某工程含H₂S介質(zhì)壓力容器材料選擇探討

王龍 姜力 員天 趙鋼

摘 要：介質(zhì)中含有H2S時，在一定條件下，會形成濕H2S環(huán)境，使壓力容器出現(xiàn)腐蝕開裂情況，易造成容器失效，并可能引發(fā)爆炸、中毒等事故。故對于介質(zhì)含有H2S的壓力容器，根據(jù)情況合理選材是腐蝕防護重要的一環(huán)。本文結合某項目對含H2S介質(zhì)壓力容器的材料選擇進行探討。

關鍵詞：H2S;壓力容器;材料;選擇

硫化氫（H2S）是油氣田工藝介質(zhì)中常見的成分，在一定條件下，會形成濕H2S環(huán)境，易引發(fā)壓力容器的腐蝕開裂，造成容器失效，并可能引發(fā)爆炸、中毒等事故，對人員和公眾健康以及環(huán)境帶來危害，并造成巨大財產(chǎn)損失。因此，濕H2S腐蝕是油氣田生產(chǎn)過程中的重要問題。

金屬在濕H2S環(huán)境下腐蝕的電化學原理如圖1所示：

金屬在濕H2S環(huán)境下產(chǎn)生腐蝕的反應過程可表示如下：

從反應過程可知，硫化氫在水溶液中離解出的氫離子，從鋼的表面得到電子后還原成氫原子。氫原子之間有較大的親和力，易結合形成氫分子排出。然而，介質(zhì)中的硫化物、氰化物等消弱這種親和力，部分抑制了氫分子的形成，這樣一來，原子半徑極小的氫原子就很容易滲入鋼的內(nèi)部并溶入晶格中。固溶于晶格中的氫有很強的游離性，在一定條件下將導致材料的脆化和氫損傷。因此，濕H2S環(huán)境除了可以造成過程設備的均勻腐蝕外，更重要的是引起一系列與鋼材滲氫有關的腐蝕開裂。

壓力容器鋼板所用鋼材一般是碳鋼、低合金鋼及不銹鋼，而濕H2S腐蝕環(huán)境中，對壓力容器所用材料的要求更高，相應制造、檢驗、驗收的方法亦不相同，導致容器制造的周期和費用大大提高。因此，當介質(zhì)中含有H2S時，壓力容器的選材非常重要。現(xiàn)根據(jù)介質(zhì)含有H2S的某工程實例，探討該工程壓力容器所用鋼板的材料選擇。

某工程的一臺臥式壓力容器，外形結構φ1400×5600，設計壓力0.4MPa，設計溫度60℃，介質(zhì)為凝析油、采出水以及含H2S260mg/m3的天然氣，pH值為6.1。

濕H2S腐蝕環(huán)境對壓力容器的選材至關重要，故首先因根據(jù)設計條件，判斷是否為濕H2S腐蝕環(huán)境。根據(jù)《鋼制化工容器材料選用規(guī)定》HG/T20581-2011中的規(guī)定，當化工容器接觸的介質(zhì)同時符合下列各項條件時，即為濕H2S腐蝕環(huán)境：

①溫度小于或等于（60+2p）℃，p為壓力，MPa（表壓）;

②H2S分壓大于或等于0.00035MPa，即相當于常溫在水中的H2S溶解度大于或者等于7.7mg/L;

③介質(zhì)中含有液相水或處于水的露點溫度以下;

④pH<7或有氰化物（HCN）存在。

根據(jù)本容器的設計條件：介質(zhì)設計溫度為60℃、含有液相水、pH值為6.1，可知符合條件①、③和④，若H2S分壓也大于或等于0.00035MPa，則本容器介質(zhì)為濕H2S腐蝕環(huán)境。接下來根據(jù)容器設計壓力以及H2S含量，計算H2S分壓。本容器H2S含量260mg/m3，H2S的摩爾質(zhì)量為34g/mol，設計壓力0.4MPa，根據(jù)道爾頓分壓定律：

Pi=P總*ni/n總

1m3天然氣中H2S物質(zhì)的量：

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

1m3天然氣物質(zhì)的量：

n總=V/Vm=1*103L/22.4L/mol=44.643mol

硫化氫的摩爾分數(shù)：

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

硫化氫分壓：

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

由此可見，本容器的H2S分壓為0.000285MPa，小于0.00035MPa，不屬于濕H2S腐蝕環(huán)境。根據(jù)《天然氣地面設施抗硫化物應力開裂和應力腐蝕開裂金屬材料》SY/T0599-2011，碳鋼或低合金鋼發(fā)生SSC的酸性環(huán)境的嚴重程度的區(qū)域如圖2所示。

本容器介質(zhì)酸性環(huán)境的嚴重程度為0區(qū)，在0區(qū)使用的鋼材可不采用抗SSC的碳鋼或低合金鋼，結合《鋼制化工容器材料選用規(guī)定》HG/T20581-2011以及工程實踐經(jīng)驗，本容器鋼板使用Q245R。

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