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硫化氢腐蚀原理与防护技术 郑树启 2011年11月 zhengsq 一 金属腐蚀基础知识 1 腐蚀的定义 金属与周围介质发生化学或电化学作用而导致的变质和破坏 金属材料和环境介质共同作用的体系 腐蚀速度的定义 单位时间内单位质量的物质变质和破坏的量 单位 g kg 1 h 1或mg kg 1 h 1 mm a 3 一 腐蚀定义 狭义 金属与环境间的物理 化学相互作用 使金属性能发生变化 导致金属 环境及其构成的技术体系功能受到损伤 ISO8044 1999 GB T10123 塑料发胀或开裂木头干裂或腐烂花岗岩风蚀水泥剥离脱落 4 5 油泵腐蚀 集输管线穿孔 集输管线埋地弯头腐蚀 轻烃站冷却器腐蚀 油井管腐蚀 6 7 广义 材料与环境间发生化学或电化学相互作用而导致材料功能受到损伤的现象材料 金属非金属高分子复合材料 8 腐蚀特征 1 腐蚀是一种材料和环境间的反应 电化学反应 大多数 化学反应 Al在CCl4中的腐蚀 物理反应 金属在高温熔盐中的溶解2 腐蚀是材料的损伤 材料质量流失 强度退化 材料相 价态和组织变化3 腐蚀是逐渐发生的慢性过程 9 二 腐蚀现象的特点 自发性普遍性隐蔽性 10 自发性 大多数腐蚀自发产生 不需要外力如钢铁腐蚀 腐蚀产物以水合氧化物为主 与自然界天然存在的铁矿石在结构上或形态上相似 11 12 普遍性 纯金属最低能级状态一般为其化合物 除Au Pt 普遍存在的空气和水是两类主要腐蚀环境 O2 H 13 隐蔽性 发展速度很慢不锈钢在海水中点蚀 10年孕育期表现形式很难被发现晶间腐蚀 表面光亮如新 内部漫布裂纹 14 1 腐蚀的危害 材料腐蚀给国民经济带来巨大损失腐蚀事故危及人身安全腐蚀造成资源和能源的浪费腐蚀引起环境污染 三 研究腐蚀的意义 15 经济损失 直接经济损失腐蚀造成的直接经济损失占国民生产总值的1 6 全球每年因腐蚀造成的损失约7000亿美元 16 交通运输 钢轨的锈蚀 磨损机车底架 侧梁铆钉头被局部腐蚀穿透机车气缸 气缸套壁空泡腐蚀甚至穿透 带来极大的事故隐患 铁轨 机车部件的腐蚀和磨蚀飞机零部件的高温腐蚀和应力腐蚀船舶在海洋环境中的腐蚀 17 海洋环境中 海水腐蚀介质 海洋大气腐蚀介质 海水冲刷 复杂波动载荷等船舶腐蚀 船体锈蚀 螺旋桨叶片电偶腐蚀 水线腐蚀 应力腐蚀等 18 石油天然气开采 集输和输运 油气田 O2 CO2 H2S 地层水的腐蚀 长输管道 内部多相流动腐蚀 外部土壤 微生物腐蚀海洋平台 海底管道 19 含硫输气管线沿着焊缝开裂失效 城市天然气管道由于腐蚀造成的泄漏和爆炸 20 四 腐蚀的分类 1 按照腐蚀过程的特点2 按照腐蚀形式分类3 按照腐蚀环境分类 21 应力腐蚀开裂腐蚀疲劳磨损腐蚀 冲击 振动 氢致腐蚀空泡腐蚀 电化学腐蚀 化学腐蚀 高温氧化 电化学作用 电化学 机械作用 电化学 生物作用 物理溶解腐蚀 Fe在液体钠中的腐蚀 按照腐蚀过程的特点 22 2 1按腐蚀机理 1 化学腐蚀 金属与周围介质直接发生化学反应而引起的变质和损坏的现象 如钢铁在高温下的氧化脱皮现象 这是一种氧化 还原的纯化学变化过程 即腐蚀介质中的氧化剂直接同金属表面的原子相互作用而形成腐蚀产物 腐蚀过程中 电子的传递是在金属与介质间直接进行的 因而没有腐蚀微电流的产生 23 2 电化学腐蚀 指金属与介质发生电化学反应而引起的变质和损坏的现象 阳极 锌电极 发生氧化反应的电极 Zn 2e Zn2 阴极 氢电极 发生还原反应的电极 2H 2e 2H阴极去极化剂 O2等 腐蚀原电池模型 24 25 腐蚀电池 A 宏观腐蚀电池 1 异金属接触电池 2 浓差电池 盐浓差电池和氧浓差电池 3 温差电池 B 微观腐蚀电池 1 金属化学成分的不均匀性 2 组织结构的不均匀性 3 金属表面膜的不完整性 4 金属表面物理状态的不均匀性 26 局部腐蚀 全面腐蚀 均匀腐蚀不均匀腐蚀 按材料腐蚀形态 点蚀 孔蚀 缝隙腐蚀及丝状腐蚀电偶腐蚀 接触腐蚀 晶间腐蚀选择性腐蚀 27 2 2按腐蚀形态 1 全面腐蚀 腐蚀作用发生在整个金属表面上 它可能是均匀的 也可能是不均匀的 其特征是腐蚀分布在整个金属表面 结果使金属构件截面尺寸减小 直至完全破坏 28 2 局部腐蚀 腐蚀集中在金属的局部区域 而其它部分几乎没有腐蚀或腐蚀很轻微 局部腐蚀是设备腐蚀破坏的一种重要形式 工程中的重大突发腐蚀事故多是由于局部腐蚀造成的 8种腐蚀形态即 电偶腐蚀 孔蚀 点蚀 缝隙腐蚀 沿晶腐蚀 选择性腐蚀 应力腐蚀开裂 腐蚀疲劳 磨损腐蚀 29 八大局部腐蚀形态 电偶腐蚀点腐蚀缝隙腐蚀晶间腐蚀选择性腐蚀磨损腐蚀应力腐蚀腐蚀疲劳 30 2 3常见的局部腐蚀形态 1 电偶腐蚀 异种金属彼此接触或通过其它导体连通 处于同一介质中 会造成接触部分的局部腐蚀 其中电位较低的金属 溶解速度增大 电位较高的金属 溶解速度反而减小 这种腐蚀称为电偶腐蚀 或称接触腐蚀 双金属腐蚀 31 2 孔蚀 点蚀 坑蚀 是一种集中发生在某些点处并向金属内部发展的孔 坑状腐蚀 孔蚀是一种隐蔽性极强 破坏性极大的腐蚀形式 由于难于预估及检测 往往造成金属腐蚀穿孔 引起容器 管道等设施的破坏 而且诱发其它的局部腐蚀形式 导致突发的灾难性事故 32 点蚀的机理 33 3 缝隙腐蚀 金属部件在介质中 由于金属与金属或金属与非金属之间形成特别小的缝隙 使缝隙内的介质处于滞流状态 引起缝内金属的加速腐蚀 34 4 沿晶腐蚀 腐蚀沿着金属或合金的晶粒边界或其它的邻近区域发展 晶粒本身腐蚀很轻微 这种腐蚀便称为沿晶腐蚀 又叫作晶间腐蚀 35 5 选择性腐蚀 合金在腐蚀过程中 腐蚀介质不是按合金的比例侵蚀 而是发生了其中某种成分的选择性溶解 使合金的机械强度下降 这种腐蚀形态称之为成分选择腐蚀 或称为选择性腐蚀 灰口铸铁石墨化和黄铜脱锌 36 6 应力腐蚀开裂 SCC 简称应力腐蚀 它是在拉应力和特定的腐蚀介质共同作用下发生的金属材料的破断现象 37 7 腐蚀疲劳 金属在腐蚀介质和交变应力共同作用下引起的破坏为腐蚀疲劳 38 8 磨损腐蚀 指在磨损和腐蚀的综合作用下材料发生的加速腐蚀破坏 有三种表现形式 摩振腐蚀 湍流腐蚀和空泡腐蚀 39 油管接箍发生汽蚀的蜂窝状形貌 40 按照腐蚀环境分类 干腐蚀湿腐蚀大气腐蚀土壤腐蚀海水腐蚀微生物腐蚀酸 碱 盐介质中的腐蚀工业水中的腐蚀 自然环境下的腐蚀 工业环境中的腐蚀 41 各种腐蚀所占比例 42 非金属材料的腐蚀类型 43 腐蚀前 100 121 140 150 175 橡胶在不同温度条件下腐蚀 44 五 腐蚀速度的表示法 均匀腐蚀 材料全部表面发生同样程度的腐蚀 物质流失明显过程重量指标深度指标电流指标 45 重量指标 定义 把金属腐蚀后重量变化换算成金属表面积与单位时间内的重量变化来表示 包括 失重法增重法 单位 g m2 h g m2 d gmd 46 失重法 V 失重时的腐蚀速度 g m2 h W0 试样的初始重量 g W1 清除腐蚀产物后试样的重量 g S 试样的表面积 m2 t 腐蚀时间 h 47 增重法 V 增重时的腐蚀速度 g m2 h W0 试样的初始重量 g W2 试样腐蚀后的重量 g S 试样的表面积 m2 t 腐蚀时间 h 48 深度指标 VL 定义 将试样的厚度因腐蚀而减小的量用腐蚀深度表示单位 mm aipy重量指标与深度指标的换算关系 V g m2 h 49 电流指标 ia 以金属电化学腐蚀过程的阳极电流密度 A cm2 大小来衡量金属腐蚀速度的程度法拉第定律W 析出或溶解的物质的量 gM 原子量I 电流强度 At 通电时间 sF 法拉第常数 1F 96500C mol 26 8A h 单位 A cm2A m2 50 2 材料强度性能变化明显的腐蚀过程 塑料 橡胶 混凝土强度损失率强度保有率 强度 抗拉 抗压 抗弯强度 51 2 非均匀腐蚀 局部腐蚀或腐蚀程度不均匀的全面腐蚀 均匀腐蚀指标不足于描述腐蚀过程 增加一个反映不均匀程度的指标点蚀 52 点蚀系数p 实际测到的最深点深度d 平均腐蚀深度 53 2 正 负极 负极 电势低的电极 3 导体 能导电的物质称为导 电 体 分类 第一类导体 电子导体 第二类导体 离子导体 正极 电势高的电极 1 阴 阳极 阴极 发生还原反应的电极 阳极 发生氧化反应的电极 54 第一类导体 电子导体 如金属 石墨及某些金属的化合物等 它是靠自由电子的定向运动而导电 在导电过程中自身不发化学变化 当温度升高时由于导体物质内部质点的热运动增加 因而电阻增大 导电能力降低 第二类导体 离子导体 如电解质溶液或熔融的电解质等 它依靠离子的定向 即离子的定向迁移 而导电 当温度升高时 由于溶液的粘度降低 离子运动速度加快 在水溶液中离子水化作用减弱等原因 导电能力增强 55 4 电极反应 电池反应 电极反应 在电极上进行电子得 失 的氧化还原反应 阴极反应 在阴极上发生得电子的还原反应 阳极反应 在阳极上发生失电子的氧化反应 电池反应 电池的总反应 两个电极反应的总结果 之和 56 5 电解池 将化学能转变为电能的装置称为原电池 6 原电池 将电能转变为化学能的装置称为电解池 57 一 油田腐蚀危害与案例 造成重大经济损失造成环境污染造成灾难性事故 58 1988年英国阿尔法平台因腐蚀破坏发生爆炸 造成166人死亡 导致北海油田年减产12 1971年5月 1986年2月四川天然气管网因腐蚀导致爆炸燃烧事故83次 其中第一次事故就造成24人伤亡中国进口的石油管材每年花费约7亿美元 大部分因腐蚀而报废 59 普光 胡家 黄金 土主 双河 清坪 净化气外输流向 毛坝 60 毛坝4井 钻杆2小时脆断开县罗家2井 钻具脆断 影响抢险四川渡1井一套G105新钻杆断裂成19节 川东天5井井漏处理不及时发生井喷 10小时后钻杆断裂 川西北中7井 G105钻杆在井下停留25小时 钻杆脆断14节 典型案例 钻杆腐蚀 61 塔河油田 井下腐蚀中油管本体 丝扣腐蚀最为严重 因腐蚀报废油管67075米 典型案例 油套管腐蚀 开县罗家2井井漏 井下2190米至2600米之间的套管受到硫化氢侵蚀开裂 62 b LG13井管柱泄漏 产出气中含有硫化氢和二氧化碳 硫化氢分压在SCC区 按照NACE标准MR 0175对井中油套管材料进行的硫化物应力腐蚀开裂的试验结果表明 材料发生硫化物应力腐蚀开裂是主要原因 LG13井现场照片 典型案例 油套管腐蚀 63 典型案例 井口装置腐蚀 安全阀出口泄漏情况 四周布满大小不一的腐蚀坑 最大冲蚀深度超过4mm 64 典型案例 集输系统腐蚀 表现为点蚀和溃疡状腐蚀 最大蚀坑直径达7mm 65 二 油气工业腐蚀类型及特征 石油工业腐蚀有两个显著特点 气 水 烃 固共存的多相流腐蚀介质 高温和 或高压环境H2S CO2 O2 Cl 和水分是主要的腐蚀物质 H2S CO2 O2是腐蚀剂 水是载体 Cl 是催化剂 66 67 就H2S CO2和O2腐蚀而言 其腐蚀速率大致比例为 68 O2腐蚀特征 失重 链接 腐蚀速率高碳钢均匀腐蚀 局部腐蚀不锈钢强烈的局部腐蚀污水系统 火烧油藏 火烧油藏氧腐蚀 69 CO2腐蚀特征 腐蚀失重 孔蚀 30 40mm y60 80 最严重碳钢 低合金钢易腐蚀耐蚀合金就可以控制13Cr 超级13Cr 22CrCl 本身不具有腐蚀性破坏耐蚀合金钝化膜 导致应力腐蚀 70 阳极反应 阴极反应 腐蚀产物膜表面 腐蚀产物膜截面 形成腐蚀产物膜以后 腐蚀速率有时会下降1 2个数量级 71 40 65 75 90 115 温度对CO2腐蚀的影响 a b 腐蚀产物的致密程度导致腐蚀形态与速率的变化 静态腐蚀速率 动态腐蚀速率 72 0m s 0 5m s 1m s 流速对CO2腐蚀的影响 腐蚀速率预测软件 73 CO2腐蚀需要解决的问题 材质微量成分导致的腐蚀差异问题 a Field N80 b BG N80 74 局部腐蚀随机性及腐蚀速率控制问题 75 冲蚀问题 76 油水界面腐蚀加速问题 77 Ikeda等人将碳钢和含Cr钢的CO2腐蚀机制以图2表示 从图上可以看出 含Cr导致材料具有完全不同的腐蚀机理 图2碳钢和含Cr钢的CO2腐蚀模型 78 对于13Cr钢表面腐蚀产物膜的成分 目前争议很大 Hashimoto等认为膜中Cr主要以CrOH形式存在 而Obefjord则认为Cr2O3是钝化膜的主要成分 根据我们的研究结果 不同温度下 材料表面的膜层结构如图3所示 图3不同温度试样表面腐蚀产物膜结构示意图 a 50 b 100 c 150 d 200 79 图13塔里木油田某井油管CO2腐蚀形貌图 80 图14辽河油田某井因二氧化碳所致的油管腐蚀 失重率 63 平均腐蚀速度 4 84mm 年 81 H2S腐蚀特征1 断裂常温下渗氢断裂氢致开裂HIC 硫化物应力开裂SSC碳钢 低合金钢 马氏体不锈钢高温阳极溶解断裂应力腐蚀开裂SCC奥氏体不锈钢 Ni基合金 X65氢致开裂HIC 硫化物应力开裂SSC 2205应力腐蚀开裂SCC 82 HIC H Fe2 SSC硫化物应力开裂 氢原子在裂纹尖端富集 83 碳钢氢损伤开裂SSC HIC 25 60 温度的影响 耐蚀合金阳极溶解开裂SCC 84 H2S腐蚀特征2 局部腐蚀中低温情况下 碳钢容易出现强烈局部腐蚀均匀腐蚀随着温度升高而增大 0 1MPa H2S浓度 85 元素S 强氧化剂 链接 加速腐蚀 导致严重的局部腐蚀 SCC有H2O以及Cl 存在时 120 以上温度作用明显 固态 液态腐蚀速率存在争议溶液中S含量对腐蚀的影响存在争议 存在问题 86 87 3MPaH2S 2MPaCO2 130C Fe7S8 川渝地区高含H2S CO2环境下 H2S是腐蚀主导因素 CO2 Cl S是促进因素 H2S CO2共存环境下腐蚀模式发生变化 88 Corrosion2003 No 339 二 硫化氢 H2S 的特性及来源 1 硫化氢的特性 硫化氢的分子量为34 08 密度为1 539mg m3 而且是一种无色 有臭鸡蛋味的 易燃 易爆 有毒和腐蚀性的酸性气体 H2S在水中的溶解度很大 水溶液具有弱酸性 如在1大气压下 30 水溶液中H2S饱和浓度大约是300mg L 溶液的pH值约是4 H2S不仅对人体的健康和生命安全有很大的危害性 而且它对钢材也具有强烈的腐蚀性 对石油 石化工业装备的安全运转存在很大的潜在危险 2 石油工业中的来源 油气中硫化氢的来源除了来自地层以外 滋长的硫酸盐还原菌转化地层中和化学添加剂中的硫酸盐时 也会释放出硫化氢 3 石化工业中的来源 石油加工过程中的硫化氢主要来源于含硫原油中的有机硫化物如硫醇和硫醚等 这些有机硫化物在原油加工过程进行中受热会转化分解出相应的硫化氢 干燥的H2S对金属材料无腐蚀破坏作用 H2S只有溶解在水中才具有腐蚀性 91 表2 4H2S浓度对应的危害性 1 湿硫化氢环境的定义 1 国际上湿硫化氢环境的定义 美国腐蚀工程师协会 NACE 的MR0175 97 油田设备抗硫化物应力开裂金属材料 标准 酸性气体系统 气体总压 0 4MPa 并且H2S分压 0 0003MPa 酸性多相系统 当处理的原油中有两相或三相介质 油 水 气 时 条件可放宽为 气相总压 1 8MPa且H2S分压 0 0003MPa 当气相压力 1 8MPa且H2S分压 0 07MPa 或气相H2S含量超过15 四 硫化氢腐蚀机理 2 国内湿硫化氢环境的定义 在同时存在水和硫化氢的环境中 当硫化氢分压大于或等于0 00035MPa时 或在同时存在水和硫化氢的液化石油气中 当液相的硫化氢含量大于或等于10 10 6时 则称为湿硫化氢环境 3 硫化氢的电离 在湿硫化氢环境中 硫化氢会发生电离 使水具有酸性 硫化氢在水中的离解反应式为 H2S H HS 1 HS H S2 2 2 硫化氢电化学腐蚀过程 阳极 Fe 2e Fe2 阴极 2H 2e Had Had 2H H2 H 钢中扩散其中 Had 钢表面吸附的氢原子 H 钢中的扩散氢 阳极反应产物 Fe2 S2 FeS 注 钢材受到硫化氢腐蚀以后阳极的最终产物就是硫化亚铁 该产物通常是一种有缺陷的结构 它与钢铁表面的粘结力差 易脱落 易氧化 且电位较正 因而作为阴极与钢铁基体构成一个活性的微电池 对钢基体继续进行腐蚀 硫化氢电化学腐蚀过程 阳极 Fe 2e Fe2 阴极 2H 2e Had Had 2H H2 H 钢中扩散其中 Had 钢表面吸附的氢原子 H 钢中的扩散氢 阳极反应产物 Fe2 S2 FeS 五 硫化氢引起氢损伤的腐蚀类型 反应产物氢一般认为有两种去向 一是氢原子之间有较大的亲和力 易相互结合形成氢分子排出 另一个去向就是由于原子半径极小的氢原子获得足够的能量后变成扩散氢 H 而渗入钢的内部并溶入晶格中 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 氢脆 和氢损伤 99 五 硫化氢引起氢损伤的腐蚀类型 1 氢压理论 与形成氢致鼓泡原因一样 在夹杂物 晶界等处形成的氢气团可产生一个很大的内应力 在强度较高的材料内部产生微裂纹 并由于氢原子在应力梯度的驱使下 向微裂纹尖端的三向拉应力区集中 使晶体点阵中的位错被氢原子 钉扎 钢的塑性降低 当内压所致的拉应力和裂纹尖端的氢浓度达到某一临界值时 微裂纹扩展 扩展后的裂纹尖端某处氢再次聚集 裂纹再扩展 这样最终导致破断 2 湿H2S环境中的开裂类型 酸性环境中氢损伤的几种典型形态 氢鼓泡 HB 氢致开裂 HIC 硫化物应力腐蚀开裂 SSCC 应力导向氢致开裂 SOHIC 1 氢鼓泡 HB 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称为氢鼓泡 其分布平行于钢板表面 它的发生无需外加应力 与材料中的夹杂物等缺陷密切相关 2 氢致开裂 HIC 在氢气压力的作用下 不同层面上的相邻氢鼓泡裂纹相互连接 形成阶梯状特征的内部裂纹称为氢致开裂 裂纹有时也可扩展到金属表面 HIC的发生也无需外加应力 一般与钢中高密度的大平面夹杂物或合金元素在钢中偏析产生的不规则微观组织有关 酸性环境下的氢致开裂机理 3 硫化物应力腐蚀开裂 SSCC 湿H2S环境中腐蚀产生的氢原子渗入钢的内部固溶于晶格中 使钢的脆性增加 在外加拉应力或残余应力作用下形成的开裂 叫做硫化物应力腐蚀开裂 工程上有时也把受拉应力的钢及合金在湿H2S及其它硫化物腐蚀环境中产生的脆性开裂统称为硫化物应力腐蚀开裂 SSCC通常发生在中高强度钢中或焊缝及其热影响区等硬度较高的区域 硫化物应力腐蚀开裂机理 硫化物应力腐蚀开裂 SSCC 的特征 在含H2S酸性油气系统中 SSC主要出现于高强度钢 高内应力构件及硬焊缝上 SSC是由H2S腐蚀阴极反应所析出的氢原子 在H2S的催化下进入钢中后 在拉伸应力作用下 通过扩散 在冶金缺陷提供的三向拉伸应力区富集 而导致的开裂 开裂垂直于拉伸应力方向 107 硫化物应力腐蚀开裂 SSC 的本质 SSC的本质属氢脆 SSC属低应力破裂 发生SSCC的应力值通常远低于钢材的抗拉强度 SSCC具有脆性机制特征的断口形貌 穿晶和沿晶破坏均可观察到 一般高强度钢多为沿晶破裂 SSCC破坏多为突发性 裂纹产生和扩展迅速 对SSC敏感的材料在含H2S酸性油气中 经短暂暴露后 就会出现破裂 以数小时到三个月情况为多 硫化氢应力腐蚀和氢致开裂是一种低应力破坏 甚至在很低的拉应力下都可能发生开裂 一般说来 随着钢材强度 硬度 的提高 硫化氢应力腐蚀开裂越容易发生 甚至在百分之几屈服强度时也会发生开裂 硫化物应力腐蚀和氢致开裂均属于延迟破坏 开裂可能在钢材接触H2S后很短时间内 几小时 几天 发生 也可能在数周 数月或几年后发生 但无论破坏发生迟早 往往事先无明显预兆 4 应力导向氢致开裂 SOHIC 在应力引导下 夹杂物或缺陷处因氢聚集而形成的小裂纹叠加 沿着垂直于应力的方向 即钢板的壁厚方向 发展导致的开裂称为应力导向氢致开裂 其典型特征是裂纹沿 之 字形扩展 SOHIC也常发生在焊缝热影响区及其它高应力集中区 与通常所说的SSCC不同的是SOHIC对钢中的夹杂物比较敏感 应力集中常为裂纹状缺陷或应力腐蚀裂纹所引起 据报道 在多个开裂案例中都曾观测到SSCC和SOHIC并存的情况 应力导向氢致开裂示意图 5 应力腐蚀开裂 SCC 的危害 应力腐蚀开裂是环境引起的一种常见的失效形式 美国杜邦化学公司曾分析在4年中发生的金属管道和设备的685例破坏事故 有近60 是由于腐蚀引起 而在腐蚀造成的破坏中 应力腐蚀开裂占13 7 根据各国大量的统计 在不锈钢的湿态腐蚀破坏事故中 应力腐蚀开裂甚至高达60 居各类腐蚀破坏事故之冠 应力腐蚀开裂的频繁发生及其造成的巨大危害 引起了人们的关注 蜡油加氢精制装置某出口管弯头硫化氢应力腐蚀开裂 使用14年后弯头的壁厚减薄 内壁应力腐蚀开裂裂纹形貌 115 六 腐蚀的研究方法 1 静态挂片失重 将所研究的对象静态挂片放置 用差减法测得物件的失重腐蚀速率 2 显微镜观察 用光学显微镜或电子显微镜观察 透射电镜 TEM 扫描电镜 SEM 原子力电子显微镜 AFM 等 116 3 电化学研究 A 伏安法 117 B 阻抗法 118 4 XRD XPS等晶型 成分分析 XRD X衍射及晶型分析XPS 电子能谱仪成分分析 七 硫化氢腐蚀的影响因素 1 材料因素 在油气田开发过程中钻柱可能发生的腐蚀类型中 以硫化氢腐蚀时材料因素的影响作用最为显著 材料因素中影响钢材抗硫化氢应力腐蚀性能的主要有材料的显微组织 强度 硬度以及合金元素等等 显微组织 对应力腐蚀开裂敏感性按下述顺序升高 铁素体中球状碳化物组织 完全淬火和回火组织 正火和回火组织 正火后组织 淬火后未回火的马氏体组织 注 马氏体对硫化氢应力腐蚀开裂和氢致开裂非常敏感 但在其含量较少时 敏感性相对较小 随着含量的增多 敏感性增大 硫化氢应力腐蚀断裂临界应力和材料显微组织之间的关系 应力腐蚀开裂敏感性增加 2 强度和硬度 随屈服强度的升高 临界应力和屈服强度的比值下降 即应力腐蚀敏感性增加 材料硬度的提高 对硫化物应力腐蚀的敏感性提高 材料的断裂大多出现在硬度大于HRC22 相当于HB200 的情况下 因此 通常HRC22可作为判断钻柱材料是否适合于含硫油气井钻探的标准 油气开采及加工工业对不昂贵的 可焊性好的钢材的需要 基本上决定了研究的工作方向就是优先研制抗硫化物腐蚀开裂的低合金高强度钢 合金元素及热处理 碳 C 增加钢中碳的含量 会提高钢在硫化物中的应力腐蚀破裂的敏感性 有害元素 Ni Mn S P 有利元素 Cr Ti 镍 Ni 提高低合金钢的镍含量 会降低它在含硫化氢溶液中对应力腐蚀开裂的抵抗力 原因是镍含量的增加 可能形成马氏体相 所以镍在钢中的含量 即使其硬度HRC 22时 也不应该超过1 含镍钢之所以有较大的应力腐蚀开裂倾向 是因为镍对阴极过程的进行有较大的影响 在含镍钢中可以观察到最低的阴极过电位 其结果是钢对氢的吸留作用加强 导致金属应力腐蚀开裂的倾向性提高 铬 Cr 在含硫化氢溶液中使用的钢 含铬0 5 13 是完全可行的 因为它们在热处理后可得到稳定的组织 含铬量高使钢容易钝化 钼 Mo 钼含量 3 时 对钢在硫化氢介质中的承载能力的影响不大 钛 Ti 钛对低合金钢应力腐蚀开裂敏感性的影响也类似于钼 试验证明 在硫化氢介质中 含碳量低的钢 0 04 加入钛 0 09 Ti 对其稳定性有一定的改善作用 锰 Mn 锰元素是一种易偏析的元素 当偏析区Mn C含量一旦达到一定比例时 在钢材生产和设备焊接过程中 产生出马氏体 贝氏体高强度 低韧性的显微组织 表现出很高的硬度 对设备抗SSCC是不利的 对于碳钢一般限制锰含量小于1 6 少量的Mn能将硫变为硫化物并以硫化物形式排出 同时钢在脱氧时 使用少量的锰后 也会形成良好的脱氧组织而起积极作用 硫 S 硫对钢的应力腐蚀开裂稳定性是有害的 随着硫含量的增加 钢的稳定性急剧恶化 主要原因是硫化物夹杂是氢的积聚点 使金属形成有缺陷的组织 同时硫也是吸附氢的促进剂 因此 非金属夹杂物尤其是硫化物含量的降低 分散化以及球化均可以提高钢 特别是高强度钢 在引起金属增氢介质中的稳定性 磷 P 除了形成可引起钢红脆 热脆 和塑性降低的易熔共晶夹杂物外 还对氢原子重新组合过程 Had Had H2 起抑制作用 使金属增氢效果增加 从而也就会降低钢在酸性的 含硫化氢介质中的稳定性 冷加工 经冷轧制 冷锻 冷弯或其他制造工艺以及机械咬伤等产生的冷变形 不仅使冷变形区的硬度增大 而且还产生一个很大的残余应力 有时可高达钢材的屈服强度 从而导致对SSCC敏感 一般说来钢材随着冷加工量的增加