Quá trình sunfua hóa ăn mòn sunfua ở nhiệt độ cao – phân tích toàn diện

Ăn mòn sunfua ở nhiệt độ cao gây ra mối đe dọa đáng kể đối với tính toàn vẹn của thiết bị nhà máy lọc dầu. Hiện tượng này được thúc đẩy bởi tác động hiệp lực của các hợp chất lưu huỳnh và nhiệt độ tăng cao, làm suy giảm kim loại, dẫn đến những hư hỏng có thể ảnh hưởng đến hiệu quả hoạt động, an toàn môi trường và sức khỏe con người.

Các yếu tố chính

Nhiệt độ: Khi nhiệt độ vượt quá 230°C, khả năng phản ứng của các hợp chất lưu huỳnh tăng lên đáng kể. H₂S, COS và mercaptan, được phân loại là thành phần “hoạt động”, dễ dàng tham gia vào các phản ứng sunfua hóa với kim loại, tạo thành sunfua kim loại. Ngược lại, các loại lưu huỳnh “không hoạt động” như thiophenes có khả năng thụ động hạn chế và giảm đi ở nhiệt độ cao hơn.

Hợp chất lưu huỳnh: Các hợp chất lưu huỳnh khác nhau thể hiện mức độ ăn mòn khác nhau. H₂S, kẻ thù chính, phản ứng trực tiếp với kim loại, giải phóng hydro đồng thời tạo thành sunfua kim loại. COS và mercaptans, có con đường phản ứng tương tự, đóng vai trò là kẻ đồng lõa trong quá trình phá hoại này. Ngược lại, các thành phần không hoạt động như thiophenes cung cấp một lớp bảo vệ tạm thời và sẽ yếu đi khi chịu áp lực nhiệt độ kéo dài.

Vai trò của hydro trong ăn mòn sunfua ở nhiệt độ cao: Nghiên cứu sâu với độ chính xác hóa học

Bản chất nguy hiểm của sự ăn mòn sunfua ở nhiệt độ cao càng được khuếch đại bởi sự hiện diện dường như vô hại của hydro. Khí này đóng vai trò nhiều mặt trong việc đẩy nhanh quá trình phân hủy kim loại, gây ra mối đe dọa đáng kể cho thiết bị nhà máy lọc dầu.

Các vai trò có thể có của ăn mòn

Sự sunfua hóa tăng cường

Giả thuyết 1: Loại bỏ các oxit bảo vệ: Hydro hoạt động như một chất “chất tẩy rửa”, loại bỏ các oxit kim loại bảo vệ như Fe₂O₃ thông qua quá trình khử:

Fe₂O₃ + 3H₂ → 2Fe + 3H₂O

Fe₃O₄ + H₂ → 3Fe²⁺ + 4H₂O + O²⁻

Giả thuyết 2: Tràn hydro: H₂ phân ly trên bề mặt kim loại, tạo ra hydro nguyên tử (H*) tràn lên lớp sunfua, thúc đẩy sự phát triển và tách ra khỏi bề mặt kim loại khiến kim loại tươi bị ăn mòn thêm:

H₂ (ads) → 2H* (ads) H* (ads) + MeS(ads) → MeHS(ads) + H⁺ (ads)

Phồng rộp và nứt nẻ

H* có thể xuyên qua lớp sunfua hiện có và phản ứng với sunfua sắt bên trong, tạo ra các vết phồng rộp và vết nứt:

FeS + H₂ → Fe + H₂S

Những khiếm khuyết bên trong này tạo ra những con đường bổ sung để H₂S và H* tiếp cận sâu hơn vào kim loại, dẫn đến quá trình sunfua hóa bên trong tăng tốc và sự phát triển lớp nhanh hơn từ bên trong. H₂ được tạo ra sẽ khuếch tán bên trong đến các ranh giới hạt, tạo ra áp suất bên trong và thúc đẩy sự lan truyền vết nứt.

Giả thuyết 3: Kích hoạt hydro của lưu huỳnh không hoạt động:

Kích hoạt hydro của lưu huỳnh không hoạt động: H₂ phản ứng với các hợp chất lưu huỳnh “không hoạt động” như thiophenes, chuyển chúng thành chất tham gia tích cực trong quá trình ăn mòn.

Lưu huỳnh không hoạt động

Thiophenes và các chất tương tự của chúng thường thể hiện khả năng phản ứng hạn chế ở nhiệt độ cao, dẫn đến việc phân loại chúng là các loại lưu huỳnh “không hoạt động”. Tuy nhiên, sự có mặt của hydro có thể đóng vai trò như chất xúc tác, biến những phân tử trơ này thành những chất tham gia tích cực vào quá trình ăn mòn.

Ngoài sự tương tác trực tiếp với kim loại, nó còn có khả năng kích hoạt lưu huỳnh không hoạt động thông qua hai cơ chế chính:

Liên kết C-S trực tiếp

Được thúc đẩy bởi độ âm điện của nó, hydro có thể tấn công trực tiếp vào liên kết C-S trong phân tử thiophene, dẫn đến giải phóng H₂S:

C₄H₄S + H₂ → C₄H₄ + H₂S

H₂S được giải phóng, nhân vật phản diện thực sự của bản giao hưởng ăn mòn, dễ dàng phản ứng với kim loại để tạo thành sunfua kim loại, đẩy nhanh quá trình phân hủy.

Một hiệu ứng tràn Hydro khác

Các nguyên tử H* riêng lẻ có tính linh động cao và không bị giới hạn trong bề mặt kim loại. Chúng có thể “tràn” lên các phân tử gần đó, bao gồm cả những phân tử có chứa lưu huỳnh, như thiophenes (được coi là “không hoạt động” ở nhiệt độ cao). Sự lan tỏa này đặc biệt có liên quan đến các phân tử được hấp phụ trên bề mặt kim loại. Khi H* tiếp cận phân tử thiophene, nó có thể tham gia vào nhiều phản ứng khác nhau. Theo một con đường chính, nó phá vỡ liên kết C-S trong phân tử thiophene:

C₄H₄S + 2H* → C₄H₆ + H₂S

Trong cả hai con đường được đề cập ở trên, nó sẽ giải phóng nhân vật phản diện ăn mòn thực sự: H₂S. H₂S được giải phóng dễ dàng phản ứng với bề mặt kim loại để tạo thành sunfua kim loại, góp phần đáng kể vào sự phát triển của lớp sunfua có hại:

I + H₂S → MeS + H₂

Trong khi việc kích hoạt thiophenes là một ví dụ nổi bật, sự lan tỏa hydro có khả năng tác động lên các loại lưu huỳnh “không hoạt động” khác, tùy thuộc vào cấu trúc và khả năng phản ứng của chúng.

Hiệu suất vật liệu

Thép cacbon: Do hàm lượng crom thấp, thép cacbon chịu ảnh hưởng nặng nề từ quá trình sunfua hóa trực tiếp và bên trong. Lớp Cr₂O₃ mỏng mà nó tạo thành dễ bị xuyên thủng, khiến kim loại dễ bị hư hỏng nhanh chóng.

Thép không gỉ: Các loại thép hợp kim crôm cao hoặc thép không gỉ thể hiện khả năng chống chịu vượt trội nhờ hình thành lớp Cr₂O₃ chắc chắn và ổn định. Rào cản này cản trở sự thẩm thấu H₂S và quá trình sunfua hóa bên trong, mang lại sự bảo vệ đáng kể. Tuy nhiên, ngay cả những loại này cũng có thể không bị ăn mòn trong điều kiện khắc nghiệt hoặc nồng độ H₂S cao.

Chiến lược giảm thiểu

Để chống lại thách thức ghê gớm này, cần có một phương pháp tiếp cận đa dạng:

Lựa chọn vật liệu: Việc sử dụng các vật liệu có khả năng chịu lực vốn có như thép không gỉ austenit có hàm lượng crôm cao là rất quan trọng để đảm bảo tính toàn vẹn trong hoạt động lâu dài.

Tối ưu hóa quy trình: Giảm nhiệt độ vận hành và nồng độ H₂S làm chậm quá trình ăn mòn một cách hiệu quả.

Giám sát ăn mòn: Kiểm tra thường xuyên và các phương pháp thử nghiệm tiên tiến cho phép phát hiện sớm tình trạng ăn mòn, tạo điều kiện thuận lợi cho việc bảo trì phòng ngừa và ngăn ngừa những hư hỏng thảm khốc.

Ảnh hưởng của hydro đến sự ăn mòn sunfua ở nhiệt độ cao là không thể phủ nhận và phức tạp. Khả năng loại bỏ các oxit bảo vệ, thúc đẩy các phản ứng sunfua bên trong và làm suy yếu cấu trúc kim loại sẽ đẩy nhanh đáng kể quá trình phân hủy. Bằng cách hiểu được nền tảng hóa học của các cơ chế này, các nhà nghiên cứu và kỹ sư có thể phát triển các chiến lược hiệu quả hơn để giảm thiểu mối đe dọa phổ biến này.

————————————————————————————————————

Về đo kiểm đường ống, chúng tôi có hệ thống Scale Checker kiểm tra cáu cặn đường ống. Được phát triển hoàn toàn từ nguồn lực Tập Đoàn Chugai Technos.

Þ Phân tích vật liệu cáu cặn bên trong đường ống dẫn nước, hóa chất, ống khói bằng các phương pháp phân tích hóa lý hiện đại.

Þ Cấu cặn đường ống dẫn nước, hóa chất,…

Þ Mụi than bám bên trong ống dẫn

Þ Phân tích tất cả các dạng phổ như XRD , FT-IR (IR) (Quang phổ hồng ngoại), EDX (Phổ tán sắc năng lượng tia X), NMR (Phổ cộng hưởng từ hạt nhân), DT / TGA (Phân tích trọng lượng), LC / MS (Sắc ký lỏng ghép khối phổ), HPLC / MS, MS (Phổ khối), SEM (Kính hiển vi điện tử quét), TEM (Kính hiển vi điện tử truyền qua), … và phương pháp phân tích hóa lý nâng cao.

Nếu Quý khách hàng có nhu cầu phân tích cấu trúc và thành phần vật liệu, hãy gọi ngay đến Hotline: 0909-714-566 hoặc để lại thông tin TẠI ĐÂY để Chugai Technos nhanh chóng liên hệ để giải đáp các thắc mắc và hỗ trợ.