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硫化氫腐蝕

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硫化氫腐蝕原理與防護技術(shù)
劉天晴
2005年12月
tqliu@yzu.edu.cn

一、分子、原子、金屬結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識
核外電子填充順序圖
元素周期律
原子核外電子排布的特點，特別是外層電子結(jié)構(gòu)的變化：
      
     第一周期        H         He         外層電子數(shù)  1        2
       第二周期           Li         Ne        外層電子數(shù)  1        8
       第三周期         Na        Ar       外層電子數(shù)  1        8
       第四周期         K         Kr        外層電子數(shù)  1        8
                                                     次外層電子數(shù)  8        18
       ……………………………………………………….
核外電子的排布（原子的電子層結(jié)構(gòu)）

1	  H        Hydrogen	 氫			           1s1

2      He      Helium	氦			          1s2

3      Li       Lithium          鋰			           1s2 2s1

4	  Be      Beryllium	 鈹			           1s2 2s2

5	  B	 Boron		 硼			           1s2 2s22p1

6	 C	Carbon	碳			          1s2 2s22p2

7	 N	Nitrogen	氮			          1s2 2s22p3

8	 O	Oxygen	氧			          1s2 2s22p4

9	 F	Fluorine	氟			          1s2 2s22p5

10	 Ne	Neon		氖			          1s2 2s22p6
原子
序數(shù)
電子軌道圖
元素
符號
 英文名稱
中文
名稱
電子結(jié)構(gòu)式
     11	          Na	      Sodium           鈉	             1s2 2s22p63s1
     12	          Mg	      Magnesium    鎂               1s2 2s22p63s2
     13	          Al	     Aluminium     鋁               1s2 2s22p63s23p1
     14	          Si	      Silicon	      硅               1s2 2s22p63s23p2
     15             P	      Phosphorus    磷               1s2 2s22p63s23p3
     16             Si	      Sulfur	      硫               1s2 2s22p63s23p4
     17	          Cl	      Chlorine	      氯               1s2 2s22p63s23p5
     18             Ar	      Argon	      氬               1s2 2s22p63s23p6
        …………………………………………………………………………………………………………
原子
序數(shù)
元素
符號
英文名稱
中文
名稱
電子結(jié)構(gòu)式
金屬晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
      金屬晶體中，結(jié)點上排列的是金屬原子。晶體中原子在空間的排布，可近似看成是等徑圓球的堆積。為形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)采取盡可能緊密的堆積方式，所以金屬一般密度較大，配位數(shù)較大。
金屬鍵
     金屬晶體中金屬原子間的結(jié)合力，稱為金屬鍵。特征：無飽和性，方向性。 
金屬晶體
二、金屬腐蝕基礎(chǔ)知識
1.腐蝕的定義  
    金屬與周圍介質(zhì)發(fā)生化學或電化學作用而導致的變質(zhì)和破壞。
金屬材料和環(huán)境介質(zhì)共同作用的體系。。
     腐蝕速度的定義：單位時間內(nèi)單位質(zhì)量的物質(zhì)變質(zhì)和破壞的量。單位：g?kg-1?h-1 或 mg?kg-1?h-1。
(2) 正、負極
負極：電勢低的電極。
(3) 導體
  能導電的物質(zhì)稱為導(電)體。
分類
第一類導體(電子導體)
第二類導體(離子導體)
正極：電勢高的電極。
(1) 陰、陽極
陰極：發(fā)生還原反應(yīng)的電極
陽極：發(fā)生氧化反應(yīng)的電極
    第一類導體(電子導體)：如金屬、石墨及某些金屬的化合物等,它是靠自由電子的定向運動而導電，在導電過程中自身不發(fā)化學變化。當溫度升高時由于導體物質(zhì)內(nèi)部質(zhì)點的熱運動增加，因而電阻增大，導電能力降低。
    第二類導體(離子導體)：如電解質(zhì)溶液或熔融的電解質(zhì)等。它依靠離子的定向(即離子的定向遷移)而導電。當溫度升高時，由于溶液的粘度降低，離子運動速度加快，在水溶液中離子水化作用減弱等原因，導電能力增強。。 
(4) 電極反應(yīng)、電池反應(yīng)
電極反應(yīng)：在電極上進行電子得(失)的氧
          化還原反應(yīng)
陰極反應(yīng)：在陰極上發(fā)生得電子的還原
          反應(yīng)
陽極反應(yīng)：在陽極上發(fā)生失電子的氧化
          反應(yīng)
電池反應(yīng)：電池的總反應(yīng)—兩個電極反應(yīng)
          的總結(jié)果(之和)
(5) 電解池
    將化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置稱為原電池。
(6) 原電池
    將電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W能的裝置稱為電解池。
2. 金屬腐蝕的分類  
2.1 按腐蝕機理：
  (1) 化學腐蝕 — 金屬與周圍介質(zhì)直接發(fā)生化學反應(yīng)而引起的變質(zhì)和損壞的現(xiàn)象。如鋼鐵在高溫下的氧化脫皮現(xiàn)象。。    
      這是一種氧化-還原的純化學變化過程，即腐蝕介質(zhì)中的氧化劑直接同金屬表面的原子相互作用而形成腐蝕產(chǎn)物。腐蝕過程中，電子的傳遞是在金屬與介質(zhì)間直接進行的，因而沒有腐蝕微電流的產(chǎn)生。 
(2)電化學腐蝕
               — 指金屬與介質(zhì)發(fā)生電化學反應(yīng)而引起的變質(zhì)和損壞的現(xiàn)象。
陽極(鋅電極)：發(fā)生氧化反應(yīng)的電極。 
Zn - 2e  ?? Zn 2+
陰極(氫電極)：發(fā)生還原反應(yīng)的電極 。
2H+ + 2e  ?? 2H
陰極去極化劑：O2等
腐蝕原電池模型
腐蝕電池
 A. 宏觀腐蝕電池
      （1）異金屬接觸電池
      （2）濃差電池 –(鹽濃差電池和氧濃差電池)
      （3）溫差電池   
  B.  微觀腐蝕電池
     （1）金屬化學成分的不均勻性 
      （2）組織結(jié)構(gòu)的不均勻性 
      （3）金屬表面膜的不完整性 
      （4）金屬表面物理狀態(tài)的不均勻性 
2.2 按腐蝕形態(tài)：   
鋼  材

1. 全面腐蝕：
               腐蝕作用發(fā)生在整個金屬表面上，它可能是均勻的，也可能是不均勻的。其特征是腐蝕分布在整個金屬表面，結(jié)果使金屬構(gòu)件截面尺寸減小，直至完全破壞。   
2.局部腐蝕:
             腐蝕集中在金屬的局部區(qū)域，而其它部分幾乎沒有腐蝕或腐蝕很輕微。    
    局部腐蝕是設(shè)備腐蝕破壞的一種重要形式，工程中的重大突發(fā)腐蝕事故多是由于局部腐蝕造成的。    
    8種腐蝕形態(tài)即:電偶腐蝕、孔蝕（點蝕）、縫隙腐蝕、沿晶腐蝕、選擇性腐蝕、應(yīng)力腐蝕開裂、腐蝕疲勞、磨損腐蝕。
八大局部腐蝕形態(tài)
電偶腐蝕
點腐蝕
縫隙腐蝕
晶間腐蝕
選擇性腐蝕
磨損腐蝕
應(yīng)力腐蝕
腐蝕疲勞
2.3 常見的局部腐蝕形態(tài)
    1. 電偶腐蝕：異種金屬彼此接觸或通過其它導體連通，處于同一介質(zhì)中，會造成接觸部分的局部腐蝕。其中電位較低的金屬，溶解速度增大，電位較高的金屬，溶解速度反而減小，這種腐蝕稱為電偶腐蝕，或稱接觸腐蝕、雙金屬腐蝕。 
    2. 孔蝕（點蝕、坑蝕）：是一種集中發(fā)生在某些點處并向金屬內(nèi)部發(fā)展的孔、坑狀腐蝕?？孜g是一種隱蔽性極強、破壞性極大的腐蝕形式，由于難于預(yù)估及檢測，往往造成金屬腐蝕穿孔，引起容器、管道等設(shè)施的破壞，而且誘發(fā)其它的局部腐蝕形式，導致突發(fā)的災(zāi)難性事故。 
點蝕的機理
    3. 縫隙腐蝕：金屬部件在介質(zhì)中，由于金屬與金屬或金屬與非金屬之間形成特別小的縫隙，使縫隙內(nèi)的介質(zhì)處于滯流狀態(tài)，引起縫內(nèi)金屬的加速腐蝕。
    4. 沿晶腐蝕：腐蝕沿著金屬或合金的晶粒邊界或其它的鄰近區(qū)域發(fā)展，晶粒本身腐蝕很輕微，這種腐蝕便稱為沿晶腐蝕，又叫作晶間腐蝕。 
    5. 選擇性腐蝕：合金在腐蝕過程中，腐蝕介質(zhì)不是按合金的比例侵蝕，而是發(fā)生了其中某種成分的選擇性溶解，使合金的機械強度下降，這種腐蝕形態(tài)稱之為成分選擇腐蝕，或稱為選擇性腐蝕。  
灰口鑄鐵石墨化和黃銅脫鋅。 
    6. 應(yīng)力腐蝕開裂（SCC, 簡稱應(yīng)力腐蝕）：它是在拉應(yīng)力和特定的腐蝕介質(zhì)共同作用下發(fā)生的金屬材料的破斷現(xiàn)象。 
    7. 腐蝕疲勞：金屬在腐蝕介質(zhì)和交變應(yīng)力共同作用下引起的破壞為腐蝕疲勞。
    8. 磨損腐蝕：指在磨損和腐蝕的綜合作用下材料發(fā)生的加速腐蝕破壞。有三種表現(xiàn)形式：摩振腐蝕、湍流腐蝕和空泡腐蝕  
油管接箍發(fā)生汽蝕的蜂窩狀形貌
三、硫化氫（H2S）的特性及來源
1.硫化氫的特性    
      硫化氫的分子量為34.08，密度為1.539mg/m3。而且是一種無色、有臭雞蛋味的、易燃、易爆、有毒和腐蝕性的酸性氣體。     
      H2S在水中的溶解度很大，水溶液具有弱酸性，如在1大氣壓下，30℃水溶液中H2S飽和濃度大約是300mg/L，溶液的pH值約是4。      
      H2S不僅對人體的健康和生命安全有很大的危害性，而且它對鋼材也具有強烈的腐蝕性，對石油、石化工業(yè)裝備的安全運轉(zhuǎn)存在很大的潛在危險。
2. 石油工業(yè)中的來源     
      油氣中硫化氫的來源除了來自地層以外，滋長的硫酸鹽還原菌轉(zhuǎn)化地層中和化學添加劑中的硫酸鹽時，也會釋放出硫化氫。。
3. 石化工業(yè)中的來源      
      石油加工過程中的硫化氫主要來源于含硫原油中的有機硫化物如硫醇和硫醚等，這些有機硫化物在原油加工過程進行中受熱會轉(zhuǎn)化分解出相應(yīng)的硫化氫。 
     干燥的H2S對金屬材料無腐蝕破壞作用，H2S只有溶解在水中才具有腐蝕性。 
1. 濕硫化氫環(huán)境的定義
(1)國際上濕硫化氫環(huán)境的定義    
             美國腐蝕工程師協(xié)會（NACE）的MR0175-97“油田設(shè)備抗硫化物應(yīng)力開裂金屬材料”標準:
     ⑴ 酸性氣體系統(tǒng)：氣體總壓≥0.4MPa，并且H2S分壓≥  0.0003MPa；
     ⑵ 酸性多相系統(tǒng)：當處理的原油中有兩相或三相介質(zhì)（油、水、氣）時，條件可放寬為：氣相總壓≥1.8MPa且H2S分壓≥0.0003MPa；當氣相壓力≤1.8MPa且H2S分壓≥0.07MPa；或氣相H2S含量超過15%。
四、硫化氫腐蝕機理 
(2)國內(nèi)濕硫化氫環(huán)境的定義    
            “在同時存在水和硫化氫的環(huán)境中，當硫化氫分壓大于或等于0.00035 MPa時，或在同時存在水和硫化氫的液化石油氣中，當液相的硫化氫含量大于或等于10×10-6時，則稱為濕硫化氫環(huán)境”。 
(3) 硫化氫的電離
        在濕硫化氫環(huán)境中，硫化氫會發(fā)生電離，使
水具有酸性，硫化氫在水中的離解反應(yīng)式為：
H2S ＝ H+ ＋ HS－            （1）

HS－ ＝ H+ ＋ S2－            （2） 
2.硫化氫電化學腐蝕過程
  陽極： Fe - 2e → Fe2+
   陰極： 2H+ + 2e → Had + Had → 2H → H2↑
                                          ↓ 
                                         [H]→ 鋼中擴散
           其中：Had - 鋼表面吸附的氫原子
                      [H] - 鋼中的擴散氫
    陽極反應(yīng)產(chǎn)物： Fe2＋ ＋ S2－ → FeS ↓  
       注：鋼材受到硫化氫腐蝕以后陽極的最終產(chǎn)物就是硫化亞鐵，該產(chǎn)物通常是一種有缺陷的結(jié)構(gòu)，它與鋼鐵表面的粘結(jié)力差，易脫落，易氧化，且電位較正，因而作為陰極與鋼鐵基體構(gòu)成一個活性的微電池，對鋼基體繼續(xù)進行腐蝕。 
硫化氫電化學腐蝕過程
  陽極： Fe - 2e → Fe2+
    陰極： 2H+ + 2e → Had + Had → 2H → H2↑
                                          ↓ 
                                         [H]→ 鋼中擴散
           其中：Had - 鋼表面吸附的氫原子
                      [H] - 鋼中的擴散氫
    陽極反應(yīng)產(chǎn)物： Fe2＋ ＋ S2－ → FeS ↓  
五、硫化氫引起氫損傷的腐蝕類型 
      反應(yīng)產(chǎn)物氫一般認為有兩種去向，一是氫原子之間有較大的親和力，易相互結(jié)合形成氫分子排出；另一個去向就是由于原子半徑極小的氫原子獲得足夠的能量后變成擴散氫[H]而滲入鋼的內(nèi)部并溶入晶格中，溶于晶格中的氫有很強的游離性，在一定條件下將導致材料的脆化（氫脆）和氫損傷。。
     1. 氫壓理論：與形成氫致鼓泡原因一樣，在夾雜物、晶界等處形成的氫氣團可產(chǎn)生一個很大的內(nèi)應(yīng)力，在強度較高的材料內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，并由于氫原子在應(yīng)力梯度的驅(qū)使下，向微裂紋尖端的三向拉應(yīng)力區(qū)集中，使晶體點陣中的位錯被氫原子“釘扎”、鋼的塑性降低，當內(nèi)壓所致的拉應(yīng)力和裂紋尖端的氫濃度達到某一臨界值時，微裂紋擴展，擴展后的裂紋尖端某處氫再次聚集、裂紋再擴展，這樣最終導致破斷。
2. 濕H2S環(huán)境中的開裂類型：
酸性環(huán)境中氫損傷的幾種典型形態(tài) 
    氫鼓泡(HB)、氫致開裂(HIC)、硫化物應(yīng)力腐蝕開裂(SSCC)、應(yīng)力導向氫致開裂(SOHIC)。
(1) 氫鼓泡(HB)
      腐蝕過程中析出的氫原子向鋼中擴散，在鋼材的非金屬夾雜物、分層和其他不連續(xù)處易聚集形成分子氫，由于氫分子較大難以從鋼的組織內(nèi)部逸出，從而形成巨大內(nèi)壓導致其周圍組織屈服，形成表面層下的平面孔穴結(jié)構(gòu)稱為氫鼓泡，其分布平行于鋼板表面。它的發(fā)生無需外加應(yīng)力，與材料中的夾雜物等缺陷密切相關(guān)。 
(2) 氫致開裂(HIC)
           在氫氣壓力的作用下，不同層面上的相鄰氫鼓泡裂紋相互連接，形成階梯狀特征的內(nèi)部裂紋稱為氫致開裂，裂紋有時也可擴展到金屬表面。HIC的發(fā)生也無需外加應(yīng)力，一般與鋼中高密度的大平面夾雜物或合金元素在鋼中偏析產(chǎn)生的不規(guī)則微觀組織有關(guān)。
酸性環(huán)境下的氫致開裂機理
(3) 硫化物應(yīng)力腐蝕開裂(SSCC)
           濕H2S環(huán)境中腐蝕產(chǎn)生的氫原子滲入鋼的內(nèi)部固溶于晶格中，使鋼的脆性增加，在外加拉應(yīng)力或殘余應(yīng)力作用下形成的開裂，叫做硫化物應(yīng)力腐蝕開裂。工程上有時也把受拉應(yīng)力的鋼及合金在濕H2S及其它硫化物腐蝕環(huán)境中產(chǎn)生的脆性開裂統(tǒng)稱為硫化物應(yīng)力腐蝕開裂。SSCC通常發(fā)生在中高強度鋼中或焊縫及其熱影響區(qū)等硬度較高的區(qū)域。 
硫化物應(yīng)力腐蝕開裂機理 
硫化物應(yīng)力腐蝕開裂(SSCC)的特征：在含H2S酸性油氣系統(tǒng)中，SSCC主要出現(xiàn)于高強度鋼、高內(nèi)應(yīng)力構(gòu)件及硬焊縫上。SSCC是由H2S腐蝕陰極反應(yīng)所析出的氫原子，在H2S的催化下進入鋼中后，在拉伸應(yīng)力作用下，通過擴散，在冶金缺陷提供的三向拉伸應(yīng)力區(qū)富集，而導致的開裂，開裂垂直于拉伸應(yīng)力方向。
硫化物應(yīng)力腐蝕開裂(SSCC)的本質(zhì)：SSCC的本質(zhì)屬氫脆。SSCC屬低應(yīng)力破裂，發(fā)生SSCC的應(yīng)力值通常遠低于鋼材的抗拉強度。SSCC具有脆性機制特征的斷口形貌。穿晶和沿晶破壞均可觀察到，一般高強度鋼多為沿晶破裂。SSCC破壞多為突發(fā)性，裂紋產(chǎn)生和擴展迅速。對SSC敏感的材料在含H2S酸性油氣中，經(jīng)短暫暴露后，就會出現(xiàn)破裂，以數(shù)小時到三個月情況為多。 
      硫化氫應(yīng)力腐蝕和氫致開裂是一種低應(yīng)力破壞，甚至在很低的拉應(yīng)力下都可能發(fā)生開裂。一般說來，隨著鋼材強度(硬度)的提高，硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂越容易發(fā)生，甚至在百分之幾屈服強度時也會發(fā)生開裂。 
           硫化物應(yīng)力腐蝕和氫致開裂均屬于延遲破壞，開裂可能在鋼材接觸H2S后很短時間內(nèi)(幾小時、幾天)發(fā)生，也可能在數(shù)周、數(shù)月或幾年后發(fā)生，但無論破壞發(fā)生遲早，往往事先無明顯預(yù)兆。
(4) 應(yīng)力導向氫致開裂(SOHIC)
            在應(yīng)力引導下，夾雜物或缺陷處因氫聚集而形成的小裂紋疊加，沿著垂直于應(yīng)力的方向(即鋼板的壁厚方向)發(fā)展導致的開裂稱為應(yīng)力導向氫致開裂。其典型特征是裂紋沿“之”字形擴展。有人認為,它也是應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)的一種特殊形式。
             SOHIC也常發(fā)生在焊縫熱影響區(qū)及其它高應(yīng)力集中區(qū)，與通常所說的SSCC不同的是SOHIC對鋼中的夾雜物比較敏感。應(yīng)力集中常為裂紋狀缺陷或應(yīng)力腐蝕裂紋所引起，據(jù)報道，在多個開裂案例中都曾觀測到SSCC和SOHIC并存的情況。 
應(yīng)力導向氫致開裂示意圖 
(5) 應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)的危害
      應(yīng)力腐蝕開裂是環(huán)境引起的一種常見的失效形式。美國杜邦化學公司曾分析在4年中發(fā)生的金屬管道和設(shè)備的685例破壞事故，有近60％是由于腐蝕引起，而在腐蝕造成的破壞中，應(yīng)力腐蝕開裂占13.7％。根據(jù)各國大量的統(tǒng)計，在不銹鋼的濕態(tài)腐蝕破壞事故中，應(yīng)力腐蝕開裂甚至高達60％，居各類腐蝕破壞事故之冠。應(yīng)力腐蝕開裂的頻繁發(fā)生及其造成的巨大危害，引起了人們的關(guān)注。 
蠟油加氫精制裝置某出口管彎頭硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂 
使用14年后彎頭的壁厚減薄
內(nèi)壁應(yīng)力腐蝕開裂裂紋形貌
六、腐蝕的研究方法
 1.靜態(tài)掛片失重     
    將所研究的對象靜態(tài)掛片放置，用差減法測得物件的失重腐蝕速率。
 2.顯微鏡觀察     
            用光學顯微鏡或電子顯微鏡觀察。透射電鏡(TEM) 、掃描電鏡(SEM)、原子力電子顯微鏡(AFM)等。
 3.電化學研究     
A. 伏安法
B. 阻抗法
 4. XRD、XPS等晶型、成分分析     
XRD—X衍射及晶型分析
XPS —電子能譜儀成分分析     
七、硫化氫腐蝕的影響因素
 1.材料因素     
      在油氣田開發(fā)過程中鉆柱可能發(fā)生的腐蝕類型中，以硫化氫腐蝕時材料因素的影響作用最為顯著，材料因素中影響鋼材抗硫化氫應(yīng)力腐蝕性能的主要有材料的顯微組織、強度、硬度以及合金元素等等。 
⑴ 顯微組織  
      對應(yīng)力腐蝕開裂敏感性按下述順序升高:
  鐵素體中球狀碳化物組織→完全淬火和回火組織→正火和回火組織→正火后組織→淬火后未回火的馬氏體組織。  
     注：馬氏體對硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂和氫致開裂非常敏感，但在其含量較少時，敏感性相對較小，隨著含量的增多，敏感性增大。  
硫化氫應(yīng)力腐蝕斷裂臨界應(yīng)力和材料顯微組織之間的關(guān)系 
應(yīng)力腐蝕開裂敏感性增加
(2) 強度和硬度     
            隨屈服強度的升高，臨界應(yīng)力和屈服強度的比值下降，即應(yīng)力腐蝕敏感性增加。
            材料硬度的提高，對硫化物應(yīng)力腐蝕的敏感性提高。材料的斷裂大多出現(xiàn)在硬度大于HRC22（相當于HB200）的情況下，因此，通常HRC22可作為判斷鉆柱材料是否適合于含硫油氣井鉆探的標準。    
            油氣開采及加工工業(yè)對不昂貴的、可焊性好的鋼材的需要，基本上決定了研究的工作方向就是優(yōu)先研制抗硫化物腐蝕開裂的低合金高強度鋼。 
⑶ 合金元素及熱處理
     碳（C）：增加鋼中碳的含量，會提高鋼在硫化物中的應(yīng)力腐蝕破裂的敏感性。
有害元素：Ni、Mn、S、P; 有利元素：Cr、Ti 
     鎳（Ni）：提高低合金鋼的鎳含量，會降低它在含硫化氫溶液中對應(yīng)力腐蝕開裂的抵抗力。原因是鎳含量的增加，可能形成馬氏體相。所以鎳在鋼中的含量，即使其硬度HRC＜22時, 也不應(yīng)該超過1％。含鎳鋼之所以有較大的應(yīng)力腐蝕開裂傾向，是因為鎳對陰極過程的進行有較大的影響。在含鎳鋼中可以觀察到最低的陰極過電位，其結(jié)果是鋼對氫的吸留作用加強,導致金屬應(yīng)力腐蝕開裂的傾向性提高。。 
     鉻(Cr)：一般認為在含硫化氫溶液中使用的鋼，含鉻0.5％～13％是完全可行的，因為它們在熱處理后可得到穩(wěn)定的組織。不論鉻含量如何，被試驗鋼的穩(wěn)定性未發(fā)現(xiàn)有差異。也有的文獻作者認為，含鉻量高時是有利的，認為鉻的存在使鋼容易鈍化。但應(yīng)當指出的是，這種效果只有在鉻的含量大于11％時才能出現(xiàn)。
    鉬(Mo)：鉬含量≤3％時，對鋼在硫化氫介質(zhì)中的承載能力的影響不大。   
    鈦(Ti)：鈦對低合金鋼應(yīng)力腐蝕開裂敏感性的影響也類似于鉬。試驗證明，在硫化氫介質(zhì)中，含碳量低的鋼(0.04％)加入鈦(0.09％Ti)，對其穩(wěn)定性有一定的改善作用。
    錳(Mn)：錳元素是一種易偏析的元素，研究錳在硫化物腐蝕開裂過程的作用十分重要。當偏析區(qū)Mn、C含量一旦達到一定比例時，在鋼材生產(chǎn)和設(shè)備焊接過程中，產(chǎn)生出馬氏體／貝氏體高強度、低韌性的顯微組織，表現(xiàn)出很高的硬度，對設(shè)備抗SSCC是不利的。對于碳鋼一般限制錳含量小于1.6%。少量的Mn能將硫變?yōu)榱蚧锊⒁粤蚧镄问脚懦?，同時鋼在脫氧時，使用少量的錳后，也會形成良好的脫氧組織而起積極作用。在石油工業(yè)中是制造油管和套管大都采用含錳量較高的鋼，如我國的36Mn2Si鋼。(提高硬度)
    硫（S）：硫?qū)︿摰膽?yīng)力腐蝕開裂穩(wěn)定性是有害的。隨著硫含量的增加，鋼的穩(wěn)定性急劇惡化，主要原因是硫化物夾雜是氫的積聚點，使金屬形成有缺陷的組織。同時硫也是吸附氫的促進劑。因此，非金屬夾雜物尤其是硫化物含量的降低、分散化以及球化均可以提高鋼（特別是高強度鋼）在引起金屬增氫介質(zhì)中的穩(wěn)定性。
    磷（P）：除了形成可引起鋼紅脆（熱脆）和塑性降低的易熔共晶夾雜物外，還對氫原子重新組合過程（Had + Had → H2↑）起抑制作用，使金屬增氫效果增加，從而也就會降低鋼在酸性的、含硫化氫介質(zhì)中的穩(wěn)定性。
⑷ 冷加工     
      經(jīng)冷軋制、冷鍛、冷彎或其他制造工藝以及機械咬傷等產(chǎn)生的冷變形，不僅使冷變形區(qū)的硬度增大，而且還產(chǎn)生一個很大的殘余應(yīng)力，有時可高達鋼材的屈服強度，從而導致對SSCC敏感。一般說來鋼材隨著冷加工量的增加，硬度增大，SSCC的敏感性增強。 
2. 環(huán)境因素的影響
    ⑴ 硫化氫濃度      
            從對鋼材陽極過程產(chǎn)物的形成來看，硫化氫濃度越高，鋼材的失重速度也越快。      
對應(yīng)力腐蝕開裂的影響            
            高強度鋼即使在溶液中硫化氫濃度很低（體積分數(shù)為1×10-3mL/L）的情況下仍能引起破壞，硫化氫體積分數(shù)為5×10-2～6×10-1 mL/L時，能在很短的時間內(nèi)引起高強度鋼的硫化物應(yīng)力腐蝕破壞，但這時硫化氫的濃度對高強度鋼的破壞時間已經(jīng)沒有明顯的影響了。硫化物應(yīng)力腐蝕的下限濃度值與使用材料的強度（硬度）有關(guān)。 
 碳鋼在不同濃度硫化氫溶液中的破壞時間 
            碳鋼在硫化氫體積分數(shù)小于5×10－2mL/L時破壞時間都較長。NACE MR0175－88標準認為發(fā)生硫化氫應(yīng)力腐蝕的極限分壓為0.34×10-3MPa(水溶液中H2S濃度約20mg/L)，低于此分壓不發(fā)生硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂。      
硫化氫濃度越大，破壞一定程度時所需時間越短。
⑵ pH值對硫化物應(yīng)力腐蝕的影響：  
            隨pH的增加，鋼材發(fā)生硫化物應(yīng)力腐蝕的敏感性下降
             pH≤6時，硫化物應(yīng)力腐蝕很嚴重；
             6＜pH≤9時，硫化物應(yīng)力腐蝕敏感性開始顯著下降，但達到斷裂所需的時間仍然很短；
             pH＞9時，就很少發(fā)生硫化物應(yīng)力腐蝕破壞。 
含硫化氫溶液中鋼的破壞時間與pH值之間的關(guān)系 
⑶ 溫度
      在一定溫度范圍內(nèi)，溫度升高，硫化物應(yīng)力腐蝕破裂傾向減小。(溫度升高硫化溶解度減小)
      在22℃左右，硫化物應(yīng)力腐蝕敏感性最大。溫度大于22℃后，溫度升高硫化物應(yīng)力腐蝕敏感性明顯降低。  
      對鉆柱來說，由于井底鉆井液的溫度較高，因而發(fā)生電化學失重腐蝕嚴重。而上部溫度較低，加上鉆柱上部承受的拉應(yīng)力最大，故而鉆柱上部容易發(fā)生硫化物應(yīng)力腐蝕開裂。
(4)流速  
            流體在某特定的流速下，碳鋼和低合金鋼在含H2S流體中的腐蝕速率，通常是隨著時間的增長而逐漸下降，平衡后的腐蝕速率均很低。
            如果流體流速較高或處于湍流狀態(tài)時，由于鋼鐵表面上的硫化鐵腐蝕產(chǎn)物膜受到流體的沖刷而被破壞或粘附不牢固，鋼鐵將一直以初始的高速腐蝕，從而使設(shè)備、管線、構(gòu)件很快受到腐蝕破壞。因此，要控制流速的上限，以把沖刷腐蝕降到最小。通常規(guī)定閥門的氣體流速低于15m/s。相反，如果氣體流速太低，可造成管線、設(shè)備低部集液，而發(fā)生因水線腐蝕、垢下腐蝕等導致的局部腐蝕破壞。因此，通常規(guī)定氣體的流速應(yīng)大于3m/s。 
(5)氯離子  
      在酸性油氣田水中，帶負電荷的氯離子，基于電價平衡，它總是爭先吸附到鋼鐵的表面，因此，氯離子的存在往往會阻礙保護性的硫化鐵膜在鋼鐵表面的形成。但氯離子可以通過鋼鐵表面硫化鐵膜的細孔和缺陷滲入其膜內(nèi)，使膜發(fā)生顯微開裂，于是形成孔蝕核。由于氯離子的不斷移入，在閉塞電池的作用下，加速了孔蝕破壞。
      在酸性天然氣氣井中與礦化水接觸的油套管腐蝕嚴重，穿孔速率快，與氯離子的作用有著十分密切的關(guān)系。 
八、硫化氫腐蝕的預(yù)防措施
1. 選用抗硫化氫材料   
               抗硫化氫材料主要是指對硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂和氫損傷有一定抗力或?qū)@種開裂不敏感的材料。同時采用低硬度（強度）和完全淬火＋回火處理工藝對材料抗硫化氫腐蝕是有利的。   
               美國國家腐蝕工程師學會(NACE)標準MR－01－75(1980年修訂)中規(guī)定：含硫化氫環(huán)境中使用的鉆桿、鉆桿接頭、鉆鋌和其它管材的最大硬度不許高于HRC22；鉆桿接頭與鉆桿的焊接及熱影響區(qū)應(yīng)進行淬火＋595℃以上溫度的回火處理；對于最小屈服強度大于655MPa的鋼材應(yīng)進行淬火＋回火處理，以獲得抗硫化物應(yīng)力腐蝕開裂的最佳能力。
抗H2S腐蝕鋼材的基本要求: 
     ⑴ 成分設(shè)計合理：材料的抗H2S應(yīng)力斷裂性能主要與材料的晶界強度有關(guān)，因此常常加入Cr、Mo、Nb、Ti、Cu等合金元素細化原始奧氏體晶粒度。超細晶粒原始奧氏體經(jīng)淬火后，形成超細晶粒鐵素體和分布良好的超細碳化物組織，是開發(fā)抗硫化物應(yīng)力腐蝕的高強度鋼最有效的途徑。
⑵采用有害元素(包括氫, 氧, 氮等)含量很低純凈鋼；
    ⑶良好的淬透性和均勻細小的回火組織，硬度波動盡可能小；
⑷ 回火穩(wěn)定性好，回火溫度高(＞600℃)；
⑸ 良好的韌性；
⑹ 消除殘余拉應(yīng)力。
油氣田常用的抗SSC碳素鋼
油氣田常用的抗SSC低合金鋼
油氣田常用的抗SSCC油套管及輸送管
標準	操作溫度	鋼級
API規(guī)范5CT油管及套管	用于所有溫度	H-40，J-55，L-55
C-75（1、2、3型），L-80（1型）
API規(guī)范5CT油管及套管	用于大于或等于65℃ 	N80（Q和T級），C-95級（最大屈服強度不大于760MPa的專用Q和T級）
API規(guī)范5CT油管及套管	用于大于或等于80℃	P-105和P-110級（最大屈服強度達到965.5MPa的專用Q和T級）
API規(guī)范5L管線鋼管（無縫管）	用于所有溫度	A、B、X42、X46、X52
ASTM標準（無縫管）	用于所有溫度	A-53、A106（A、B、C）
GB/T8163-1987	用于所有溫度	10、20、09MnV
2.添加緩蝕劑      
             實踐證明合理添加緩蝕劑是防止含H2S酸性油氣對碳鋼和低合金鋼設(shè)施腐蝕的一種有效方法。緩蝕劑對應(yīng)用條件的選擇性要求很高，針對性很強。不同介質(zhì)或材料往往要求的緩蝕劑也不同，甚至同一種介質(zhì)，當操作條件(如溫度、壓力、濃度、流速等)改變時，所采用的緩蝕劑可能也需要改變。             
             用于含H2S酸性環(huán)境中的緩蝕劑，通常為含氧的有機緩蝕劑(成膜型緩蝕劑)，有胺類、米唑啉、酰胺類和季胺鹽，也包括含硫、磷的化合物。如四川石油管理局天然氣研究所研制的CT2－l和CT2－4油氣井緩蝕劑及CT2—2輸送管道緩蝕劑，在四川及其他含硫化氫油氣田上應(yīng)用均取得良好的效果。 
3.控制溶液pH值      
    提高溶液pH值降低溶液中H+含量可提高鋼材對硫化氫的耐蝕能力，維持pH值在9～11之間，這樣不僅可有效預(yù)防硫化氫腐蝕，又可同時提高鋼材疲勞壽命。 
4. 金屬保護層    在需保護的金屬表面用電鍍或化學鍍的方法鍍上Au，Ag，Ni，Cr，Zn，Sn等金屬，保護內(nèi)層不被腐蝕。
5. 保護器保護    將被保護的金屬如鐵作陰極，較活潑的金屬如Zn作犧牲性陽極。陽極腐蝕后定期更換。
6. 陰極保護    外加電源組成一個電解池，將被保護金屬作陰極，廢金屬作陽極。

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