湿硫化氢腐蚀

第二章湿硫化氢环境下压力容器用钢损伤行为近些年来，由于原油中硫含量以及化工设备材料强度的级别提高，使得很多设备在湿硫化氢环境下服役并发生应力腐蚀开裂(Stress Corrosion Cracking, SCC)或氢脆失效(Hydrogen Embrittlement, HE)，引起设备的破裂、泄漏甚至爆炸，造成巨大的经济损失与人员伤亡。

1982年，德国北部一输送脱水的酸性气体（25％H2S－9％CO2）的高压管道[1]由于应力诱导的氢致开裂（Stress Oriented Hydrogen Induced Cracking, SOHIC）导致破裂，经济损失惨重；1984年，芝加哥Lemont炼油厂[2]，一液化气球罐氢致开裂导致15人丧生，22人重伤；同年，墨西哥城一大型炼油厂[3]液化气储罐由于硫化物应力腐蚀开裂（Sulfide Stress Cracking, SSC）而导致泄漏，造成500人死亡，厂区周围7000人受伤。

现在很多国家采用的原油都来自于中东，而且含硫量较高，虽然脱硫工艺可能降低材料的应力腐蚀破坏的几率，但是要完全避免还是不可能，而且介质中可能含有的CO2、氰化物也会加速材料的腐蚀开裂[4-6]。

另一方面，我国原有石油化工装置按照低硫含量的原油进行设计，在使用高含硫的原油作为生产原料之后，势必带来H2S浓度超标所引起的开裂问题。

普遍认为，湿硫化氢环境下，金属的失效行为都与金属表面化学反应析氢有关[7-11]。

就湿硫化氢环境下，由氢导致的设备应力腐蚀开裂一般都称为氢损伤，其形式基本可以分为两类：1、应变相关式，即裂纹的出现需要材料在宏观上的塑性变形。

这种形式因为需要宏观上的屈服，所以一般发生在较高的应力情况下，同时会导致材料韧性的下降。

其中典型的失效形式为硫化物应力腐蚀开裂(SSCC)；2、应变无关式。

即裂纹由于材料内部局部区域的塑性变形而导致，可能在没有拉应力的作用下形成。

其中典型的失效形式有氢鼓泡、氢致开裂(Hydrogen-Induced Cracking, HIC)、应力导向的氢致开裂等。

h2s对金属的腐蚀摘要：1.硫化氢对金属的腐蚀概述2.湿H2S 环境中金属腐蚀行为和机理3.干燥的H2S 对金属材料的腐蚀破坏作用4.钢材在湿H2S 环境中的腐蚀破坏5.结论正文：硫化氢（H2S）是一种具有腐蚀性的气体，在工业生产和生活中较为常见。

H2S 对金属的腐蚀作用主要取决于其浓度、温度、湿度以及金属本身的性质。

本文将对H2S 对金属的腐蚀进行概述，并重点分析湿H2S 环境中金属腐蚀行为和机理。

1.硫化氢对金属的腐蚀概述硫化氢对金属的腐蚀主要表现为化学腐蚀和电化学腐蚀。

在湿H2S 环境中，硫化氢与金属发生化学反应，生成金属硫化物，导致金属的腐蚀。

同时，湿H2S 环境中还存在电化学反应，金属与硫化氢形成原电池，引发电化学腐蚀。

2.湿H2S 环境中金属腐蚀行为和机理在湿H2S 环境中，金属的腐蚀行为和机理主要取决于金属的种类和腐蚀条件。

对于大多数金属，在湿H2S 环境中都会发生腐蚀。

例如，铁在湿H2S 环境中会发生析氢腐蚀，生成FeS 并释放H2。

而对于不锈钢等含有铬、镍等元素的金属，湿H2S 环境中的腐蚀机理则较为复杂，通常表现为局部腐蚀。

3.干燥的H2S 对金属材料的腐蚀破坏作用与湿H2S 环境相比，干燥的H2S 对金属材料的腐蚀破坏作用较小。

在常温常压下，干燥的H2S 对金属材料无腐蚀破坏作用。

然而，在高温高压条件下，干燥的H2S 可能会对某些金属材料产生腐蚀破坏。

4.钢材在湿H2S 环境中的腐蚀破坏钢材在湿H2S 环境中的腐蚀破坏较为严重。

湿H2S 环境中，钢材会发生析氢腐蚀和局部腐蚀。

析氢腐蚀导致钢材表面形成大量的FeS，从而引起钢材的腐蚀。

局部腐蚀则使钢材的局部区域受到破坏，导致其性能下降。

5.结论综上所述，硫化氢对金属的腐蚀作用主要取决于其浓度、温度、湿度以及金属本身的性质。

在湿H2S 环境中，金属的腐蚀行为和机理较为复杂，腐蚀破坏作用较大。

硫化氢腐蚀的机理及影响因素作者：安全管理网来源：安全管理网1. H2S腐蚀机理自20世纪50年代以来，含有H2S气体的油气田中，钢在H2S介质中的腐蚀破坏现象即被看成开发过程中的重大安全隐患，各国学者为此进行了大量的研究工作。

虽然现已普遍承认H2S不仅对钢材具有很强的腐蚀性，而且H2S本身还是一种很强的渗氢介质，H2S腐蚀破裂是由氢引起的；但是，关于H2S促进渗氢过程的机制，氢在钢中存在的状态、运行过程以及氢脆本质等至今看法仍不统一。

关于这方面的文献资料虽然不少，但以假说推论占多，而真正的试验依据却仍显不足。

因此，在开发含H2S酸性油气田过程中，为了防止H2S腐蚀，了解H2S腐蚀的基本机理是非常必要的。

(1) 硫化氢电化学腐蚀过程硫化氢(H2S)的相对分子质量为34.08，密度为1.539kg/m3。

硫化氢在水中的溶解度随着温度升高而降低。

在760mmHg，30℃时，硫化氢在水中的饱和浓度大约3580mg/L。

在油气工业中，含H2S溶液中钢材的各种腐蚀(包括硫化氢腐蚀、应力腐蚀开裂、氢致开裂)已引起了足够重视，并展开了众多的研究。

其中包括Armstrong和Henderson对电极反应分两步进行的理论描述；Keddamt等提出的H2S04中铁溶解的反应模型；Bai和Conway对一种产物到另一种产物进行的还原反应机理进行了系统的研究。

研究表明，阳极反应是铁作为离子铁进入溶液的，而阴极反应，特别是无氧环境中的阴极反应是源于H2S中的H+的还原反应。

总的腐蚀速率随着pH的降低而增加，这归于金属表面硫化铁活性的不同而产生。

Sardisco，Wright和Greco研究了30℃时H2S-C02-H20系统中碳钢的腐蚀，结果表明，在H2S分压低于0.1Pa时，金属表面会形成包括FeS2，FeS，Fe1-X S在内的具有保护性的硫化物膜。

然而，当H2S分压介于0.1～4Pa时，会形成以Fe1-X S为主的包括FeS，FeS2在内的非保护性膜。

硫化氢腐蚀类型及其防护硫化氢（H2S）是一种无色、剧毒、有臭鸡蛋气味的气体，它的相对分子质量为34.08，密度为1.539kg/m3。

干燥的硫化氢气体没有腐蚀作用，而湿的硫化氢气体或溶液则具有强裂的腐蚀作用。

湿硫化氢产生腐蚀作用的分压极低仅需350Pa，而油气开发过程中的硫化氯浓度远超这一数值，所以钢在硫化氢介质中的腐蚀破坏现象非常明显，得到国内外学者的广泛关注并进行了大量的研究工作。

硫化氢不仅对钢材具有很强的腐蚀性，而且硫化氢本身还是一种很强的渗氢介质，其腐蚀破坏主要由氢引起的，介质中的氯离子、氧气等可以加速渗氢过程从而加速腐蚀破坏的进程。

其腐蚀类型主要有电化学腐蚀和氢致损伤两种类型。

1、硫化氢电化学腐蚀过程在油气开采中与CO2和O2相比，H2S在水中的溶解度更高，且一量溶于水，便立即电离，使水具有酸性。

H2S = HS-+H+HS- = S2-+H+电离生成的氢离子是强去极化剂，极易在阴极夺取电子而促进阳极铁的溶解反应而导致钢铁的全面腐蚀。

其电化学腐蚀过程如下: 阳极反应 Fe-2e =Fe2+阴极反应 2H++2e =Had+Had = H2阳极反应产物 Fe2++S2－ = FeS阳极反应生产的FeS通常是一种有缺陷结构的保护层，与钢铁表面附着力差、易脱落、易氧化、易被氯离子渗透，而且电位较正，于是作为阴极与钢铁基体构成一个活性微电池继续腐蚀基体。

2、氢损伤H2S水溶液对钢材电化学腐蚀的另一个产物是氢。

一般认为反应生成的氢有两个去向，一是氢原子间结合生成分子氢而排出，另一个去向就是吸附于钢材表面的氢原子因半径小具有很强的渗透性，可以被钢材吸收进入钢材内部的晶格中，溶于晶格中的氢原子有很强的游离性，在一定条件下引起氢损伤。

在含H2S酸性油气中，氢损伤主要表现为硫化物应力开裂（SSCC）、氢致开裂（HIC）和氢鼓泡（HB）等几种破坏形式。

A、氢鼓泡（Hydrogen bubbling，HB）H2S在电化学腐蚀过程中产生的氢原子具有很强的渗透性，可以向钢材内部渗透，并在晶粒界面、夹杂面、位错、蚀坑等缺陷部位聚集而结合成氢分子。

湿硫化氢腐蚀类型及机理研杨智华（山东豪迈化工技术）引言随着原油消耗量的不断增加，从国外进口原油的数量也会不断增长，国外原油尤其是中东原油中硫含量会比较高。

因此对设备的腐蚀也越来越严重。

对设备腐蚀较严重的含硫化合物主要是硫化氢（H2S）。

H2S的腐蚀主要表现为湿H2S的腐蚀。

若湿H2S 与酸性介质共存时，腐蚀速率会大幅提高。

1. 腐蚀分类在氢存在环境操作的设备中，由于氢的存在或氢与金属反应造成的材质失效主要有以下几大类:氢损伤、氢和湿硫化氢腐蚀、高温氢和硫化氢的腐蚀、不锈钢堆焊层的氢致剥离[1]。

1.1氢损伤氢损伤是指金属中由于含有氢或金属中的某些成分与氢反应，从而使金属材料的力学性能发生改变的现象[1]。

氢损伤导致金属或金属材料的韧性和塑性降低，易使材料开裂或脆断。

电镀、酸洗、潮湿环境下的焊接、高温临氢环境(加氢反应、氮氢气合成氨的反应)、非高温临氢环境(含硫化氢和氰化物的溶液)均能引起不同性质的氢损伤。

氢损伤的形式主要有氢脆、氢鼓泡、氢腐蚀、表面脱碳4种不同类型。

1.1.1氢脆氢脆发生在钢材中，当钢中氢的质量分数为0.1-10μg/g，并在拉应力与慢速应变时钢材表现出脆性上升，甚至出现裂纹。

在-100~100℃内极易发生氢脆[2]，随着温度升高，氢脆效应下降，当温度超过71-82℃时不太容易发生，所以实际氢脆损伤往往都是发生在装置开、停工过程的低温阶段。

若将钢材中的氢释放出来，钢材机械性能仍可恢复，因此氢脆是可逆的。

1.1.2氢鼓泡氢鼓泡形成的两个主要条件:一是存在原子状态的氢;二是金属内部存在“空穴”。

原子状态的氢来源于湿H2S 对石油管道钢材表面的腐蚀，而钢材内部的“空穴”则来源于钢材的冶金缺陷和制造缺陷。

腐蚀过程中析出的氢原子向钢中扩散，在钢材的非金属夹杂物、分层和其他不连续处易聚集形成分子氢。

由于氢分子较大，难以从钢的组织内部逸出，从而形成巨大内压导致其周围组织屈服，形成表面层下的平面孔穴结构造成氢鼓泡，其分布平行于钢板表面。

湿硫化氢腐蚀1、下列环境发生湿H2S腐蚀开裂：（1）含游离水；（2）以下四个条件之一：（i）游离水中H2S溶解量大于50ppmw；（ii）游离水pH值小于4，且有溶解的H2S存在；（iii）游离水pH值大于7.6，水中溶解的HCN大于20ppmw，且有溶解的H2S存在；（iv）H2S在气相中的分压大于0.0003MPa。

2、特别是当设备和管道的介质环境符合以下任何一条时称为湿H2S 严重腐蚀环境：（1）液相游离水的pH值大于7.8，且在游离水中的H2S大于2000ppm；（2）液相游离水的pH值小于5，且在游离水中的H2S大于50ppm；（3）液相游离水中存在HCN或氢氰酸化合物，且大于20ppm。

7 p1 Y:二、设计、制造要求1、设备和管道如选用碳素钢或低合金钢，必须是镇静钢；2、对湿H2S腐蚀环境下的碳素钢或低合金钢制设备和管线，材料的使用状态应是正火、正火+回火或调质状态；3、材料的碳当量CE应不大于0.43（CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15；式中各元素符号是指该元素在钢材中含量百分比）；4、在湿H2S严重腐蚀环境下，当材料的抗拉强度大于480MPa时要控制其S含量不大于0.002%，P含量不大于0.008%，Mn含量不大于1.30%，且应进行抗HIC性能试验或恒负荷拉伸试验。

5、在湿H2S环境下，应尽量少选择焊接。

如采取焊接，原则上应进行焊后消除应力热处理，热处理温度应按标准要求取上限。

6、热处理后碳素钢或碳锰钢焊接接头的硬度应不大于HB200，其它低合金钢母材和焊接接头的硬度应不大于HB237；7、热加工成形的碳素钢或低合金钢制管道元件，成形后应进行恢复力学性能热处理，且其硬度不大于HB225；8、冷加工成形的碳素钢或低合金钢制设备和管道元件，当冷变形量大于5%时，成形后应进行消除应力热处理，且其硬度不大于HB200。

但对于冷变形量不大于15%且硬度不大于HB190时，可不进行消除应力热处理；9、接触湿硫化氢环境碳素钢螺栓的硬度应不大于HB200，合金钢螺栓的硬度应不大于HB225；10、铬钼钢制设备和管道热处理后母材和焊接接头的硬度应不大于HB225（1Cr-0.5Mo、1.25Cr-0.5Mo）、HB235（2.25Cr-1Mo、5Cr-1Mo）和HB248（9Cr-1Mo）；11、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢和奥氏体不锈钢的母材和焊接接头的硬度应不大于HRC22，其中奥氏体不锈钢的碳含量不大于0.10%，且经过固溶处理或稳定化处理；12、双相不锈钢的母材和焊接接头的硬度应不大于HRC28，其铁素体含量应在35-65%的范围内；.13、容器内在焊接接头两侧50mm范围内的表面进行防护，可在表面喷锌、喷铝并用非金属涂料封闭的方法；14、不使用承插焊形式的管件；15、结构上应尽量避免应力集中；16、设备壳体或卷制管道用钢板厚度大于12mm时，应按JB/T4730进行超声波检测，符合Ⅱ级要求。

论述炼油设备的湿硫化氢腐蚀与防治方法近年来，石油公司大幅度的增加了对含硫或者高含硫原油的加工数量，因而炼油设备也出现比较严重的腐蚀现象。

而在各个种类的腐蚀中，最为严重或者说对设备伤害最大的是高温硫腐蚀以及湿硫化氢造成的设备损坏。

对于高温硫腐蚀只要更换采用适当的耐高温硫腐蚀的设备材料即可大大的缓解此类腐蚀，但是对湿硫化氢所造成的腐蚀进行防治就会有较大的困难。

含硫原油对设备进行腐蚀从而产生硫铁化合物，而硫铁化合物一旦与空气中的氧气接触，它们就会迅速的发生化学反应，也会产生大量的热。

如果这些热量不能够及时的向周边消散，就会导致设备局部迅速升温，而原油属于可燃物质，这就很可能引起具有可怕后果的自燃事故，也会对人类的正常生活及经济活动带来巨大的损失。

下面我们将会着重讨论引起这类事故主要原理及相应的预防治理措施。

1 湿硫化氢对设备的腐蚀机理湿硫化氢在水中极易发生离解，它的腐蚀过程就是一个化学反应，在阳极会出现一般性腐蚀，结果为产生FeS的膜。

从而使金属表面遭到破坏，形成腐蚀坑而出现回路电池的作用，是破坏程度进一步加深。

而在阴极处会出现因化学反应而生成的活性很强的氢，它会在金属比较脆弱的部位比如金属的缺陷处、焊接缺陷处聚集，产生氢鼓包导致金属结构遭到破坏，即使是高强钢也难逃其魔爪。

这种现象我们通常称其为湿硫化氢应力腐蚀开裂。

一般来说，强度越高的钢越容易因此应力而受到损坏，因为强度越高，钢对应力的腐蚀也就越敏感。

碳酸盐或者是湿硫化氢还有氢氧化物等许多无机物质都是我们生产当中比较常见的应力腐蚀环境。

在我国的炼油企业中，大多数都是采用的低合金高强度钢作为其压力容器的主要材料，而之前我们也明确的表述了湿硫化氢对高强度钢的腐蚀是较为厉害的。

湿硫化氢造成的腐蚀最早出现在油田设备和管道设施上，由于近几年出现的几起重大事故，湿硫化氢也自然而然的走进了我们的视野当中，而这几起事故当中发生在1984年的雷蒙特三号炼油厂的事故就是一个最典型的案例。