天然氣管道用閥門防腐注意事項

                            天然氣管道用閥門防腐注意事項

                           上海申弘閥門有限公司 
1 天然氣管道用閥門防腐注意事項概述 

上海申弘閥門有限公司生產(chǎn)的石油天然氣及石化用各類球閥、閘閥、截止閥、止回閥、蝶閥閥門具有性能優(yōu)異，可靠性高，用途廣泛，價格合理等優(yōu)點。適用于：化工、石油、天然氣、冶金、等行業(yè)及含硫化氫介質(zhì)、雜質(zhì)多、腐蝕嚴(yán)重的天然氣長輸管線。在天然氣的開采過程中，無論是來自油藏的伴生氣還是來自氣藏的非伴生氣，一般都含有液體(液烴、水)和固體物質(zhì)(巖屑、泥沙等)，同時還含有少量非烴類物質(zhì)的混合氣體。非烴類氣體多為氮(N2)、硫化氫(H2S)、二氧化碳(CO2)、有機(jī)硫及氦(He)等。由于這些物質(zhì)的存在和聯(lián)合作用，會使輸送設(shè)備和管道產(chǎn)生磨損、腐蝕等破壞，且可能堵塞管道、儀表管線以及設(shè)備等。因此，為了安全、經(jīng)濟(jì)、有效地輸送天然氣，就必須在輸送前對天然氣進(jìn)行必要的處理，除去部分雜質(zhì)。但這時的天然氣仍不能滿足生產(chǎn)、生活和商業(yè)用氣的需要，還需進(jìn)一步在天然氣凈化廠中進(jìn)行脫烴、脫硫、脫水處理。用于天然氣處理的設(shè)備所接觸的介質(zhì)大部分都含有硫化氫和水，在這種情況下設(shè)備的腐蝕顯得格外復(fù)雜和嚴(yán)重。

    針對硫化氫對設(shè)備的不同腐蝕情況，我們應(yīng)進(jìn)行深入細(xì)致的分析和研究，在設(shè)備設(shè)計時采取相應(yīng)的對策和措施來防止或減輕其腐蝕，以確保設(shè)備的使用壽命和安全運行。

  1.因管線輸送的天然氣在脫硫前含有大量的硫化氫(這是一種有毒且腐蝕性*的氣體)。即使經(jīng)過脫硫等工藝處理的天然氣，仍有殘存的硫化氫。故管線閥門選材要選耐腐蝕的抗硫材料。

2.一般城市天然氣減壓閥天然氣管線都在上百公里以上，只能定期巡邏、檢查，而且有時管線需要通過情況復(fù)雜的地區(qū)，介質(zhì)的漏失可能會帶來嚴(yán)重的火災(zāi)事故。尤其是離城市較近的管線，防止閥門的外漏顯得尤為重要。

3.管線一旦投入運行，幾年內(nèi)不允許停止運行，不允許有片刻間斷，更沒有大修期。串聯(lián)在管道上的管線閥門一旦失靈，后果不堪設(shè)想。因此管線閥門的易損件就要求壽命長。

4.控制人員一般在站內(nèi)或是控制室，就要求對閥門(硬密封蝶閥)有可靠的控制性能，且要求閥門自身有防護(hù)與防爆的措施。尤其是長開的閥門，要求在情況突變之中，作到準(zhǔn)確切斷。因此可靠的控制性能成為重點。

    2 硫化氫的性質(zhì)和特點

    硫化氫(H2S)是可燃性無色氣體，具有典型的臭雞蛋味。空氣中爆炸極限為4.3%～45.5%(體積比)。

    硫化氫的分子量為34.08，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，密度為1.539mg/m3，在水中的溶解度隨著溫度升高而降低。在760mmHg(相當(dāng)于133.322Pa)30℃時，硫化氫在水中的飽和濃度大約為3580mg/L。

    干燥的硫化氫對金屬材料無腐蝕破壞作用，硫化氫在露點和露點以下才具有腐蝕性。

    3 硫化氫的腐蝕特點

    硫化氫對天然氣處理設(shè)備的腐蝕大致分為三種：電化學(xué)腐蝕、硫化物應(yīng)力開裂(SSC)和氫誘發(fā)裂紋(HIC)。這三種腐蝕對設(shè)備的破壞和造成的危害各不相同，因此我們在設(shè)備設(shè)計中所采取的對策和措施也不相同。

    3.1 硫化氫對設(shè)備的電化學(xué)腐蝕

    金屬的電化學(xué)腐蝕是指金屬與電介質(zhì)溶液發(fā)生電化學(xué)作用而引起的破壞現(xiàn)象，主要特點是在腐蝕過程中同時存在著兩個相對獨立的反應(yīng)過程，即陽極反應(yīng)和陰極反應(yīng)[1]。天然氣處理設(shè)備所接觸的介質(zhì)如同時含有硫化氫和水，則硫化氫就會成為硫化氫溶液。在H2S溶液中，含有H+，S2-和H2S分子，它們對金屬的腐蝕是氫去極化過程，釋放出的H+是強(qiáng)去極化劑，極易在陰極奪取電子，促進(jìn)陽極鐵溶解導(dǎo)致金屬的全面腐蝕[2]，也就是我們通常所說的均勻腐蝕、坑蝕和點蝕。隨著時間的推移，這種腐蝕會使設(shè)備的壁厚不斷減薄，直至不能滿足強(qiáng)度要求而使設(shè)備報廢。

    3.2 硫化物應(yīng)力開裂

    應(yīng)力腐蝕(SCC)是指金屬材料在特定腐蝕介質(zhì)和拉應(yīng)力共同作用下發(fā)生的脆性斷裂。材料會在沒有明顯預(yù)兆的情況下突然斷裂，因此應(yīng)力腐蝕又稱為“災(zāi)難性腐蝕”[3]。發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的時間有長有短，有經(jīng)過短時間就開裂的，也有經(jīng)過數(shù)年才開裂，這說明應(yīng)力腐蝕開裂通常有一個或長或短的孕育期。應(yīng)力腐蝕裂紋呈枯樹枝狀，大體上沿著垂直于拉應(yīng)力的方向發(fā)展。裂紋的微觀形態(tài)有穿晶型、沿晶型和二者兼有的混合型。發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂需要具備三個基本條件：敏感材料、特定的腐蝕介質(zhì)和拉伸應(yīng)力。

    硫化物應(yīng)力開裂(SSC)是金屬材料在H2S分壓足夠高的濕環(huán)境中受拉應(yīng)力和H2S腐蝕的聯(lián)合作用所引起的材料脆化和開裂過程，其主要表現(xiàn)為：使設(shè)備在繼續(xù)承壓時，恢復(fù)不到正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)；破壞承壓系統(tǒng)的完整性；使設(shè)備喪失基本功能[4]。與其它應(yīng)力腐蝕相同，在斷裂前無任何事前先兆顯示，具有很強(qiáng)的突發(fā)性。多數(shù)情況下在經(jīng)歷不長的服役期(數(shù)小時到3個月)后，在工作截面沒有明顯腐蝕減薄的情況下突然發(fā)生，因而具有*的危害作用[2]。

    3.3 硫化氫的氫誘發(fā)裂紋

    氫誘發(fā)裂紋(HIC)的生成與金屬在濕H2S環(huán)境中的滲氫過程有關(guān)，當(dāng)H+滲透到材料內(nèi)部有夾渣、夾層等缺陷處時，H+聚集形成H2分子，因此，HIC能在金屬材料處于無應(yīng)力狀態(tài)時發(fā)生。HIC生成的驅(qū)動力是靠進(jìn)入鋼中的氫所產(chǎn)生的氣壓。在含H2S的酸性環(huán)境中，由于氫原子的滲透并在鋼材內(nèi)部夾雜物處聚集，并沿著夾層的異常組織擴(kuò)展、產(chǎn)生分層裂紋，當(dāng)裂紋垂直厚度斷面時，就可能引起破壞。

    HIC與SSC是兩類基本互不相關(guān)的開裂。HIC在含H2S氣田上，常見于具有抗SSC性能的延展性較好的低、中強(qiáng)度設(shè)備用鋼上。在設(shè)備內(nèi)表面接近腐蝕介質(zhì)的地方，HIC表現(xiàn)為氫鼓泡。HIC使金屬材料的韌性下降，但在初期不會對金屬材料的承載能力產(chǎn)生明顯的影響。當(dāng)韌性過度下降，尤其是各層的裂紋相互貫通時，HIC就會影響到金屬材料在工作應(yīng)力下的安全，因此它是一種潛在的危險。

    4 天然氣管道用閥門防腐注意事項對策和措施

    針對硫化氫對天然氣處理設(shè)備的三種不同腐蝕，我們在設(shè)備的設(shè)計中可以采取不同的對策和措施來進(jìn)行預(yù)防和防護(hù)。

    4.1 針對硫化氫的電化學(xué)腐蝕

    4.1.1 采用緩蝕劑

    緩蝕劑是一種用于腐蝕環(huán)境中抑制金屬電化學(xué)腐蝕的添加劑。對于一定的金屬———腐蝕介質(zhì)體系，只要在腐蝕介質(zhì)中加入少量的緩蝕劑就能有效地降低金屬的腐蝕速率。緩蝕劑的注入設(shè)備簡單也無需對被保護(hù)的金屬設(shè)備表面進(jìn)行特殊處理。由于用量少，通常不會影響工作介質(zhì)的性能，因此，使用緩蝕劑是一種經(jīng)濟(jì)而且適應(yīng)性較強(qiáng)的金屬電化學(xué)腐蝕防護(hù)措施。

    實踐證明合理添加緩蝕劑是防止含H2S酸性油氣對碳鋼和低合金鋼設(shè)備電化學(xué)腐蝕的一種有效方法。但是，要準(zhǔn)確無誤地控制緩蝕劑的添加，保證生產(chǎn)環(huán)境的腐蝕*處于控制狀態(tài)下是十分困難的。

   4.1.2 采用防腐涂層或襯里

    涂層和襯里的作用都是將腐蝕介質(zhì)和金屬材料分隔開，利用涂層和襯里的耐蝕性，從而達(dá)到防腐的目的。因此，涂層必須有充分的耐蝕能力且不污染工作介質(zhì)；能夠與基體金屬可靠結(jié)合，形成連續(xù)致密的覆蓋層；能夠適應(yīng)操作溫度、工作壓力和液體沖刷作用的要求；應(yīng)便于施工且具備檢測施工質(zhì)量的技術(shù)手段。由于涂層在施工、質(zhì)量檢測和缺陷修復(fù)上都比較麻煩并有一定的技術(shù)難度，所以其使用受到了一定的限制。襯里層通常為耐腐蝕的不銹鋼材料，可以采用熱套的方式進(jìn)行施工，也可直接用復(fù)合鋼板來制作設(shè)備殼體。熱套襯里通常是在較高的溫度下進(jìn)行，復(fù)合鋼板筒體的卷制和封頭的沖壓都有可能在高溫下進(jìn)行，而這一溫度又正好在不銹鋼的敏化溫度區(qū)，雖然在加工工藝上都采取了一定的措施，但對不銹鋼的耐蝕性還是有一定的影響。另一方面，采用涂層和襯里的費用也是比較高的，因此在設(shè)備設(shè)計中，除非有特殊要求，一般都不采取這兩種方式。

    4.1.3 選取適當(dāng)?shù)母g裕量

    這是我們目前在設(shè)備設(shè)計中采用得多的一種方式。普通低碳鋼在不同濃度H2S水溶液中的腐蝕速率是不同的。H2S水溶液對普通低碳鋼的腐蝕速率大致為0.2～0.5mm/a，大不超過0.65mm/a[2]。如果選取的腐蝕裕量為4～6mm，則可保證設(shè)備具有一定的預(yù)期使用壽命。并且我們可以通過定期的檢測來了解設(shè)備的實際壁厚，當(dāng)其不滿足強(qiáng)度要求時能及時停止設(shè)備的使用，因而不會造成安全事故的發(fā)生。

    4.2 針對硫化物應(yīng)力開裂

    SY/T0599-2006《天然氣地面設(shè)施抗硫化物應(yīng)力開裂金屬材料要求》規(guī)定：在露點和露點以下，含有水和硫化氫的天然氣，當(dāng)氣體中的硫化氫分壓大于或等于0.0003MPa(絕)時，稱為酸性天然氣。酸性天然氣可引起敏感材料的硫化物應(yīng)力開裂[4]。因此，當(dāng)設(shè)備的設(shè)計參數(shù)在以上規(guī)定范圍內(nèi)時，就必須在設(shè)計的選材和技術(shù)要求上采取相應(yīng)的措施來保證設(shè)備的安全性。

    4.2.1 合理選材

    所選材料必須符合SY/T0599-2006《天然氣地面設(shè)施抗硫化物應(yīng)力開裂金屬材料要求》的規(guī)定：材料的含鎳量必須低于1%，屈服強(qiáng)度應(yīng)低于360MPa，硬度值必須小于或等于HRC22。鋼板應(yīng)逐張進(jìn)行超聲檢測。焊接材料的選配應(yīng)按焊縫與母材等強(qiáng)度或略高，其它機(jī)械性能也基本相同的原則。

    4.2.2 控制應(yīng)力

    產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的必要條件之一是要有拉應(yīng)力存在。拉應(yīng)力有兩個來源：一是由焊接、冷加工及安裝時產(chǎn)生的殘余應(yīng)力；二是設(shè)備承受外載產(chǎn)生的應(yīng)力。

    在應(yīng)力腐蝕開裂事故中，一般以殘余應(yīng)力為主[3]，在殘余應(yīng)力中又以焊接應(yīng)力為主。因此，在設(shè)備的設(shè)計、制造和安裝中，應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)具有小的應(yīng)力集中系數(shù)，并使與介質(zhì)接觸的部分具有小的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力往往是引起SSC的主要原因，焊縫強(qiáng)度過高也將導(dǎo)致對SSC的敏感。因此必須在設(shè)備焊接加工完畢后進(jìn)行消除殘余應(yīng)力的整體熱處理(即退火)，并在熱處理后對焊縫進(jìn)行硬度檢查，控制焊接接頭整個斷面的硬度不超過HRC22。

    有資料顯示，當(dāng)設(shè)備殼體的總體一次薄膜應(yīng)力小于0.6σS時，則材料對SSC的敏感性很低，也就是說在這種情況下是不容易發(fā)生SSC的。因此，只要在設(shè)計中適當(dāng)降低材料的許用應(yīng)力是可以達(dá)到這一目的的。

    4.2.3 電化學(xué)保護(hù)

    通過電化學(xué)保護(hù)使金屬離開SSC敏感區(qū)，從而抑制SSC。

    4.2.4 涂層

    好的鍍層(涂層)可使金屬表面和環(huán)境隔離開，從而避免產(chǎn)生SSC。

    4.3 針對氫誘發(fā)裂紋
 
    降低鋼材從環(huán)境中吸收氫的含量和提高鋼材產(chǎn)生HIC的低極限氫含量是控制設(shè)備發(fā)生HIC的兩個有效的途徑。

    凈化鋼水，降低硫含量和加鈣處理，可降低鋼中MnS等非金屬夾雜物的含量和控制其形態(tài)、對提高熱軋板的抗HIC能力非常有效。

    涂層可以起到保護(hù)鋼材表面不受腐蝕或少受腐蝕的作用，從而降低氫原子的來源；涂層還可以阻止氫原子向鋼中滲透的作用。

    5 結(jié)束語

    針對硫化氫對天然氣處理設(shè)備的這三種腐蝕形式，通過合理的選材并對原材料進(jìn)行適當(dāng)?shù)臋z測，嚴(yán)格控制其內(nèi)部存在的缺陷；在設(shè)計中采取合理的結(jié)構(gòu)，選取適當(dāng)?shù)母g裕量；通過對許用應(yīng)力的合理取值來控制由工作壓力所產(chǎn)生的拉應(yīng)力；采取適合的加工工藝、焊接工藝以及熱處理工藝來減小和消除因加工制作和焊接所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。只要采取了適當(dāng)?shù)拇胧?，是能夠保證設(shè)備的使用性和安全性的。

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