氢通量检测数据与腐蚀速率对应关系研究

马永明

(中国石化齐鲁分公司检验计量中心，山东 淄博 255434)

1 概述

在石油化工企业，设备管线等钢铁材质的腐蚀会生成氢原子，作为腐蚀产物，氢原子在腐蚀表面(设备或管线的阴内表面)形成，其通用反应方程式为：

Fe + 2H+= Fe2++ 2H

氢原子具有极强的活性，能够渗透通过设备或管线在外表面相互结合成为氢分子形成气泡并释放，而设备管线外表面的氢分子与设备或管线的阴内表面的氢原子成正比，即外壁的氢分子与内壁的腐蚀速率成正比。

氢通量腐蚀检测是一种新型腐蚀监测技术，它通过测定设备管道中因环烷酸腐蚀产生的氢气来反映设备的腐蚀程度，从而实现高温部位腐蚀的快速、准确及无损检测，相比于目前多采用高温测厚、探针检测、馏分油分析三种检测方法，氢通量腐蚀检测特点在于检测速度快，对检测部位的腐蚀趋势性变化能够即时判断，但对检测部位腐蚀程度的定量化描述不够准确，且单次检测数据偶然误差较大，需要在同一部位进行较高频次的检测，通过大量检测数据绘制成曲线来判断腐蚀趋势，并结合其它几种检测手段才能对检测部位的腐蚀情况进行较为全面、准确的判断。

从现场氢通量检测来看，现场影响因素较多，氢通量检测数据与现场腐蚀速率难以精确地找到一个定量化的换算参数，但从氢通量检测机理出发，并利用最简化的理想数学模型，可以尝试估算出一个理想化的换算参数。

2 理论基础及计算

图1 氢通量检测原理

图2 氢通量检测值与管道内壁的氢原子的量成正比关系

目前国际上普遍采用的氢通量腐蚀检测技术为英国ION SCIENCE 公司开发的光电离(photoionisation)微元素测量技术 - Hydrosteel 氢渗透腐蚀测量技术。光电离气体测量技术是典型的分析化学技术，是由气体收集导管、光电离室、传感器和综合分析装置组成。被测量气体通过气体收集导管进入光电离室，其中的紫外线发射器会发出高强度紫外线，使气体电离并具有导电性。此后传感器可以把导电气流中的电流强弱变化以数字信号的形式输入综合分析器，将电流大小及变化规律等信息输出，从而分析气体电离前的成分及浓度，检测原理示意图见图1。

整个分析过程可以在几到十几秒内完成，Hydrosteel通过测量由壁内的氢原子(腐蚀产物)渗透到壁外的量，评估壁内的腐蚀速度，氢通量检测值与管道内壁的氢原子的量成正比(见图2)。

氢通量检测单位为pl/cm2/s，其中：

1pl=10-15m3=10-12l；

氢气密度0.0899 g/L；

氢气摩尔质量2 g/mol；

铁密度7.85 g/cm3；

铁摩尔质量56 g/mol。

假设现场设备管线腐蚀产生的氢气全部被氢通量检测仪所采集，即：

反应所产生的1pl氢气相当于8.99×10-14g氢气；

8.99×10-14g氢气相当于8.99×10-14mol氢原子；

产生8.99×10-14mol氢原子需要吸收8.99×10-14mol电子；

放出8.99×10-14mol电子需要4.5×10-14mol铁原子变成2价铁离子；

4.5×10-14mol铁原子相当于0.25×10-11g铁的质量；

0.25×10-11g铁的质量相当于0.32×10-12cm3铁的体积；

现场腐蚀介质将0.32×10-12cm3体积的铁氧化成2价铁离子可产生并释放出1pl的氢气；

氢通量检测值1pl/cm2/s相当于铁的腐蚀速率为0.32×10-12cm/s即0.32×10-11mm/s=1.01×10-4mm/a；

通过多次现场氢通量检测，我们发现氢通量检测值50 pl/cm2/s是一个临界值，相当于铁的腐蚀速率为5×10-3mm/a=0.005mm/a；

简单数学模型来看氢原子逸散为6个方向，理论上只能检测1/6氢原子量，即：

现场氢通量检测数据为50 pl/cm2/s时相当于设备管线腐蚀速率为0.03mm/a。

上述计算值为所有腐蚀反应生成的氢气全部被氢通量检测仪采集到的理想状态下估算值，众所周知，石油化工企业现场情况复杂，影响因素繁多，现场腐蚀介质对设备管线金属基体腐蚀反应所生成的氢气不可能100%被收集，但一定是成正比的关系，现场氢通量检测数据为50 pl/cm2/s相当于设备管线腐蚀速率0.03k mm/a(k≥1，与检测现场环境温度、压力、风速；介质温度、压力、流速；检测位置、检测时间长短等多个因素有关)。

3 结论

(1)在现场腐蚀介质对设备管线金属基体腐蚀反应所生成的氢气100%被氢通量检测仪采集到的理想状态下，现场氢通量检测数据为50 pl/cm2/s时相当于设备管线腐蚀速率为0.03 mm/a。

(2)氢通量在现场进行腐蚀检测作业时，由于作业现场情况复杂，影响因素繁多，现场腐蚀介质对设备管线金属基体腐蚀反应所生成的氢气不可能100%被收集，但一定是成正比的关系，现场氢通量检测数据为50 pl/cm2/s相当于设备管线腐蚀速率0.03 kmm/a，k为作业现场环境参数，与作业现场环境温度、压力、风速、介质温度、压力、流速、检测位置、检测时间长短等多个因素有关，但无论作业现场如何控制，必定k≥1。