,最终引起大量Fe2+的出现,促进腐蚀速率的提升[8-10]。

2.2 不同硫化氢含量下湿硫化氢腐蚀速率的变化情况

通过实验发现,硫化氢含量与碳钢湿硫化氢腐蚀之间存在一定的关系,对腐蚀的进展具有促进作用。总体来看,随着硫化氢含量的不断增加,碳钢湿硫化氢腐蚀速率随之提升。在硫化氢质量浓度达到20 mg/L左右后,腐蚀速率达到最大值。随着硫化氢含量的增加,腐蚀速率会呈现出不断下降的变化趋势,结果如图3所示。

图3 不同硫化氢含量下湿硫化氢腐蚀速率的变化情况

硫化氢在与铁发生反应之后,会生成FeS保护膜,该保护膜具有致密特点,可以阻断金属基体与硫化氢之间的接触,达到减缓氢原子向金属基体发生扩散的效果。

2.3 添加缓蚀剂对湿硫化氢腐蚀速率的影响效果

通过对本组实验结果进行观察发现,在试验溶液中添加适量缓蚀剂之后,湿硫化氢腐蚀速率明显下降,与未添加缓蚀剂时的腐蚀速率进行比较,明显较低,结果如图4所示。同时,通过对试样的外观情况进行观察也可以发现,经观察在其表面不存在明显的腐蚀情况,无氢鼓泡等情况。这一情况表明,试样所受到的腐蚀严重程度显著下降,即提示,缓蚀剂的添加发挥出明显的作用,在抑制湿硫化氢腐蚀方面产生了可靠的效果。

图4 添加缓蚀剂对湿硫化氢腐蚀速率的影响效果

3 石油化工设备在湿硫化氢环境中的腐蚀防护处理

3.1 科学进行设备选材

科学选材能有效减少石油化工设备腐蚀现象产生,选择适宜的材料能为化工设备提供防腐蚀保障。为此,要提高对石油化工设备选材工作的重视,确保选材工作的科学性。油气田常用抗硫化物应力腐蚀低合金钢与碳素钢选材情况如表2所示。

表2 油气田常用抗硫化物应力腐蚀低合金钢与碳素钢选材情况

3.2 科学进行设备养护

若选用零件强度较高,要及时降低硫化氢质量含量。进行脱硫时要对脱硫塔后部残留的湿硫化氢以及二氧化碳的再腐蚀予以重视,避免腐蚀程度严重影响石油化工设备的功能性。做好环境温度调控,采取有效措施调控室内温度,降低钢铁腐蚀速度与程度,为石油化工设备的防腐蚀提供助益。设备使用时要严格控制硫化氢的质量浓度,原料为轻石脑油时,要对脱硫处理加以控制,避免脱硫控制不当产生严重后果。

3.3 适当添加缓蚀剂

在控制腐蚀的过程中,结合腐蚀的具体情况,适当的使用一定剂量的缓蚀剂,有利于抑制腐蚀的发生,获得理想的防腐蚀效果。缓蚀剂的类型和作用不一,针对湿硫化氢环境下各种设备所受到的影响,可以针对具体的材料和介质情况,选择最为合适的缓蚀剂类型予以应用。生产实践中,用于含H2S 酸性环境中的缓蚀剂,通常为咪唑啉衍生物、磷酸酯、脂肪酸或季铵盐中的一种或两种以上的混合物,也包括含硫、磷的化合物。

4 结语

综上,湿硫化氢环境下,以对多种石油化工设备造成不同程度的腐蚀,腐蚀所带来的危害是多方面的。通过本次实验分析也了解到,pH值与碳钢湿硫化氢腐蚀之间存在一定的关系,对腐蚀的进展具有促进作用。在pH值达到8左右后,腐蚀速率达到最大值。之后,随着pH值的不断增加,腐蚀速率会呈现出不断下降的变化趋势。同时,硫化氢含量与碳钢湿硫化氢腐蚀之间也存在一定的关系,对腐蚀的进展具有促进作用。在硫化氢质量浓度达到20 mg/L左右后,腐蚀速率达到最大值。在试验溶液中添加适量缓蚀剂之后,湿硫化氢腐蚀速率明显下降,说明在添加缓蚀剂之后,可以有效抑制湿硫化氢腐蚀。因此,在实际生产过程中,对于各种石油化工设备,还需要积极的进行科学的设备选材和养护,并通过合理的应用一定的缓蚀剂等方式,以预防湿硫化氢问题的出现,延长装置设备的使用寿命。