煉廠濕硫化氫環(huán)境儀表材質(zhì)的選用
發(fā)布時(shí)間：2019-04-26 發(fā)布作者：
摘要: 大多數(shù)煉廠的加工流程中都會(huì)產(chǎn)生硫化氫，濕硫化氫環(huán)境中儀表材質(zhì)的選用，國(guó)內(nèi)目前無(wú)相關(guān)規(guī)定或標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行約束。作者結(jié)合多年煉廠設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，介紹了煉廠濕硫化氫環(huán)境下儀表材質(zhì)如何選擇和材質(zhì)選擇時(shí)需注意的諸多相關(guān)問(wèn)題。
我國(guó)目前石化行業(yè)的油源，來(lái)自世界各地，重質(zhì)油、高硫、高酸原油的比例越來(lái)越大，原油的劣質(zhì)化程度也越來(lái)越高。越來(lái)越多的企業(yè)為增強(qiáng)自身的競(jìng)爭(zhēng)力，降低原油成本，加工劣質(zhì)原油的比例越來(lái)越高，但劣質(zhì)原油中含硫量也往往很高，含硫油會(huì)在加工過(guò)程中產(chǎn)生硫化氫，而硫化氫對(duì)各種設(shè)備、管道、儀表等的腐蝕，是煉廠中必須重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。近幾年，各大煉油企業(yè)為適應(yīng)加工劣質(zhì)原油的需要，不得已而進(jìn)行了新一輪的技術(shù)方案改造和升級(jí)。
1 硫化氫來(lái)源
按目前煉廠大多數(shù)的加工流程，加工含硫油時(shí)產(chǎn)生硫化氫的裝置或單元很多，主要有:
1)原油發(fā)生熱裂解或催化裂解的裝置:如常減壓、焦化、催化、延遲減粘等。
2)加氫裝置:如汽油加氫、柴油加氫、加氫裂化、渣油加氫、航煤加氫、石腦油加氫、重整原料加氫預(yù)處理等。
3)酸性水汽提、溶劑再生、硫磺回收、制硫酸等。
一個(gè)完整的煉廠流程，同時(shí)建有上述產(chǎn)生硫化氫的單元會(huì)很多，用于檢測(cè)或控制含有硫化氫介質(zhì)的各類儀表有很多，如溫度計(jì)、
壓力表、
流量計(jì)、
液位計(jì)、控制閥、分析儀，以及安裝這些儀表的測(cè)量管線及儀表管閥件等，為保證這些儀表的正常、安全使用，這些儀表的材質(zhì)如何選擇，是擺在用戶、設(shè)計(jì)院、制造廠面前一個(gè)棘手的問(wèn)題。
2 硫化氫腐蝕的特點(diǎn)
硫化氫與游離水共同存在時(shí)，也就是濕硫化氫，以下簡(jiǎn)稱硫化氫。只有濕硫化氫才會(huì)對(duì)金屬材質(zhì)產(chǎn)生腐蝕。只含硫化氫，不含水時(shí)，即干硫化氫，對(duì)金屬材料幾乎沒(méi)有腐蝕作用。硫化氫主要是引起金屬材料應(yīng)力開(kāi)裂，由拉應(yīng)力和腐蝕共同作用引起的金屬材料開(kāi)裂。硫化氫引起的應(yīng)力腐蝕和一般的腐蝕機(jī)理不一樣，一般的腐蝕是由外往里層層“均勻”腐蝕，如圖 1。硫化氫引起的腐蝕往往是局部發(fā)生腐蝕，由于金屬內(nèi)部存在拉應(yīng)力，導(dǎo)致金屬被“拉裂”，如圖 2，很像切一個(gè)熟透的 西瓜，用刀在西瓜皮上輕輕一點(diǎn)，西瓜皮突然崩開(kāi)一樣，如圖 3。
因硫化氫引起的儀表腐蝕后果一般有測(cè)量精度降低、儀表動(dòng)作失靈、閥門內(nèi)漏、儀表破裂外漏等。
3 硫化氫腐蝕的解決辦法
根據(jù)硫化氫腐蝕是由拉應(yīng)力和腐蝕共同作用引起的這一特點(diǎn)，材料選擇和材料應(yīng)力處理都是圍繞這兩方面來(lái)進(jìn)行的:
1)采用耐腐蝕材質(zhì);
2)降低材質(zhì)的硬度。
需要解釋的是，硬度和拉應(yīng)力相關(guān)，拉應(yīng)力是抗硫應(yīng)力開(kāi)裂(SSC)敏感性的主要因素。因硬度測(cè)試是非破壞性的，并且和拉伸實(shí)驗(yàn)相比需要的樣品量相對(duì)較少，因此硬度普遍被用作抗 SSC 的指標(biāo)。
4 抗硫化氫材質(zhì)的要求
對(duì)于煉廠含濕硫化氫時(shí)儀表常用到的材質(zhì)，目前可參考的標(biāo)準(zhǔn)為 NACE MＲ0103，要求如下:
4． 1 碳鋼類
鑄造碳鋼:ASTM A216 WCB、ASTM A216 WCC;
鍛造碳鋼:ASTM A105。
其硬度不允許超過(guò) 22 HＲC。
4． 2 合金鋼
鑄造合金鋼:A217 WC6、A217 WC9;
鍛造合金鋼:A182 F11、A182 F22;
以上統(tǒng)稱為合金 (鉻鉬)鋼。
其硬度不允許超過(guò) 22 HＲC。
4． 3 奧氏體不銹鋼
NACE MＲ0103 規(guī)定奧氏體不銹鋼的硬度不超過(guò) 22 HＲC，不允許為提高機(jī)械性而增加鉛( lead) 和硒( selenium)。并且?jiàn)W氏體不銹鋼的化學(xué)成分還需滿足表 1 要求。
4． 4 高合金不銹鋼
儀表 常 用 的 高 合 金 不 銹 鋼 有: Stellite，Inconel，Incoloy，Hastelloy，Monel。
高合金奧氏體不銹鋼必須退火處理或退火 + 冷加工，硬度不超過(guò) 35 HＲC。
并且，高合金奧氏體不銹鋼的化學(xué)成分必須滿足:
(1) % Ni + (2 x % Mo) ＞ 30 且 Mo ＞ 2% ，或
(2) % Cr + 3． 3(% Mo + 0． 5 × % W) + 16 × % N = PＲEN ＞40% 。
PＲEN 為點(diǎn)蝕當(dāng)量。
4． 5 雙相不銹鋼
鍛造和鑄造雙相不銹鋼必須經(jīng)固熔退火和液淬。管材必須在液體、空氣或惰性氣體中快速淬火冷卻至 315 ℃ 一下。鐵素體體積含量必須在 35% ～ 65% 范圍內(nèi)。禁止采用時(shí)效熱處理來(lái)增加強(qiáng)度和硬度，因?yàn)檫@會(huì)形成硬脆相。硬度必須符合如下規(guī)定:
% Cr + 3． 3(% Mo + 0． 5 × % W) + 16 × % N = PＲEN≤40%時(shí)，硬度不允許超過(guò) 28HＲC。
% Cr + 3． 3(% Mo + 0． 5 × % W) + 16 × % N = PＲEN ＞ 40%時(shí)，硬度不允許超過(guò) 32HＲC。
4． 6 鐵素體不銹鋼
鐵素體不銹鋼價(jià)格不僅相對(duì)較低且穩(wěn)定，并且具有許多獨(dú)特的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，在許多原先認(rèn)為只能采用奧氏體不銹鋼(300系列)的應(yīng)用領(lǐng)域，鐵素體不銹鋼是一種極為優(yōu)異的替代材料，鐵素體不銹鋼不含鎳，主要元素為鉻( ＞ 10% )和鐵，鉻是不銹鋼特別耐腐蝕的元素，其價(jià)格相對(duì)穩(wěn)定。
主要用于閥門的閥桿、閥芯、閥籠等。
NACE MＲ0103 規(guī)定鐵素體不銹鋼的硬度不超過(guò) 22 HＲC。
4． 7 馬氏體不銹鋼
鉻含量不低于 12% (一般在 12% ～ 18% )，碳含量較高，使用態(tài)組織為馬氏體的不銹鋼。
標(biāo)準(zhǔn)的馬氏體不銹鋼是:403、410、414、416、416( Se)、420、431、440A、440B 和 440C 型，這些鋼材的耐腐蝕性來(lái)自“鉻”，其鉻含量范圍是從 11． 5% 至 18% ，鉻含量愈高的鋼材需碳含量愈高，以確保在熱處理期間馬氏體的形成。630 為沉淀硬化馬氏體不銹鋼。主要用于閥桿、閥芯、閥籠等。NACE MＲ0103 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定馬氏體不銹鋼的硬度不超過(guò) 22HＲC，不可添加鉛、硒或硫等元素。
5 如何保證儀表材質(zhì)滿足要求
為保證儀表在較終使用過(guò)程中其觸液材質(zhì)滿足以上要求，儀表在制造時(shí)，其材質(zhì)一般有兩種來(lái)源:一種是購(gòu)買滿足要求的材質(zhì)進(jìn)行加工，另一種是在加工后進(jìn)行熱處理，保證其材質(zhì)滿足要求。
以下幾點(diǎn)需要注意:
1)設(shè)計(jì)時(shí)，需特別注明介質(zhì)是否含有濕硫化氫。
2)即使加工前的材質(zhì)滿足要求，但其加工過(guò)程中是否含有使其硬度增加的工序，或破壞其晶間結(jié)構(gòu)的工序，否則應(yīng)對(duì)加工件進(jìn)行相應(yīng)熱處理，保證滿足抗硫化氫的要求。
6 儀表哪些材質(zhì)需要抗硫化氫
總的來(lái)講，凡是與含硫化氫介質(zhì)接觸的部位的材質(zhì)均需要選用抗硫化氫材質(zhì)。
6． 1 儀表設(shè)備
a) 溫度計(jì)套管及法蘭。
c) 液位計(jì)，如玻璃板、磁浮子、浮筒、浮球、磁致伸縮等。
d) 控制閥閥體及閥內(nèi)件。
e) 壓力表波登管、普通壓力/差壓變送器的感壓元件，隔膜壓力表和隔膜壓力(差壓)變送器的感壓膜片和法蘭。
6． 2 儀表導(dǎo)壓管及管閥件
a) 材質(zhì)為 316 不銹鋼或高合金奧氏體不銹鋼時(shí)，滿足抗硫化氫材質(zhì)要求，不需再做其他另行規(guī)定，但選用 316 材質(zhì)時(shí)，需符合表 1 的要求。
b) 材質(zhì)為碳鋼時(shí)，儀表導(dǎo)壓管及管閥件應(yīng)滿足規(guī)定要求，且焊接部位應(yīng)進(jìn)行熱處理，硬度也不能大于 22HＲC。
7 幾個(gè)誤區(qū)
1)NACE MＲ0103 只適用煉廠環(huán)境，NACE MＲ0175 只適用于油田或管道環(huán)境，兩種不能混淆，適用環(huán)境不一樣。
2)不銹鋼雖然抗腐蝕性能好，但對(duì)抗硫化氫腐蝕不是萬(wàn)能的，其硬度和成份均應(yīng)需滿足要求。
3)高合金不銹鋼，如 Stellite，Inconel，其硬度和成份均也需滿足要求。
4)適用于抗硫化氫的材質(zhì)，材質(zhì)范圍很廣，碳鋼在滿足要求時(shí)，也能使用。在選擇相應(yīng)材質(zhì)時(shí)，還需考慮材料的經(jīng)濟(jì)性和材料來(lái)源的容易程度，并結(jié)合生產(chǎn)廠家材質(zhì)推薦。推薦材質(zhì)選擇順序:碳鋼→奧氏體不銹鋼(合金鋼、馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼)→高合金不銹鋼。
8 需注意的問(wèn)題
在選擇抗硫化氫材質(zhì)時(shí)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中的材質(zhì)使用情況，NACE MＲ0103 是在實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的基礎(chǔ)上總結(jié)出來(lái)的，如果某種材質(zhì)在實(shí)際使用中，抗 H2 S 效果很好，可以不遵循規(guī)定要求。
含硫化氫，但不含游離水時(shí)，則無(wú)需考慮硫化氫腐蝕問(wèn)題，因?yàn)榱蚧瘹渲挥信c游離水結(jié)合時(shí)，才會(huì)有腐蝕性。雖然正常工況不會(huì)出現(xiàn)濕硫化氫的情況，但還需考慮開(kāi)停工、生產(chǎn)不正常時(shí)是否存在濕硫化氫的情況，如果存在，還需選擇抗硫化氫的材質(zhì)。
腐蝕情況嚴(yán)重時(shí)，對(duì)相關(guān)材質(zhì)無(wú)規(guī)定或又無(wú)使用經(jīng)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果再?zèng)Q定是否使用。在選擇抗硫化氫材質(zhì)時(shí)，還需考慮其使用溫度、壓力及其他種類腐蝕問(wèn)題。
9 結(jié)束語(yǔ)
煉廠濕硫化氫環(huán)境儀表材質(zhì)如何選用，除按參考相關(guān)規(guī)定規(guī)范進(jìn)行要求外，還應(yīng)結(jié)合儀表生產(chǎn)制造廠相關(guān)材質(zhì)來(lái)源的容易程度及材料的經(jīng)濟(jì)性，實(shí)際選用中應(yīng)靈活掌握，選用較適合、較經(jīng)濟(jì)的材料。
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