提浩強

北京華福工程有限公司 北京 100015

輸送含硫化氫介質(zhì)的化工流程離心泵過流部件材料的選用

提浩強*

北京華福工程有限公司 北京 100015

通過分析API 610、NACE MR0175和NACE MR0103標準，對比NACE MR0175和NACE MR0103標準，說明材料選用方法。舉例說明應力腐蝕環(huán)境的判定與材料的選用。經(jīng)比較，NACE MR0103標準更加符合石油化工生產(chǎn)的要求，選用方便，可優(yōu)先采用。

硫化氫 離心泵 應力腐蝕開裂 材料選用

應力腐蝕開裂通常發(fā)生在拉伸應力作用下的特定合金和介質(zhì)的組合，且一般為延遲脆性斷裂。常見的應力腐蝕開裂包括堿脆、硫裂、氨脆和氯脆等[1]。在石油化工和煤化工生產(chǎn)中，原料通常不同程度地含有硫化氫，從而使硫化物應力腐蝕(SSC，Sulfide Stress Cracking)成為一個較為普遍的現(xiàn)象。由于化工生產(chǎn)中普遍存在高溫、高壓、腐蝕、易燃和易爆等特點，一旦化工設備發(fā)生腐蝕，造成失效破裂將產(chǎn)生極為嚴重的后果。因此，合理地選擇材料，避免材料發(fā)生SSC就成為了一個非常重要的問題。

離心泵是化工廠內(nèi)流體輸送的動力，在整個化工生產(chǎn)流程中占有極其重要的地位。保證離心泵結(jié)構(gòu)完好，防止離心泵部件發(fā)生SSC，對保證全廠正常生產(chǎn)具有十分重要的意義。本文將針對輸送介質(zhì)中含不同含量硫化氫時，離心泵過流部件材料如何進行選用以防止出現(xiàn)SSC進行分析。對API 610、NACE MR0175和NACE MR0103標準進行分析，并對NACE MR0175和NACE MR0103標準進行對比，然后以實際工程中遇到的工況作為示例，說明選材方法。

1 選用方法與依據(jù)

1.1 API 610標準的相關規(guī)定

美國石油學會發(fā)布的《石油、石化及天然氣工業(yè)用離心泵》API 610是國際常用的化工流程離心泵設計、制造、檢驗和選型的標準。該標準到2010年發(fā)布至第11版。

API 610標準中第6.12條對離心泵材料的選用、熱處理和加工要求進行了詳細的說明。其中第6.12.1.12條是專門針對應用場合中存在濕硫化氫時，泵材料應如何選用進行的說明。由于少量的濕硫化氫即足以使材料產(chǎn)生應力腐蝕裂紋，因此在對濕硫化氫含量不確定時應選用可耐濕硫化氫腐蝕的材料。

對于可耐濕硫化氫腐蝕的材料，該標準要求應選用符合NACE MR0175或NACE MR0103標準中規(guī)定的材料。如果選用未列入上述兩個標準的金屬材料，則應對材料硬度和強度進行控制，屈服強度不超過620MPa，洛氏硬度不超過HRC22。由于材料硬度提高時，抗SSC能力減弱[3]，因此API 610標準始終強調(diào)對于材料硬度的控制。

下面將分別對NACE MR0175和NACE MR0103標準進行詳細解讀與分析。

1.2 NACE MR0175標準的解讀與分析

《石油天然氣工業(yè) 油氣開采中用于含硫化氫環(huán)境的材料》NACE MR0175為美國腐蝕工程師協(xié)會于1975年首次發(fā)布的，最新版本為2009年版。該標準提出了在石油天然氣生產(chǎn)以及脫硫裝置中，處于硫化氫環(huán)境中設備的金屬材料評定和選擇的原則、要求和方法。盡管MR0175標準中明確說明其僅適用于油田設備，但由于其他領域缺乏相關標準，因此在實際應用中，很多其他行業(yè)的使用者在涉及濕硫化氫環(huán)境下設備的金屬材料選擇問題時，也普遍采用MR0175標準。正因如此，盡管化工石化行業(yè)中的離心泵不屬于油氣開采設備，但API 610標準在第10版及之前各版本中依然引用MR0175標準作為濕硫化氫環(huán)境下離心泵材料的選用規(guī)范。MR0175標準共分三個部分，包括：① 選擇抗裂紋材料的一般原則；② 抗開裂碳鋼、低合金鋼和鑄鐵；③ 抗開裂耐蝕合金和其他合金。

MR0175標準的第1部分首先明確了濕硫化氫環(huán)境下材料選用的兩大方法：根據(jù)實驗室試驗結(jié)果進行選用和根據(jù)本標準進行選用。采用實驗室試驗的方法時，應使試驗環(huán)境盡量接近現(xiàn)場環(huán)境，根據(jù)材料在試驗環(huán)境下的腐蝕情況進行材料的選用。該方法結(jié)果比較精確，但成本高、時間長。因此，在平時應用中，通常根據(jù)標準的第2部分和第3部分中規(guī)定的方法進行材料選用。當選用的材料包含在MR0175標準中時，則不需要對該材料再進行實驗室試驗。

MR0175標準第2部分為抗開裂碳鋼、低合金鋼和鑄鐵的選擇及評定的要求和推薦做法?？紤]了由濕硫化氫環(huán)境造成鋼的硫化物應力開裂、應力定向氫致開裂(SOHIC)、軟區(qū)開裂(SZC)、氫致開裂(HIC)和可能發(fā)展成的階梯裂紋(SWC)。根據(jù)本部分進行材料選用時，選用者有兩個選項。選項1為根據(jù)標準附錄A.2進行選用，判定標準為硫化氫分壓。當PH2S<0.0003MPa時，認為不需要對材料進行特殊考慮，也就是環(huán)境不會造成SSC。當PH2S≥0.0003MPa時，直接按A.2進行選擇。附錄A.2中的材料完全可抗SSC，但對材料要求較嚴，因此采用選項1進行材料選擇偏于保守。

基于此原因，標準又提供了選項2，即對酸性環(huán)境或各級酸性使用區(qū)進行評定，從而更精細地進行材料選擇。選項2采用硫化氫分壓與原位pH值結(jié)合的方式，將SSC環(huán)境嚴重程度區(qū)域劃分為4個區(qū)，即0區(qū)、SSC 1區(qū)、SSC 2區(qū)和SSC 3區(qū)，使用環(huán)境嚴重程度依次遞增見圖1。

圖1 碳鋼和低合金鋼SSC的環(huán)境嚴重程度的區(qū)域

0區(qū)為pH2S<0.0003MPa區(qū)域，認為不需要對材料進行特殊考慮，與選項1相同。除0區(qū)外，當環(huán)境嚴重程度為其他3個區(qū)時，必須選用抗SSC材料。相比選項1，選項2對PH2S≥0.0003MPa的區(qū)域，又根據(jù)原位pH值進行了詳細劃分。在環(huán)境嚴重程度最高的SSC 3區(qū)必須根據(jù)標準附錄A.2進行選材，在環(huán)境嚴重程度次高的SSC 2區(qū)可根據(jù)標準附錄A.2或A.3進行選材，而在環(huán)境嚴重程度較低的SSC 1區(qū)則可根據(jù)標準附錄A.2、A.3或A.4進行選材。由于高強度和高硬度對材料抗SSC性能有不利影響，因此附錄A.2對材料的屈服強度和硬度要求最為嚴格。而附錄A.3相比A.2對Cr-Mo鋼的屈服強度和硬度要求有所降低，即允許采用更大的屈服強度和更高的硬度，附錄A.4相比A.3則又有所降低。由此可以看出，選項2對材料選擇更加精細，而不是一味選用要求最嚴的附錄A.2中的材料，因此能夠在滿足抗SSC要求的前提下，使材料成本更低。

MR0175標準第3部分為抗開裂耐蝕合金和其他合金的選擇及評定的要求和推薦做法?？紤]了由濕硫化氫環(huán)境造成鋼的硫化物應力開裂、應力腐蝕開裂(SCC)和電偶誘發(fā)的氫應力開裂(GHSC)?；ち鞒屉x心泵中常用的各類不銹鋼材料的選用即由本部分規(guī)定。選用者可根據(jù)附錄A或按附錄B通過成功的實驗室試驗評定來進行選擇。標準附錄A對材料進行了分類，同時給出了抗開裂合金允許的冶金狀態(tài)和有關硫化氫分壓、溫度、氯離子濃度和元素硫的環(huán)境限制。只要材料滿足相關要求，并在限制環(huán)境范圍內(nèi)使用，即可抗SSC、SCC和GHSC。

1.3 NACE MR0103標準的解讀與分析

雖然MR0175標準在各類工程中獲得廣泛采用，但實際上很多行業(yè)的使用環(huán)境并不同于油田環(huán)境，嚴格地說是不符合MR0175標準使用條件的。因此在標準的實際使用中便產(chǎn)生了兩種極端。一種觀點是無視硫化氫水平認為該標準應嚴格應用于油田行業(yè)，拒絕在化工石化等下游行業(yè)中采用，另一種觀點則是即使在完全沒有游離水的微量硫化氫環(huán)境下，也完全采用MR0175標準，由此造成采購方與設備提供方之間的很多矛盾。另外，NACE在上世紀90年代后期，對MR0175標準進行了很多重大修改，如基于油氣生產(chǎn)中，油氣流中都含有足以導致應力腐蝕的大量氯離子，因此對材料使用溫度進行了嚴格的限制。但在下游行業(yè)的生產(chǎn)流程中通常不會含有如此之多的氯離子。由此導致MR0175標準更加不適合其他行業(yè)采用。基于以上諸多原因，NACE開始組織編寫更適合于下游行業(yè)的濕硫化氫環(huán)境下材料的選擇標準。2003年，NACE發(fā)布了《腐蝕性石油煉制環(huán)境中抗硫化物應力開裂材料的選擇》MR0103，并于2005年進行了修訂[5]。

1.4 NACE MR0175標準與NACE MR0103標準的對比 MR0103標準相對MR0175標準只考慮了材料的抗SSC性能，而對在濕硫化氫環(huán)境下材料可能發(fā)生的氫鼓泡(HB)、HIC和SOHIC等破壞形式?jīng)]有涉及。因此，對酸性環(huán)境的界定是MR0103標準與MR0175標準的重大區(qū)別之一。MR0103標準認為當液相中存在游離水，且符合下述條件時，即可認定為酸性環(huán)境。

(1)游離水中溶解的H2S>50ppm。

(2)游離水pH<4且存在一些溶解的H2S。

(3)游離水pH>7.6且水中含20ppm溶解的氫氰酸(HCN)和一些溶解的H2S。

(4)氣相介質(zhì)中H2S絕對分壓>0.0003MPa。

在上述環(huán)境中，應選用MR0103標準中規(guī)定的抗SSC材料。

MR0103標準將抗SSC材料分為鋼鐵材料和有色金屬材料兩大類，對材料的化學成分、熱處理狀態(tài)和硬度進行了規(guī)定。以化工離心泵中常用的碳鋼材料為例，根據(jù)MR0175標準第2部分對抗SSC碳鋼的要求，其最大硬度為HRC22，鎳含量<1%，不是易切削鋼，并且處于六種指定的熱處理狀態(tài)之一。而MR0103標準對抗SSC碳鋼的硬度和熱處理狀態(tài)與MR0175標準相同。但對材料中的鎳含量未做要求，同時對ASME鍋爐和壓力容器規(guī)范第IX卷P-No.1組和P-No.2組所列碳鋼在指定熱處理狀態(tài)下使用時，也未做硬度要求。又如對于鐵素體不銹鋼， MR0103標準規(guī)定最大硬度HRC22時，只要在退火狀態(tài)，并符合規(guī)定的制造方法均可采用。而MR0175標準除此要求以外，還要求使用環(huán)境中PH2S<10kPa，pH≥3.5。

從上述對比可以看出，MR0103標準對應力腐蝕環(huán)境的界定標準更加簡潔，便于操作。同時在材料滿足化學成分要求的情況下，核心控制指標依然是硬度，并對熱處理方法提出了具體要求。相比MR0175標準，對使用環(huán)境的要求更為寬松，沒有對PH2S、溫度、氯離子濃度和pH值等的苛刻要求，更加符合石油化工行業(yè)下游煉廠中高pH值酸性環(huán)境的情況。

2 計算實例與材料選用

2.1 低濃度硫化氫工況

某脫酸塔釜酚水泵，輸送介質(zhì)為酚水，其中含水99.2%，總酚0.8%，H2S<30ppm，溫度160℃，pH=7。根據(jù)API 610標準由于其輸送介質(zhì)中含硫化氫，因此應依據(jù)MR0175標準或MR0103標準進行材料選用。根據(jù)MR0175標準，對硫化氫分壓進行計算。由于在泵內(nèi)流體壓力隨位置而變，因此選擇泵內(nèi)壓力最大處，即出口壓力為計算依據(jù)。該泵出口壓力0.8MPa，通過計算PH2S=0.000024MPa<0.0003MPa。因此不需要在選材上進行特殊考慮，根據(jù)API 610標準，可選用S-5材料等級，其中泵殼、軸、葉輪等過流部件均為普通碳鋼。如根據(jù)MR0103標準選用，由于H2S<50ppm且pH=7，因此使用環(huán)境判定為非酸性環(huán)境，選材上可不進行特殊考慮。

2.2 高濃度硫化氫工況

某氨液循環(huán)泵，輸送介質(zhì)為氨水，其中含水50.5%，NH340.4%，H2S 8.45%，總酚0.7%，溫度30℃，pH=10。根據(jù)API 610標準由于其輸送介質(zhì)中含硫化氫，因此應依據(jù)MR0175標準或MR0103標準進行材料選用。根據(jù)輸送介質(zhì)特性，離心泵過流部件可選用奧氏體不銹鋼。則根據(jù)MR0175標準第3部分，要求PH2S小于100kPa，溫度低于60℃，對氯離子濃度和pH值無要求。該泵出口壓力0.7MPa，通過計算pH2S=60kPa，介質(zhì)溫度40℃。因此根據(jù)API 610標準，可選用A-7、A-8材料等級。同時要求材料在固溶退火和淬火或固溶退火和熱穩(wěn)定狀態(tài)下，不允許通過冷加工來提高機械性能，最大硬度為HRC22。如根據(jù)MR0103標準選用，由于游離水中H2S含量>50ppm，因此使用環(huán)境判定為酸性環(huán)境。根據(jù)MR0103對材料的要求，如選用API 610標準中A-7、A-8材料等級，則除了材料熱處理狀態(tài)和硬度的要求與MR0175標準一致外，其對介質(zhì)的PH2S、溫度、氯離子濃度和pH值均無要求。相較MR0175標準，采用MR0103標準在滿足材料抗SSC的性能要求的同時，選材更加方便，限制更少。

3 結(jié) 語

(1)當輸送介質(zhì)中含硫化氫時，離心泵過流部件選材必須按API 610標準、NACE MR0175和NACE MR0103標準執(zhí)行；

(2)NACE MR0175標準對濕硫化氫環(huán)境造成的各種破壞形式考慮全面，但選材方法復雜，對使用環(huán)境要求較多，某些方面與石化行業(yè)下游實際不符。NACE MR0103標準僅考慮抗SSC，應力腐蝕環(huán)境判斷標準簡潔，對使用環(huán)境要求較少，選材使用更為方便。

(3)對化工流程離心泵過流部件抗SSC材料的選擇，可優(yōu)先采用NACE MR0103標準。

1 鄭津洋，董其伍，桑芝富. 過程設備設計[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2013.

2 American Petroleum Institute. API 610-11th Centrifugal Pumps for Petroleum, Petrochemical and Natural Gas Industries [S]. 2010.

3 閆康平，陳匡民. 過程裝備腐蝕與防護[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2009.

4 National Association of Corrosion Engineers. MR0175 Petroleum and Natural Gas Industries-Materials for Use in H2S-Containing Environments in Oil and Gas Production [S]. 2009.

5 National Association of Corrosion Engineers. MR0103 Materials Resistant to Sulfide Stress Cracking in Corrosive Petroleum Refining Environments [S]. 2005.

2016-09-19)

*提浩強：助理工程師。2015年畢業(yè)于北京化工大學動力工程及工程熱物理專業(yè)獲碩士學位?，F(xiàn)從事化工機泵選型與工程設計工作。 聯(lián)系電話：18811414542，E-mail：tihq04@163.com。