基于高酸性條件下元素硫?qū)μ间摳g的影響分析

唐江

【摘? 要】天然氣中，在硫含量壓力條件和溫度超標(biāo)的情況下，都會形成硫沉積現(xiàn)象，在元素硫大量沉積的背景下，會直接造成流體通道堵塞問題，會直接發(fā)生采輸系統(tǒng)嚴(yán)重腐蝕現(xiàn)象。為解決這種問題，需要通過電化學(xué)極化測試方法，全面開展碳鋼腐蝕性能實(shí)驗(yàn)，對元素硫進(jìn)行現(xiàn)場的沉積方式模擬，通過這種方法才能發(fā)揮出全部的碳鋼腐蝕性實(shí)驗(yàn)效果，同時也能針對現(xiàn)場產(chǎn)生的沉積方式進(jìn)行模擬，降低對碳鋼腐蝕性能產(chǎn)生的影響。

【Abstract】In natural gas， when the sulfur content pressure condition and temperature exceed the standard， the sulfur deposition phenomenon will be formed. Under the background of a large amount of elemental sulfur deposition， the fluid channel blockage will be directly caused， and the serious corrosion phenomenon of the production and transportation system will directly occur. In order to solve this problem， it is necessary to carry out corrosion test of carbon steel by means of electrochemical polarization test， and simulate the deposition mode of elemental sulfur in situ. Only in this way can we give full play to the corrosion test effect of carbon steel， and at the same time， we can also simulate the deposition mode generated in the field to reduce the influence on the corrosion performance of carbon steel.

【關(guān)鍵詞】高酸性條件;元素硫;碳鋼腐蝕

【Keywords】high acid condition; elemental sulfur; carbon steel corrosion

【中圖分類號】TE980? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2021）08-0172-02

1 引言

在高含硫天然氣中硫含量的溫度和壓力條件會直接影響最終的硫沉積。具有沉積類型的元素硫，將固態(tài)顆粒作為內(nèi)部不可缺少的重要部分，之后使用硫懸浮溶液，在較高的環(huán)境溫度下確保硫形式存在的意義，液態(tài)硫也會隨著溫度的改變在管道內(nèi)壁形成附著，在元素硫大量沉積的背景下，會直接堵塞通道，最終導(dǎo)致關(guān)井停產(chǎn)。元素硫不僅會直接堵塞采輸系統(tǒng)，同時還會對日常的工作造成影響，對于系統(tǒng)運(yùn)行也會產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕。在應(yīng)用元素硫的過程中，需要將重點(diǎn)集中在硫沉積部位，做好局部腐蝕問題處理，對于一些可能發(fā)生穿孔的腐蝕部位，需要在管底進(jìn)行孤立點(diǎn)蝕[1，2]。

2 試驗(yàn)方法

在進(jìn)入全新發(fā)展階段的背景下，元素硫侵蝕問題已經(jīng)被人們所重視，并且也逐漸成為世界領(lǐng)域中的研究重點(diǎn)，但是到目前為止仍然沒有針對元素硫進(jìn)行統(tǒng)一的定義，對于腐蝕機(jī)理方面認(rèn)知不夠準(zhǔn)確。在這種情況下，只有合理應(yīng)用電化學(xué)極化測試和失衡腐蝕測試等組合體系，全面地開展元素硫腐蝕性能研究，對元素硫的現(xiàn)場沉積方式進(jìn)行模擬，從而了解沉積方法和出現(xiàn)的腐蝕性能，為工程概況和材質(zhì)的選擇提供良好環(huán)境，并且還能為腐蝕監(jiān)測提供技術(shù)支撐。在實(shí)驗(yàn)過程中主要使用了L245低碳鋼，電化學(xué)反應(yīng)和失衡條件分別為1.4MPa和1.6MPa，元素硫主要通過傳統(tǒng)的方式進(jìn)行保留，試驗(yàn)溫度可能在60℃之上，試驗(yàn)周期可以確定為3D。在具體的實(shí)驗(yàn)開展過程中需要參考相關(guān)數(shù)據(jù)資料，這樣才能確保電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)條件滿足水溶液需求，另外還需要針對元素硫涂覆方式進(jìn)行重新選擇。

3 結(jié)果與討論

干的硫本身沒有腐蝕性 （高溫或超高溫硫腐蝕除外），但是一旦遇到H2O、H2S和Fe2S3，它將作為催化劑，所引起的材料腐蝕速率高達(dá)55mm/a，這被認(rèn)為是元素硫誘導(dǎo)腐蝕的典型特性。1953年元素硫的腐蝕性首次被發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)arrer將硫的懸濁液作為鋼和鐵的浸蝕劑，發(fā)現(xiàn)30℃時含20%懸浮硫的溶液與含3%鹽酸溶液具有相同的腐蝕性，而且金屬的腐蝕速率隨懸浮的硫含量的增加而增大。1978年，MacDonald進(jìn)一步對碳鋼在濕硫條件下的腐蝕行為開展系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)災(zāi)難性的元素硫腐蝕需要一定的孕育期，其腐蝕行為受元素硫的粒徑和溶液初始pH值的影響。20世紀(jì)80年代，Hyne研究發(fā)現(xiàn)在Cl-存在的條件下，元素硫的腐蝕特征對pH值的變化非常敏感，并認(rèn)為元素硫在中性pH值條件下的腐蝕速率較大，且腐蝕速率隨著Cl-濃度的增大而線性增大。Kuster發(fā)現(xiàn)材料的腐蝕速率在含元素硫的無氧環(huán)境中隨Cl-濃度的增大，呈先增大后減小的趨勢，最大值（15mm/a）在Cl-濃度為0.01mol/L時取得，此時的點(diǎn)蝕速率更是增大到25mm/a?？梢姡亓蚴且环N強(qiáng)氧化劑，它不僅明顯地改變體系環(huán)境的腐蝕性，而且使碳鋼以災(zāi)難性的速率被腐蝕，耐蝕合金的局部腐蝕和SCC敏感性也因此而增長。

3.1 元素硫?qū)Σ牧想娀瘜W(xué)失衡侵蝕性能的影響

碳鋼在腐蝕介質(zhì)中腐蝕失重的具體表現(xiàn)如表1所示。

通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察可以看出，在元素硫中存有大量的碳鋼腐蝕速率，因此需要在合理的狀態(tài)下，對腐蝕速率進(jìn)行狀態(tài)確定，這樣才能確保元素硫的含量不斷提升，碳鋼的腐蝕性能也會隨之增加。通過針對腐蝕產(chǎn)物的具體研究和觀察，可以看出，腐蝕產(chǎn)物有著明顯的逐漸增長狀態(tài)，在懸浮溶液中，還會含有大量針狀晶粒，在腐蝕產(chǎn)物中也會出現(xiàn)不同程度的貫穿裂紋，為膜層內(nèi)外物質(zhì)的傳輸提供了便利環(huán)境，保證了腐蝕進(jìn)行的速度。通過對不同環(huán)境內(nèi)部的腐蝕現(xiàn)象進(jìn)行了解可以看出，S元素在膜外層的分布相對較多，C元素分布情況相對較弱，因此需要對聚集形成現(xiàn)象進(jìn)行了解。通過對射線進(jìn)行分析可以了解到，碳鋼在元素硫的限制之下，可能會形成不同的馬基諾礦型晶粒，在懸浮條件的影響之下，還會出現(xiàn)少量的黃鐵礦。

3.2 S/H，S/H2O體系元素硫腐蝕的電化學(xué)行為研究

在元素硫存在的背景下，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行曲線設(shè)定，并且還要模擬相關(guān)的數(shù)據(jù)，這樣才能確保懸浮元素硫和曲線狀態(tài)之間具有一致性，并且還能做到活性溶解，在受到活化控制的影響之下，陽極曲線較為平坦，在不同的懸浮溶液中，陽極溶液反應(yīng)比較容易開展，在元素硫含量逐漸提升的背景下，陰極傾斜率也會隨之提升，腐蝕電位會逐漸發(fā)生正移，陽極變化不是很大，這也說明了陽極反應(yīng)始終處于不變的狀態(tài)，在其中合理添加元素硫，可以逐漸提升陰極的反應(yīng)，通過分析的方法得出，腐蝕速率有所提升，碳鋼腐蝕速率明顯高于元素懸浮狀態(tài)，和最終的失重腐蝕測試保持一致性。

碳鋼弱勢始終處于50℃環(huán)境內(nèi)部，元素硫表現(xiàn)出高頻和容易抵抗的特點(diǎn)，在低頻率區(qū)域還會出現(xiàn)明顯的特征阻抗。具體的反應(yīng)由電荷轉(zhuǎn)移控制，逐漸變成擴(kuò)散控制。在出現(xiàn)高頻容抗現(xiàn)象時，則可以完全證明在碳鋼的表面已經(jīng)形成了產(chǎn)物膜，在這種狀態(tài)下填入元素硫，高平區(qū)域半徑會逐漸縮短，這種現(xiàn)象也證明了在填入元素硫之后，產(chǎn)物結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，電阻也隨之減小，腐蝕速率有所提升。在針對離子擴(kuò)散的角度來看，需要對界面進(jìn)行了解，通過分析的方法得出元素硫含量逐漸提升30g，在金屬表面也出現(xiàn)了沉積現(xiàn)象，所以可以直接參與到陰極的反應(yīng)中，碳鋼表面匯集了大量的腐蝕產(chǎn)物。元素硫主要沉積在碳鋼的表面部分，相當(dāng)于在表面增加了一層較厚的膜，但是為了確保縫隙的出現(xiàn)，需要做好橫向擴(kuò)散預(yù)防工作。由于內(nèi)部物質(zhì)不具有均勻性，因此需要對侵蝕量進(jìn)行分析，形成一定數(shù)量的腐蝕坑，這樣才能完成化學(xué)測試結(jié)果的相互驗(yàn)證，低頻部分的峰值也不會發(fā)生明顯變化。通過合理的分析認(rèn)為，在生成角度來看，會逐漸出現(xiàn)脫落問題，最終對腐蝕原電池產(chǎn)生影響[3]。

3.3 元素硫存在條件下對碳鋼應(yīng)力腐蝕開裂造成的影響

在一般的情況下，對于元素硫腐蝕角度來看，應(yīng)力腐蝕敏感指數(shù)會隨之增加，并且還會逐漸形成應(yīng)力腐蝕開裂，在洞口部分開裂現(xiàn)象較為明顯，在微觀和整體角度都可以看出，塑性變形特征和斷口面都平齊而光亮，因此需要對放射區(qū)進(jìn)行了解，預(yù)防出現(xiàn)脆弱性斷裂問題。

3.4 元素硫腐蝕機(jī)理研究

通過抗阻測試和極化測試的方法，可以證明最終的測試結(jié)果，通過使用元素硫可以對碳鋼腐蝕性造成直接的促進(jìn)影響，具體的反應(yīng)過程如下：在鋼鐵的表面部分會形成硫化鐵膜，并且通過2種不同的途徑形成在金屬表面，還會產(chǎn)生相應(yīng)的反應(yīng)，表面主要由氧化物膜發(fā)生反應(yīng)得到。鐵離子水解也會對陽極區(qū)域產(chǎn)生影響，在不同的區(qū)域中pH值存在明顯差異，在這種情況下會形成局部腐蝕電池，這種情況也證明了碳鋼在具體的環(huán)境中可能發(fā)生局部腐蝕[4]。通過以上的介紹可以看出，硫化鐵主要由馬基諾礦型晶粒組合而成，使用這種測試結(jié)果可以驗(yàn)證，腐蝕產(chǎn)物主要為馬基諾礦星晶粒，這種情況和分析記憶力之間出現(xiàn)的腐蝕產(chǎn)物保持一致性。

4 結(jié)語

本文主要針對元素硫在具體條件下，對腐蝕產(chǎn)物的成分、結(jié)構(gòu)以及元素進(jìn)行了整體的分析，最終結(jié)果表明，腐蝕產(chǎn)物具有結(jié)構(gòu)松散的特點(diǎn)，沒有發(fā)揮出自身的保護(hù)作用，通過結(jié)合電化學(xué)以及腐蝕失重測試的方法，最終得出元素硫沉積會對碳鋼腐蝕產(chǎn)生直接的影響，結(jié)果表明，元素硫存在條件下，碳鋼SSC敏感性升高，斷口面上主要為放射區(qū)，由塑性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔选?/p>

【參考文獻(xiàn)】

【1】萬紅霞，宋東東，陳長風(fēng)，等.雜散電流與Cl～-對碳鋼腐蝕行為實(shí)驗(yàn)探索與設(shè)計(jì)[J].廣州化工，2021，49（06）：115-117+142.

【2】葛鵬莉，曾文廣，肖雯雯，等.H_2S/CO_2共存環(huán)境中施加應(yīng)力與介質(zhì)流動對碳鋼腐蝕行為的影響[J].中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報，2021，41（02）：271-276.

【3】曾德智，黃致堯，喻智明，等.飽和水蒸氣環(huán)境中CO_2氣相-CO_2超臨界相相變對碳鋼腐蝕行為的影響（英文）[J].Journal of Central South University，2021，28（02）：325-337.

【4】諸勇，王永強(qiáng)，吳丹，等.鉻鹽廢水蒸發(fā)系統(tǒng)腐蝕突變與緩蝕工況研究[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2021，47（02）：55-60.