在石油天然氣開采、化工生產(chǎn)、海洋工程及含硫廢棄物處理等領(lǐng)域，金屬材料面臨的主要挑戰(zhàn)之一是硫化氫（H?S）腐蝕。硫化氫不僅會(huì)導(dǎo)致金屬表面均勻腐蝕、點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕開裂（SCC），甚至引發(fā)災(zāi)難性失效（如管道穿孔、設(shè)備爆炸）。因此，金屬硫化氫測(cè)試是評(píng)估材料環(huán)境適應(yīng)性的核心技術(shù)手段，為設(shè)備設(shè)計(jì)、材料選型及壽命預(yù)測(cè)提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐。本文從實(shí)驗(yàn)室技術(shù)角度，系統(tǒng)解析金屬硫化氫測(cè)試的原理、實(shí)施要點(diǎn)及工程意義。

一、金屬硫化氫測(cè)試的核心定位與標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)

金屬硫化氫測(cè)試是模擬含硫介質(zhì)（如含H?S的天然氣、原油、工業(yè)廢氣）環(huán)境，通過加速腐蝕試驗(yàn)驗(yàn)證金屬材料（如碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、鋁及鋁合金）及防護(hù)層（如涂層、鍍層）的耐蝕性能。其技術(shù)依據(jù)主要包括：

GB/T 2424.12-2014《硫化氫氣體腐蝕試驗(yàn)》（國內(nèi)金屬材料硫化氫腐蝕的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)）；

ASTM G154-16《非金屬材料暴露用紫外/熒光燈設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)操作》（部分金屬與非金屬復(fù)合材料的輔助標(biāo)準(zhǔn)）；

NACE TM0177-2016《金屬材料在硫化氫環(huán)境中應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)方法》（針對(duì)應(yīng)力腐蝕的專項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)）；

ISO 15741-2018《石油和天然氣工業(yè) 油井套管和油管用鋼的性能》（油氣行業(yè)專用材料測(cè)試要求）。

測(cè)試的核心目標(biāo)是：通過控制H?S濃度、溫度、濕度等參數(shù)，模擬實(shí)際工況中的腐蝕環(huán)境，在短時(shí)間內(nèi)量化材料的腐蝕速率（如mm/a或g/m2·h），并評(píng)估其抗腐蝕失效能力（如是否出現(xiàn)裂紋、穿孔）。

二、金屬硫化氫腐蝕的科學(xué)原理與失效機(jī)制

硫化氫對(duì)金屬的腐蝕本質(zhì)是電化學(xué)過程，涉及陽極金屬溶解與陰極還原反應(yīng)的協(xié)同作用，具體可分為以下階段：

1. 電化學(xué)腐蝕基礎(chǔ)

陽極反應(yīng)：金屬原子失去電子，溶解為金屬離子進(jìn)入溶液（如Fe → Fe2? + 2e?）；

陰極反應(yīng)：H?S在溶液中解離出H?和S2?，H?獲得電子生成氫氣（2H? + 2e? → H?↑），或S2?與金屬離子結(jié)合生成硫化物（如Fe2? + S2? → FeS↓）。

2. 典型腐蝕形態(tài)

均勻腐蝕：金屬表面整體發(fā)生溶解，表現(xiàn)為厚度均勻減薄（常見于低碳鋼在低濃度H?S環(huán)境中）；

點(diǎn)蝕：局部區(qū)域因鈍化膜破壞形成微小蝕孔（如不銹鋼在Cl?+H?S復(fù)合環(huán)境中）；

應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）：拉應(yīng)力與H?S腐蝕協(xié)同作用，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展（如硫化物應(yīng)力腐蝕開裂SSCC，常見于高應(yīng)力狀態(tài)的管線鋼）；

氫鼓泡（HB）/氫致開裂（HIC）：H?還原產(chǎn)生的氫原子滲透至金屬內(nèi)部，在夾雜物或缺陷處聚集形成氫分子，產(chǎn)生高壓導(dǎo)致材料鼓泡或開裂（多見于厚鋼板、鍛件）。

三、實(shí)驗(yàn)室硫化氫測(cè)試的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)

1. 試驗(yàn)設(shè)備與環(huán)境控制

硫化氫測(cè)試對(duì)設(shè)備的密封性、氣體純度及環(huán)境參數(shù)穩(wěn)定性要求極高，核心設(shè)備包括：

設(shè)備模塊

功能要求

技術(shù)參數(shù)示例

硫化氫供應(yīng)系統(tǒng)

   提供高純度H?S氣體（純度≥99.9%），調(diào)節(jié)流量與濃度

   流量范圍：0~5L/min，濃度偏差≤±2%

   環(huán)境試驗(yàn)箱

   集成恒溫、恒濕、氣體混合功能，容積≥0.05m3（滿足多試樣同時(shí)暴露）

   溫度范圍：25℃~150℃（±1℃），濕度：70%~95%（±5%RH）

   氣體混合與稀釋裝置

   按標(biāo)準(zhǔn)比例混合H?S、N?或空氣（模擬不同H?S分壓環(huán)境）

   分壓控制精度：±0.1%（如總壓1atm時(shí)，H?S分壓0.1atm）

   腐蝕產(chǎn)物收集裝置

   回收試樣表面松散腐蝕產(chǎn)物（如FeS），避免殘留影響質(zhì)量測(cè)量

   采用去離子水噴淋+超聲清洗組合

   2. 試樣制備與預(yù)處理

試樣的狀態(tài)直接影響測(cè)試結(jié)果的可靠性，需嚴(yán)格遵循以下步驟：

尺寸與數(shù)量：通常為片狀試樣（50mm×25mm×1~3mm），數(shù)量≥3件（保證統(tǒng)計(jì)有效性）；特殊形狀試樣（如管材、板材）需保留原始表面狀態(tài)。

表面處理：

金屬基材：用240#~600#砂紙打磨至光滑，去除氧化層、劃痕；用丙酮或乙醇清洗油污，冷風(fēng)吹干（避免機(jī)械損傷）；

防護(hù)層試樣（如涂層、鍍層）：檢查涂層完整性（無氣泡、針孔），暴露最外層（如涂層表面）或指定界面（如鍍層-基材界面）。

標(biāo)記方法：采用激光打標(biāo)或耐蝕油墨標(biāo)記編號(hào)（避免破壞表面防護(hù)層）。

3. 試驗(yàn)條件（典型參數(shù)示例）

硫化氫測(cè)試的嚴(yán)苛程度可通過調(diào)整以下參數(shù)實(shí)現(xiàn)分級(jí)（以API 5L管線鋼測(cè)試為例）：

參數(shù)項(xiàng)

常規(guī)測(cè)試條件（模擬常規(guī)含硫環(huán)境）

加速測(cè)試條件（模擬高腐蝕風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境）

H?S濃度（體積分?jǐn)?shù)）

1%~5%（如1% H?S+99% N?） 

5%~20%（如5% H?S+95% CO?） 

溫度（℃）

25~50（常溫模擬）

80~120（高溫加速腐蝕）

相對(duì)濕度（%RH）

70~90（高濕度促進(jìn)H?S解離）  

80~95（強(qiáng)化電化學(xué)腐蝕）

試驗(yàn)時(shí)間（h）

24~72（快速篩選材料） 

168~500（模擬數(shù)年服役壽命）

4. 試驗(yàn)步驟與關(guān)鍵操作

1.預(yù)處理：試樣稱重（精確至0.1mg），測(cè)量初始尺寸（厚度、長(zhǎng)度）。

2.設(shè)備調(diào)試：開啟H?S供應(yīng)系統(tǒng)，校準(zhǔn)氣體濃度傳感器（誤差≤±2%）；調(diào)節(jié)溫濕度至設(shè)定值，空載運(yùn)行24h驗(yàn)證穩(wěn)定性（如H?S濃度波動(dòng)≤±5%）。

3.試樣安裝：將試樣固定于試驗(yàn)箱內(nèi)（垂直懸掛或平行于氣流方向，避免遮擋氣體流動(dòng)），確保試樣間間距≥20mm（防止交叉污染）。

4.環(huán)境暴露：?jiǎn)?dòng)H?S氣體供應(yīng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控溫濕度、H?S濃度（每30min記錄一次）；若使用濕度循環(huán)（如40℃→85℃→40℃），需按程序切換。

5.后處理：達(dá)到規(guī)定時(shí)間后，關(guān)閉H?S供應(yīng)，用去離子水輕沖試樣表面（去除松散腐蝕產(chǎn)物），冷風(fēng)吹干后再次稱重（精確至0.1mg）。

四、測(cè)試結(jié)果評(píng)定與失效分析

1. 腐蝕速率計(jì)算

通過失重法量化腐蝕程度，公式如下：

腐蝕速率(mm/a)=A?t?ρK?W

其中：

K：?jiǎn)挝粨Q算系數(shù)（87.6，當(dāng)W單位為g，A單位為cm2，t單位為h，ρ單位為g/cm3時(shí)）；

W：腐蝕失重（初始質(zhì)量-終了質(zhì)量）；

A：試樣暴露面積；

t：試驗(yàn)時(shí)間

ρ：金屬密度。

2. 腐蝕等級(jí)評(píng)定

根據(jù)行業(yè)或產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，將腐蝕速率或表面形貌劃分為不同等級(jí)（以GB/T 6461-2002《金屬基體上金屬和其他無機(jī)覆蓋層 經(jīng)腐蝕試驗(yàn)后的試樣和試件的評(píng)級(jí)》為例）

等級(jí)

腐蝕描述

典型應(yīng)用場(chǎng)景

0級(jí)

無可見腐蝕痕跡

高可靠性設(shè)備（如深海閥門 

1級(jí)

    輕微腐蝕（腐蝕面積≤0.1%）

    普通工業(yè)設(shè)備（如普通管線）

   3級(jí)

    中度腐蝕（腐蝕面積0.5%~2%）

    需定期維護(hù)的設(shè)備（如化工儲(chǔ)罐）

    5級(jí)

   嚴(yán)重腐蝕（腐蝕面積＞5%或穿孔）

   不合格（需更換材料或防護(hù)層）

   3. 微觀失效分析

對(duì)于失效試樣（如出現(xiàn)裂紋、穿孔），需結(jié)合以下技術(shù)定位根本原因：

掃描電鏡（SEM）：觀察腐蝕產(chǎn)物形貌（如FeS是否呈層狀分布）及裂紋走向（沿晶/穿晶）；

能譜分析（EDS）：檢測(cè)腐蝕產(chǎn)物成分（如S、Cl元素富集），判斷是否為H?S為主導(dǎo)的腐蝕；

電化學(xué)測(cè)試：通過極化曲線（Tafel）評(píng)估腐蝕電流密度（icorr），量化材料的耐蝕活性；

金相分析：觀察截面微觀組織（如晶界是否存在腐蝕溝槽），識(shí)別應(yīng)力腐蝕或氫脆特征。

五、工程應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)室注意事項(xiàng)

1. 典型應(yīng)用場(chǎng)景

石油天然氣行業(yè)：測(cè)試油氣管道鋼（如X60、X70）、井下工具（如鉆桿）在含硫油氣中的耐蝕性（如要求1000h H?S測(cè)試后腐蝕速率≤0.05mm/a）；

化工行業(yè)：評(píng)估反應(yīng)釜、換熱器用不銹鋼（316L、雙相鋼）在H?S+酸霧環(huán)境中的抗點(diǎn)蝕能力；

海洋工程：驗(yàn)證船舶用鋼（AH36、DH36）在海水+H?S（來自微生物分解）環(huán)境中的抗應(yīng)力腐蝕性能。

2. 實(shí)驗(yàn)室執(zhí)行注意事項(xiàng)

安全防護(hù)：H?S為劇毒氣體（LC50=440ppm/1h），試驗(yàn)需在防爆通風(fēng)櫥中進(jìn)行，操作人員需佩戴正壓式呼吸器、防化手套；

環(huán)境校準(zhǔn)：定期使用標(biāo)準(zhǔn)H?S氣體（如1%濃度）校準(zhǔn)傳感器，確保濃度控制精度；

試樣隔離：避免試樣與其他金屬接觸（防止電偶腐蝕），需用絕緣支架固定；

標(biāo)準(zhǔn)一致性：測(cè)試前需明確依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)（如GB/T 2424.12或NACE TM0177），并與客戶確認(rèn)參數(shù)（如H?S濃度、時(shí)間），避免結(jié)果爭(zhēng)議。

結(jié)語

金屬硫化氫測(cè)試是實(shí)驗(yàn)室技術(shù)中“環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證”的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過科學(xué)的介質(zhì)控制、環(huán)境模擬與數(shù)據(jù)量化，為材料在含硫環(huán)境中的可靠性提供了核心支撐。對(duì)于研發(fā)端與生產(chǎn)端而言，掌握硫化氫測(cè)試的核心技術(shù)（如設(shè)備精度、試樣處理、失效分析），不僅能提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，更能為用戶的安全生產(chǎn)與長(zhǎng)期運(yùn)行保駕護(hù)航。