基于高酸性条件下元素硫对碳钢腐蚀的影响分析

唐江

【摘  要】天然气中，在硫含量压力条件和温度超标的情况下，都会形成硫沉积现象，在元素硫大量沉积的背景下，会直接造成流体通道堵塞问题，会直接发生采输系统严重腐蚀现象。为解决这种问题，需要通过电化学极化测试方法，全面开展碳钢腐蚀性能实验，对元素硫进行现场的沉积方式模拟，通过这种方法才能发挥出全部的碳钢腐蚀性实验效果，同时也能针对现场产生的沉积方式进行模拟，降低对碳钢腐蚀性能产生的影响。

【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.

【关键词】高酸性条件;元素硫;碳钢腐蚀

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

【中图分类号】TE980                                             【文献标志码】A                                                 【文章编号】1673-1069（2021）08-0172-02

1 引言

在高含硫天然气中硫含量的温度和压力条件会直接影响最终的硫沉积。具有沉积类型的元素硫，将固态颗粒作为内部不可缺少的重要部分，之后使用硫悬浮溶液，在较高的环境温度下确保硫形式存在的意义，液态硫也会随着温度的改变在管道内壁形成附着，在元素硫大量沉积的背景下，会直接堵塞通道，最终导致关井停产。元素硫不仅会直接堵塞采输系统，同时还会对日常的工作造成影响，对于系统运行也会产生严重腐蚀。在应用元素硫的过程中，需要将重点集中在硫沉积部位，做好局部腐蚀问题处理，对于一些可能发生穿孔的腐蚀部位，需要在管底进行孤立点蚀[1，2]。

2 试验方法

在进入全新发展阶段的背景下，元素硫侵蚀问题已经被人们所重视，并且也逐渐成为世界领域中的研究重点，但是到目前为止仍然没有针对元素硫进行统一的定义，对于腐蚀机理方面认知不够准确。在这种情况下，只有合理应用电化学极化测试和失衡腐蚀测试等组合体系，全面地开展元素硫腐蚀性能研究，对元素硫的现场沉积方式进行模拟，从而了解沉积方法和出现的腐蚀性能，为工程概况和材质的选择提供良好环境，并且还能为腐蚀监测提供技术支撑。在实驗过程中主要使用了L245低碳钢，电化学反应和失衡条件分别为1.4MPa和1.6MPa，元素硫主要通过传统的方式进行保留，试验温度可能在60℃之上，试验周期可以确定为3D。在具体的实验开展过程中需要参考相关数据资料，这样才能确保电化学腐蚀实验条件满足水溶液需求，另外还需要针对元素硫涂覆方式进行重新选择。

3 结果与讨论

干的硫本身没有腐蚀性 （高温或超高温硫腐蚀除外），但是一旦遇到H2O、H2S和Fe2S3，它将作为催化剂，所引起的材料腐蚀速率高达55mm/a，这被认为是元素硫诱导腐蚀的典型特性。1953年元素硫的腐蚀性首次被发现，Farrer将硫的悬浊液作为钢和铁的浸蚀剂，发现30℃时含20%悬浮硫的溶液与含3%盐酸溶液具有相同的腐蚀性，而且金属的腐蚀速率随悬浮的硫含量的增加而增大。1978年，MacDonald进一步对碳钢在湿硫条件下的腐蚀行为开展系统研究，发现灾难性的元素硫腐蚀需要一定的孕育期，其腐蚀行为受元素硫的粒径和溶液初始pH值的影响。20世纪80年代，Hyne研究发现在Cl-存在的条件下，元素硫的腐蚀特征对pH值的变化非常敏感，并认为元素硫在中性pH值条件下的腐蚀速率较大，且腐蚀速率随着Cl-浓度的增大而线性增大。Kuster发现材料的腐蚀速率在含元素硫的无氧环境中随Cl-浓度的增大，呈先增大后减小的趋势，最大值（15mm/a）在Cl-浓度为0.01mol/L时取得，此时的点蚀速率更是增大到25mm/a。可见，元素硫是一种强氧化剂，它不仅明显地改变体系环境的腐蚀性，而且使碳钢以灾难性的速率被腐蚀，耐蚀合金的局部腐蚀和SCC敏感性也因此而增长。

3.1 元素硫对材料电化学失衡侵蚀性能的影响

碳钢在腐蚀介质中腐蚀失重的具体表现如表1所示。

通过对实验数据进行观察可以看出，在元素硫中存有大量的碳钢腐蚀速率，因此需要在合理的状态下，对腐蚀速率进行状态确定，这样才能确保元素硫的含量不断提升，碳钢的腐蚀性能也会随之增加。通过针对腐蚀产物的具体研究和观察，可以看出，腐蚀产物有着明显的逐渐增长状态，在悬浮溶液中，还会含有大量针状晶粒，在腐蚀产物中也会出现不同程度的贯穿裂纹，为膜层内外物质的传输提供了便利环境，保证了腐蚀进行的速度。通过对不同环境内部的腐蚀现象进行了解可以看出，S元素在膜外层的分布相对较多，C元素分布情况相对较弱，因此需要对聚集形成现象进行了解。通过对射线进行分析可以了解到，碳钢在元素硫的限制之下，可能会形成不同的马基诺矿型晶粒，在悬浮条件的影响之下，还会出现少量的黄铁矿。

3.2 S/H，S/H2O体系元素硫腐蚀的电化学行为研究

在元素硫存在的背景下，需要根据实际情况进行曲线设定，并且还要模拟相关的数据，这样才能确保悬浮元素硫和曲线状态之间具有一致性，并且还能做到活性溶解，在受到活化控制的影响之下，阳极曲线较为平坦，在不同的悬浮溶液中，阳极溶液反应比较容易开展，在元素硫含量逐渐提升的背景下，阴极倾斜率也会随之提升，腐蚀电位会逐渐发生正移，阳极变化不是很大，这也说明了阳极反应始终处于不变的状态，在其中合理添加元素硫，可以逐渐提升阴极的反应，通过分析的方法得出，腐蚀速率有所提升，碳钢腐蚀速率明显高于元素悬浮状态，和最终的失重腐蚀测试保持一致性。

碳钢弱势始终处于50℃环境内部，元素硫表现出高频和容易抵抗的特点，在低频率区域还会出现明显的特征阻抗。具体的反应由电荷转移控制，逐渐变成扩散控制。在出现高频容抗现象时，则可以完全证明在碳钢的表面已经形成了产物膜，在这种状态下填入元素硫，高平区域半径会逐渐缩短，这种现象也证明了在填入元素硫之后，产物结构发生了变化，电阻也随之减小，腐蚀速率有所提升。在针对离子扩散的角度来看，需要对界面进行了解，通过分析的方法得出元素硫含量逐渐提升30g，在金属表面也出现了沉积现象，所以可以直接参与到阴极的反应中，碳钢表面汇集了大量的腐蚀产物。元素硫主要沉积在碳钢的表面部分，相当于在表面增加了一层较厚的膜，但是为了确保缝隙的出现，需要做好横向扩散预防工作。由于内部物质不具有均匀性，因此需要对侵蚀量进行分析，形成一定数量的腐蚀坑，这样才能完成化学测试结果的相互验证，低频部分的峰值也不会发生明显变化。通过合理的分析认为，在生成角度来看，会逐渐出现脱落问题，最终对腐蚀原电池产生影响[3]。

3.3 元素硫存在条件下对碳钢应力腐蚀开裂造成的影响

在一般的情况下，对于元素硫腐蚀角度来看，应力腐蚀敏感指数会随之增加，并且还会逐渐形成应力腐蚀开裂，在洞口部分开裂现象较为明显，在微观和整体角度都可以看出，塑性变形特征和断口面都平齐而光亮，因此需要对放射区进行了解，预防出现脆弱性断裂问题。

3.4 元素硫腐蚀机理研究

通过抗阻测试和极化测试的方法，可以证明最终的测试结果，通过使用元素硫可以对碳钢腐蚀性造成直接的促进影响，具体的反应过程如下：在钢铁的表面部分会形成硫化铁膜，并且通过2种不同的途径形成在金属表面，还会产生相应的反应，表面主要由氧化物膜发生反应得到。铁离子水解也会对阳极区域产生影响，在不同的区域中pH值存在明显差异，在这种情况下会形成局部腐蚀电池，这种情况也证明了碳钢在具体的环境中可能发生局部腐蚀[4]。通过以上的介绍可以看出，硫化铁主要由马基诺矿型晶粒组合而成，使用这种测试结果可以验证，腐蚀产物主要为马基诺矿星晶粒，这种情况和分析记忆力之间出现的腐蚀产物保持一致性。

4 结语

本文主要针对元素硫在具体条件下，对腐蚀产物的成分、结构以及元素进行了整体的分析，最终结果表明，腐蚀产物具有结构松散的特点，没有发挥出自身的保护作用，通过结合电化学以及腐蚀失重测试的方法，最终得出元素硫沉积会对碳钢腐蚀产生直接的影响，结果表明，元素硫存在条件下，碳钢SSC敏感性升高，断口面上主要为放射区，由塑性断裂转变为脆性断裂。

【参考文献】

【1】万红霞，宋东东，陈长风，等.杂散电流与Cl～-对碳钢腐蚀行为实验探索与设计[J].广州化工，2021，49（06）：115-117+142.

【2】葛鹏莉，曾文广，肖雯雯，等.H_2S/CO_2共存环境中施加应力与介质流动对碳钢腐蚀行为的影响[J].中国腐蚀与防护学报，2021，41（02）：271-276.

【3】曾德智，黃致尧，喻智明，等.饱和水蒸气环境中CO_2气相-CO_2超临界相相变对碳钢腐蚀行为的影响（英文）[J].Journal of Central South University，2021，28（02）：325-337.

【4】诸勇，王永强，吴丹，等.铬盐废水蒸发系统腐蚀突变与缓蚀工况研究[J].工业安全与环保，2021，47（02）：55-60.