1、化工设备设计防腐相关问题探讨摘要：本文介绍了湿 H2S 环境中的腐蚀机理及腐蚀形式，分析了设备在湿 H2S 环境中可能引起腐蚀的因素，从设计角度提出了提高化工设备抗湿 H2S 腐蚀能力的设计要点，并提出在设备制造和检测时应采取防范措施。 关键词：化工设备腐蚀问题 湿 H2S 腐蚀 腐蚀环境 防范措施 1. 湿 H2S 腐蚀环境及形式 1.1 H2S 的特性 H2S 易溶于水，致使水呈弱酸性。比如在 30、0.11 MPa 的水溶液中 H2S 饱和度是 300mg/L，pH 值却是 4。这就说明 H2S 不但对人体有害，而且对金属材料也具有非常强的腐蚀性。 1.2 湿 H2S 腐蚀环境 国内化工
2、行业对湿 H2S 腐蚀环境的描述是：H2S 分压不小于 0.35 kPa（相当于常温下 H2S 的溶解度大于 10 mg/L） ；介质的温度小于（60+2p）（其中 P 表示介质的表压 MPa） ；介质有氰化物（HCN）存在或者它的 pH 值低于 9；介质处于露点以下或者其中含有液相水。当与化工容器相接触的介质与以上各项条件都相符时，就可以定为湿 H2S 应力腐蚀环境。 1.3 湿 H2S 腐蚀方式 钢材的表面在硫化物水溶液中，特别是在酸性条件下就会出现电化学反应： 阳极反应 阴极反应 因为腐蚀产物的生成和硫的存在，令金属面的氢原子不能复合成氢分子，导致氢原子不能从表面逸出只能往金属内部渗透，
3、并在晶格中溶解。这就使渗氢成为金属开裂的重要因素。 2.引起设备腐蚀的原因 2.1 钢材的化学成分 钢材中的锰和硫是影响 H：S 腐蚀的主要元素。硫会在钢材中形成FeS 非金属杂质以及 MnS 的带状分布，会促使钢材部分显微组织松软，从而增加湿 H2S 环境下应力氢致开裂的敏感性。同样锰也在钢材的生产及焊接过程中，形成贝氏体和马氏体等高强低韧的显微金相组织，从而使钢材呈现出高硬度，为焊后组织开裂增添了可能性，导致设备抗硫化物应力腐蚀开裂非常不好。 2.2 液体介质中 H2S 浓度 液体介质中 H2S 浓度对碳钢设备的腐蚀程度会因材质的不同而呈现出较大的差别：对于低碳钢，就算低浓度的 H2S 也
4、能产生严重腐蚀。但对于高强度钢，很低的 H2S 浓度不仅能产生严重腐蚀而且会对钢材造成迅速的破坏。当溶液中 H2S 含量从 210-6mL/L 增加到 1.510-4mL/L时，腐蚀速度较快增加，对于高强度钢，即使是很低的 H2S 浓度，仍能引起迅速破裂。 3. 化工设备在湿 H2S 腐蚀环境下的设计 3.1 材料 3.1.1 材料要求 在湿 H2S 应力腐蚀环境中，为了减慢应力腐蚀的速度，应选择韧性好、强度、硬度低的碳钢或低合金钢。因为这些材料的韧性好、强度低，其断裂韧性和相应的临界值比较高。虽不能一下子避开介质-钢材间的特定匹配，但也间接地提高了湿 H2S 应力腐蚀的初始值。如果进一步对钢
5、材焊接头允许裂纹的大小进行控制，应力强度因子值就会被控制在临界值左右，从而取得避开它们特定匹配关系的效果。所以就要求碳钢及低合金钢材料的抗拉强度不大于 631 MPa；屈服强度不大于 354 MPa；使用的状态最低为正火或正火+退火、回火、调质状态等。比如某厂脱硫系统滤液泵的浮头螺栓，原用 36CrMo，改为 36 号钢，都在短时间内脆性断裂，致使其密封不好，后来换为碳钢螺栓情况良好。 3.1.2 材料的选择 3.1.2.1 H2S 在呈气相介质，即在空气中有少量携带水或者凝结水的湿 H2S 腐蚀环境中，主材选择普通介质条件是为了让主材保温伴热以防止凝液情况的出现。原因是保温伴热的目的是为了不
6、让蒸汽在主材上结露，从而避免发生硫化物应力腐蚀开裂。反之，如果在设计中凝液的防范措施无法实现，则主材就应选择抗硫化物应力腐蚀开裂的钢材。 3.1.2.2 当湿 H2S 腐蚀环境为液相介质或气液相混合介质时，材料应依据 （H2S）的大小来选择。如果 小于 50mg/L 时，主材可选取一般介质的，并取腐蚀裕量较小的；如果 是 501000mg/L 时，应选择抗氢致开裂碳钢材料，并选取腐蚀裕量为中等的；当 大于 1000 mg/L 时，不论介质的 pH 值为何种情况，都应选择抗氢致开裂碳钢材料，并选取腐蚀裕量较大的。 3.2 设备结构设计 设计上应最好选择连续结构，为了避免应力集中，焊接件与焊接件的
7、焊缝应过渡圆滑，防止形状突变。特别对应力较集中的重要方位，应考虑增加其厚度，比如设备的连接处和支承处，在设计时要高度重视。因为如果结构设计不合乎常规就会造成该位置的应力集中，从而产生局部应力，再在湿 H2S 介质的影响下就会导致应力腐蚀。结构设计导致化工设备被腐蚀主要有：异种钢焊接和设备同一受压元件或尺寸发生突变两种情况。第一种情况是因为合金成分或金相组织的不同，使焊接接头的局部应力升高，便导致焊缝出现裂纹的情况较多。所以在设计上最好不要采用异种钢焊接。第二种情况是固定管板换热器的 厚管板与薄壁筒体的焊接最常见的结构。这个位置除了焊接热应力外，还存在不连续应力，所以在操作过程中还要认真思考法兰
8、弯矩所带来的弯曲应力。容易在死角处造成腐蚀介质的积聚或停滞，形成浓差电池，原因是同一受压元件的形状和尺寸发生突变而导致。所以针对该情况，最好将管板兼做法兰的换热器换成薄管板结构，在形状和尺寸突变处选择圆弧进行处理。 3.3 防范措施 3.3.1 尽量将介质中 H20 或 H2S 的含量控制好。 3.3.2 要想延长应力腐蚀破裂时间，就要对钢材和焊接接头通过表面无损检测或射线的方式，对裂纹的大小进行有效的控制，并要降低其应力水平，从而使应力强度因子接近断裂韧性。 3.3.3 焊后应立即进行应力热处理，以减少应力，从而使焊缝的布氏硬度值小于 HB200。原因是钢材的硬度是影响湿 H2S 应力腐蚀的
9、重要因素，在日常生活中，只有钢材的硬度小于 HB200 时，才能减少钢材的开裂情况或者令其不开裂。一般情况发生应力腐蚀开裂处的大约硬度在HR234HB261，只有在特殊的情况下，开裂处硬度低于 HB200 还会发生应力腐蚀。 3.3.4 因为大量的事例表明，开裂的原因往往是设备接触介质的表面有缺陷而造成的。所以在对设备进行金加工、锻打、冷作及焊接的过程中要尽量避免在其的表面留下凹坑、划痕、裂纹等缺陷。 3.3.5 如果条件允许，应对设备的内外都进行防腐处理。 当然在设计中，还会有像 C1 一、HEN 一、CO2 等其他的腐蚀介质存在。它们在湿 H2S 腐蚀环境中时而单独出现，时而有几种同时出现，这便使湿硫化氢的腐蚀性更加复杂。所以我们只有对 H2S 典型工况的腐蚀机理及防范措施有充分的了解，才能为在更复杂的介质环境中进行设计工作提供必要的帮助。 参考文献： 1 GB150-89 钢制压力容器.学苑出版社 1989. 2 GB1501998 钢制压力容器中国标准出版社.1998. 3 HG205811998.钢制化工容器材料选用规定S. 4 高强，丁雪景.化工设备设计计算中的几个误区.压力容器，2005，22（3）：52-53-21
