煉廠濕硫化氫環(huán)境儀表材質(zhì)的選用
發(fā)布時間：2019-04-26 發(fā)布作者：
摘要: 大多數(shù)煉廠的加工流程中都會產(chǎn)生硫化氫，濕硫化氫環(huán)境中儀表材質(zhì)的選用，國內(nèi)目前無相關(guān)規(guī)定或標準進行約束。作者結(jié)合多年煉廠設(shè)計經(jīng)驗，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)選擇時需注意的諸多相關(guān)問題。
我國目前石化行業(yè)的油源，來自世界各地，重質(zhì)油、高硫、高酸原油的比例越來越大，原油的劣質(zhì)化程度也越來越高。越來越多的企業(yè)為增強自身的競爭力，降低原油成本，加工劣質(zhì)原油的比例越來越高，但劣質(zhì)原油中含硫量也往往很高，含硫油會在加工過程中產(chǎn)生硫化氫，而硫化氫對各種設(shè)備、管道、儀表等的腐蝕，是煉廠中必須重點考慮的問題。近幾年，各大煉油企業(yè)為適應(yīng)加工劣質(zhì)原油的需要，不得已而進行了新一輪的技術(shù)方案改造和升級。
1 硫化氫來源
按目前煉廠大多數(shù)的加工流程，加工含硫油時產(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。
一個完整的煉廠流程，同時建有上述產(chǎn)生硫化氫的單元會很多，用于檢測或控制含有硫化氫介質(zhì)的各類儀表有很多，如溫度計、
壓力表、
流量計、
液位計、控制閥、分析儀，以及安裝這些儀表的測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)計院、制造廠面前一個棘手的問題。
2 硫化氫腐蝕的特點
硫化氫與游離水共同存在時，也就是濕硫化氫，以下簡稱硫化氫。只有濕硫化氫才會對金屬材質(zhì)產(chǎn)生腐蝕。只含硫化氫，不含水時，即干硫化氫，對金屬材料幾乎沒有腐蝕作用。硫化氫主要是引起金屬材料應(yīng)力開裂，由拉應(yīng)力和腐蝕共同作用引起的金屬材料開裂。硫化氫引起的應(yīng)力腐蝕和一般的腐蝕機理不一樣，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，很像切一個熟透的 西瓜，用刀在西瓜皮上輕輕一點，西瓜皮突然崩開一樣，如圖 3。
因硫化氫引起的儀表腐蝕后果一般有測量精度降低、儀表動作失靈、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，材料選擇和材料應(yīng)力處理都是圍繞這兩方面來進行的:
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)力開裂(SSC)敏感性的主要因素。因硬度測試是非破壞性的，并且和拉伸實驗相比需要的樣品量相對較少，因此硬度普遍被用作抗 SSC 的指標。
4 抗硫化氫材質(zhì)的要求
對于煉廠含濕硫化氫時儀表常用到的材質(zhì)，目前可參考的標準為 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 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 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 22 HＲC，不允許為提高機械性而增加鉛( lead) 和硒( selenium)。并且奧氏體不銹鋼的化學(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 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 為點蝕當量。
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)。禁止采用時效熱處理來增加強度和硬度，因為這會形成硬脆相。硬度必須符合如下規(guī)定:
% Cr + 3． 3(% Mo + 0． 5 × % W) + 16 × % N = PＲEN≤40%時，硬度不允許超過 28HＲC。
% Cr + 3． 3(% Mo + 0． 5 × % W) + 16 × % N = PＲEN ＞ 40%時，硬度不允許超過 32HＲC。
4． 6 鐵素體不銹鋼
鐵素體不銹鋼價格不僅相對較低且穩(wěn)定，并且具有許多獨特的特點和優(yōu)勢，在許多原先認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，其價格相對穩(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 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。
標準的馬氏體不銹鋼是: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 標準規(guī)定馬氏體不銹鋼的硬度不超過 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程中其觸液材質(zhì)滿足以上要求，儀表在制造時，其材質(zhì)一般有兩種來源:一種是購買滿足要求的材質(zhì)進行加工，另一種是在加工后進行熱處理，保證其材質(zhì)滿足要求。
以下幾點需要注意:
1)設(shè)計時，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)對加工件進行相應(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) 溫度計套管及法蘭。
b) 流量計，如管道安裝式流量計（比如柴油
橢圓齒輪流量計）、插入式流量計。
c) 液位計，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，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，需符合表 1 的要求。
b) 材質(zhì)為碳鋼時，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)進行熱處理，硬度也不能大于 22HＲC。
7 幾個誤區(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，但對抗硫化氫腐蝕不是萬能的，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，也能使用。在選擇相應(yīng)材質(zhì)時，還需考慮材料的經(jīng)濟性和材料來源的容易程度，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 需注意的問題
在選擇抗硫化氫材質(zhì)時，應(yīng)結(jié)合實際生產(chǎn)中的材質(zhì)使用情況，NACE MＲ0103 是在實際使用經(jīng)驗和實驗室試驗的基礎(chǔ)上總結(jié)出來的，如果某種材質(zhì)在實際使用中，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，則無需考慮硫化氫腐蝕問題，因為硫化氫只有與游離水結(jié)合時，才會有腐蝕性。雖然正常工況不會出現(xiàn)濕硫化氫的情況，但還需考慮開停工、生產(chǎn)不正常時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)。
腐蝕情況嚴重時，對相關(guān)材質(zhì)無規(guī)定或又無使用經(jīng)驗時，應(yīng)進行腐蝕試驗，根據(jù)試驗結(jié)果再決定是否使用。在選擇抗硫化氫材質(zhì)時，還需考慮其使用溫度、壓力及其他種類腐蝕問題。
9 結(jié)束語
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)來源的容易程度及材料的經(jīng)濟性，實際選用中應(yīng)靈活掌握，選用較適合、較經(jīng)濟的材料。
在線客服1號
