1、油田設(shè)備用抗硫化物應(yīng)力腐蝕斷裂和應(yīng)力腐蝕裂紋的金屬材料選擇,ISO 15156-2009 SECOND EDITION (ISO 15156/NACE MR0175) 標(biāo)準(zhǔn)講解 2015年3月,說(shuō)明,涂藍(lán)色為個(gè)人不太確定或理解的內(nèi)容 涂綠色為關(guān)鍵點(diǎn) 素材摘自NACE MR 0175，尤利格腐蝕手冊(cè)， NACE Corrosion Engineers Reference Book (3rd Edition)等 對(duì)于規(guī)范中涉及到油氣井、鉆井、完井、井口、采油樹、礦場(chǎng)設(shè)備和礦場(chǎng)處理裝置的內(nèi)容做了刪減 對(duì)有些內(nèi)容僅羅列了關(guān)鍵的點(diǎn)，在設(shè)計(jì)以及標(biāo)準(zhǔn)使用過(guò)程中仍需要參閱標(biāo)準(zhǔn) 對(duì)于有些項(xiàng)目業(yè)主會(huì)提出不同于該標(biāo)

2、準(zhǔn)的要求，需要參考具體的規(guī)格書，通常大石油公司都有自己的酸性環(huán)境選材規(guī)范，其內(nèi)容可能會(huì)存在些許差異，但其原則都是一樣的,一 CRACKING AND CORROSION,CRACKING：開裂，只要有裂紋源，裂紋會(huì)擴(kuò)展，擴(kuò)展速率有時(shí)會(huì)很快，不能通過(guò)增加腐蝕裕量來(lái)解決消除，在含硫化氫的酸性環(huán)境中，通常開裂起著主導(dǎo)因素。該環(huán)境中H2S對(duì)腐蝕起著主導(dǎo)作用，水是引起腐蝕的必要條件，CO2存在會(huì)促進(jìn)腐蝕，究其本質(zhì)也是應(yīng)力腐蝕，即使在無(wú)外加應(yīng)力情況下也是因氫壓引起，詳見對(duì)HB的分析,見下圖（f）. CORROSION:腐蝕，通常所說(shuō)的腐蝕更傾向于全面腐蝕、點(diǎn)蝕等，會(huì)產(chǎn)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，引起質(zhì)量損失，可以

3、通過(guò)增加腐蝕裕量來(lái)解決,鋼暴露于濕H2S環(huán)境開裂現(xiàn)象（摘自尤利格腐蝕手冊(cè)）,在酸性環(huán)境服役的焊接件同時(shí)出現(xiàn)的幾種氫損傷,HB：開始形成的氫原子在鋼中擴(kuò)散并在氫陷阱處致氫鼓泡的發(fā)生 HIC:是氫鼓泡的一種形式，由平行于鋼表面的層狀裂紋在厚度方向上相連接，由個(gè)體缺陷連接引起的損傷能導(dǎo)致沿壁厚方向的迅速穿透。有文獻(xiàn)報(bào)道在沙特的酸性氣體管線中，失效發(fā)生于啟用的數(shù)周之內(nèi)，影響長(zhǎng)度約10km。無(wú)需外部應(yīng)力即可發(fā)生。 HIC發(fā)生三個(gè)步驟：氫原子在鋼表面的形成和從表面的進(jìn)入氫原子在鋼基體中的擴(kuò)散氫原子在陷阱處的富集，內(nèi)部壓力增加，從而導(dǎo)致裂紋萌生和擴(kuò)展,SSC:在有水和H2S存在的情況下，與腐蝕和拉應(yīng)力（外應(yīng)

4、力或殘余應(yīng)力）有關(guān)的一種金屬開裂，與金屬表面、拉應(yīng)力方向垂直。是氫應(yīng)力開裂（HSC)的一種,它與在金屬表面的因酸性腐蝕所產(chǎn)生的原子氫引起的金屬脆性有關(guān)。在硫化物存在時(shí)，會(huì)促進(jìn)氫的吸收。原子氫能擴(kuò)散進(jìn)金屬，降低金屬的韌性，增加裂紋敏感性，高強(qiáng)度金屬和較硬的焊縫區(qū)更易發(fā)生。 SOHIC:大約與主應(yīng)力（殘余的或外加的)方向垂直的一些交錯(cuò)小裂紋，導(dǎo)致了像梯子一樣的，將已有的HIC裂紋連接起來(lái),二 ISO 15156標(biāo)準(zhǔn)概況及組成,ISO15156-2009（First edition）原ISO 15156/NACE MR0175-2003 升版 在原NACE MR0175基礎(chǔ)上結(jié)合EFC 16/EFC

5、 17形成 標(biāo)準(zhǔn)由以下三部分組成： Petroleum and natural gas industriesMaterials for use in H2S-containing Environments in oil and gas production Part 1:General principles for selection of cracking-resistant materials Part 2:Cracking-resistant carbon and low-alloy steels, and the use of cast irons Part 3:Cracking-re

6、sistant CRAs corrosion resistant alloys) and other alloys,三 標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語(yǔ),SSC(sulfide stress-cracking) 硫化物應(yīng)力開裂 cracking of metal involving anodic processes of localized corrosion and tensile stress (residual and/or applied) in the presence of water and H2S （在有水和硫化氫存在的情況下，與腐蝕和拉應(yīng)力有關(guān)的一種金屬開裂） HIC（hydrogen-induce

7、d cracking）氫致開裂 planar cracking that occurs in carbon and low alloy steels when atomic hydrogen diffuses into the steel and then combines to form molecular hydrogen at trap sites （為氫原子擴(kuò)散進(jìn)鋼鐵中并在陷阱處結(jié)合而成氫分子時(shí)所引起的在碳鋼和低合金鋼中的平面裂紋）,SOHIC（stress-oriented hydrogen-induced cracking）應(yīng)力導(dǎo)向性氫致開裂 SCC(stress corrosio

8、n cracking) 應(yīng)力腐蝕開裂 HSC（hydrogen stress cracking）氫應(yīng)力開裂 SZC（soft-zone cracking）軟區(qū)開裂 SWC（Step-wise cracking)階梯裂紋 CRA（ Corrosion-resistant alloy)耐蝕合金 HRC（Rockwell hardness）洛氏硬度 HBW (Brinell hardness) 布氏硬度 HV (Vickers hardness) HZC（Heat-affected zone) 熱影響區(qū) SOUR SERVICE: exposure to oilfield environments

9、that contain sufficient H2S to cause cracking of materials by the mechanisms addressed by this part of ISO 15156,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(shè)備的金屬材料評(píng)定和選擇的一般原則、要求和推薦方法 由硫化氫引起的開裂機(jī)理包括：SSC SCC HIC SOHIC SZC等 適用于按常規(guī)彈性準(zhǔn)則設(shè)計(jì)和制造的設(shè)備選材，對(duì)于按塑性設(shè)計(jì)（比如基于應(yīng)變和極限狀態(tài)設(shè)計(jì)）的情況不適合 不適用于煉油或下游的加工設(shè)備，如考慮需要看到標(biāo)準(zhǔn)NACE MR 0103-2010,四 標(biāo)準(zhǔn)適用范圍,五

10、 標(biāo)準(zhǔn)使用注意點(diǎn),標(biāo)準(zhǔn)是石油天然氣生產(chǎn)以及脫硫裝置中處于H2S環(huán)境中設(shè)備金屬材料的評(píng)定和選擇的一般原則、要求及推薦做法 選擇預(yù)期合適的使用環(huán)境是設(shè)備使用者的責(zé)任，即業(yè)主應(yīng)首先評(píng)估材料所接觸的環(huán)境，指定需要預(yù)防的種類，如抗HIC SSCSOHIC等，設(shè)備制造者根據(jù)其指定的種類做出響應(yīng)，按標(biāo)準(zhǔn)要求建造設(shè)備 對(duì)于業(yè)主通常提出的“設(shè)備需滿足NACE MR 0175”要求，要向業(yè)主明確具體需要滿足那種防護(hù)，如業(yè)主也不清楚則需要我們根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和物料組分來(lái)判斷 是一經(jīng)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，因此本標(biāo)準(zhǔn)對(duì)選材分為兩類： 有成功使用經(jīng)驗(yàn)的材料，在產(chǎn)品制造過(guò)程中采取一些措施即可滿足要求 無(wú)成功使用經(jīng)驗(yàn)的材料，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)定，如

11、有此情況，應(yīng)要求業(yè)主指定適合的試驗(yàn)方法,六 ISO 15156-2:2009,含硫化氫環(huán)境中影響碳鋼和低合金鋼性能的因素 化學(xué)成分、制造方法、成形方式、強(qiáng)度、硬度和局部變化的程度、冷加工量、熱處理?xiàng)l件、材料微觀結(jié)構(gòu)的均一性、晶粒大小和材料純凈度 H2S分壓或在水中的當(dāng)量濃度 水相中氯離子濃度 水相的PH值 硫或其他氧化劑的存在 暴露在非生產(chǎn)流體中（exposure to non-production fluids） 暴露溫度和暴露時(shí)間 總的拉伸應(yīng)力（施加的拉應(yīng)力和外部應(yīng)力）,SSC選材 按經(jīng)驗(yàn)選材附錄A2，相對(duì)保守籠統(tǒng)的做法 選項(xiàng)一： P H2S0.0003MPa（0.05psi）一般無(wú)詳細(xì)考

12、慮，但對(duì)高敏感性鋼材可能會(huì)開裂（應(yīng)考慮在不正常使用條件或停車時(shí)暴露于未緩沖的低PH值凝析水相等） 對(duì)P H2S0.0003MPa（0.05psi）按附錄A.2選擇，不用進(jìn)一步SSC試驗(yàn) 選項(xiàng)二：按分區(qū)選擇，在A.2的基礎(chǔ)上有例外SSC 1區(qū)按A.2 A.3 A.4選擇，SSC 2區(qū)按A.2 A.3 選擇， SSC 3按A.2區(qū)選擇 A3 A4是針對(duì)A2的一些補(bǔ)充，放寬了限制 按試驗(yàn)選材附錄B 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)評(píng)定，按分區(qū)來(lái)制定推薦的試驗(yàn)方法，詳見B.3 試驗(yàn)方法 NACE TM 0177 Method A/C/D(未應(yīng)用Method B 試驗(yàn)時(shí)間至少720h)或EFC Publication 16,

13、SSC 分區(qū)劃分,H2S 分壓計(jì)算,氣相系統(tǒng),不含氣的液體系統(tǒng),PH值確定推薦方法,附錄A 抗SSC使用要求和建議,A.2 要點(diǎn): 原材料 22HRC（按ASTM E 140：HBW237 & HV248) Ni含量小于1%，非易切削鋼（加入硫硒等元素增強(qiáng)切削性能） 供貨狀態(tài)按其中之一：熱軋（僅限于碳鋼）；退火；正火；正火加回火；正火、奧氏體化、淬火加回火；奧氏體化、淬火加回火 允許例外 對(duì)A105 如硬度不大于187 HBW可不受上述供貨狀態(tài)限制 A105標(biāo)準(zhǔn)對(duì)300#等條件以下的熱處理狀態(tài)不是強(qiáng)制性的 對(duì)300#以上的要求是正火 同上對(duì)A 234 WPB/WPC不大于197 HBW除了上述

14、限制是可接受的,焊接 焊縫硬度控制 硬度符合可不要求PWHT SMYS360MPa（52ksi）的API 5L ABX-42X-65,ASTM A53,A106 Gr.ABC,A333 Gr.16,A 524 Gr.12,A 381 class 1, Y35 to Y65管，如業(yè)主同意且使用工況不苛刻可免除硬度測(cè)試 表面處理 金屬襯里可用于防SSC，基材熱處理狀態(tài)不能改變 金屬涂層（電鍍或非電鍍）、塑料涂層或襯里、轉(zhuǎn)化型涂層均不能用于防止SSC 表面纖維伸長(zhǎng)率大于5%要求PWHT(同ASME),可用的材料： 壓力容器板P-No.1 P-No.2(ASME SEC.IX) ，但軋板在含有微量（0

15、區(qū)）H2S環(huán)境可能對(duì)HIC/SWC敏感 API 5L ABX-42X-65,ASTM A53,A106 Gr.ABC,A333 Gr.16,A 524 Gr.12,A 381 class 1, Y35 to Y65 緊固件：A 193 B7M,A320 L7M,A 194 2HM,A 194 7M (按標(biāo)準(zhǔn)描述為 直接或做外部防護(hù)后仍暴露于酸性環(huán)境的緊固件 ，但通常有業(yè)主對(duì)外部法蘭也要求用，有爭(zhēng)議，建議考慮按暴露于酸性環(huán)境選) Bolting that can be exposed directly to a sour environment, or that is buried, insul

16、ated, equipped with flange protectors or otherwise denied direct atmospheric exposure, shall conform to the general requirements of A.2.1. Designers and users should be aware that it can be necessary to lower equipment pressure ratings when using SSC-resistant bolting and fasteners. The use of SSC-r

17、esistant bolting and fasteners with API flanges shall be in accordance with ISO 10423.,適用的設(shè)備 對(duì)井口設(shè)備、壓縮機(jī)、泵有具體的要求 鑄鐵的使用 對(duì)鑄鐵的使用有詳述，灰鑄鐵（ASTM A278 Gr.35/40）和球墨鑄鐵（ASTM A395）可用來(lái)制造壓縮機(jī)氣缸、缸套、活塞和閥件 附錄A.3 用于SSC 1區(qū)的抗SSC鋼，允許在A.2基礎(chǔ)上有例外，如對(duì)管線鋼已證明SMYS 450MPa（65psi）是可接受的，要求在制造和現(xiàn)場(chǎng)焊縫的硬度不超過(guò)280HV 附錄A.4 用于SSC 2區(qū)的抗SSC鋼，允許在A.

18、2，A.3的基礎(chǔ)上有例外，如對(duì)管線鋼已證明SMYS 550MPa（80psi）是可接受的，要求在制造和現(xiàn)場(chǎng)焊縫的硬度不超過(guò)300HV,SOHIC和SZC,認(rèn)為只限于碳鋼，當(dāng)使用環(huán)境中有硫或氧存在時(shí)，這種機(jī)理引起的破壞性增大，在一般項(xiàng)目中很少遇到 SOHIC或SZC的評(píng)價(jià)程序見B.4 在SOHIC或SZC評(píng)價(jià)之前材料應(yīng)進(jìn)行了在設(shè)計(jì)條件下的抗SSC評(píng)定并合格 附錄B.4.2 小尺寸試樣試驗(yàn) 附錄B.4.3全管環(huán)試驗(yàn) 對(duì)于SOHIC和SZC的試驗(yàn)方法還沒有標(biāo)準(zhǔn)化，可替代上述兩種試驗(yàn)方法的方法尚在研究中,抗HIC和SWC要求,按照試驗(yàn)選材，試驗(yàn)程序見附錄B.5 適用于任何酸性環(huán)境 NACE TM 02

19、84 Environment A 100kpa H2S分壓：CLR15% CTR5% CSR2% 特定的或不太苛刻的環(huán)境按照5 % mass fraction NaCl + 0,4 % mass fraction CH3COONa,pH adjusted to required value using HCl or NaOH，H2S按預(yù)期的應(yīng)用環(huán)境，無(wú)裂紋為合格 測(cè)試時(shí)間均為96小時(shí) 經(jīng)驗(yàn)： HIC和SWC的發(fā)生受化學(xué)成分和生產(chǎn)流程的影響，硫含量尤為重要，通常軋制和無(wú)縫產(chǎn)品可接受的最大硫含量分別為0.003%和0.01%,鍛件可接受的最大硫含量為0.025%,一般不考慮鑄件對(duì)HIC和SWC的影

20、響；實(shí)踐證明在無(wú)縫鋼管和非軋制產(chǎn)品中對(duì)HIC和SWC敏感性低得多,七 ISO 15156-3:2009,含硫化氫環(huán)境中影響耐蝕合金和其他合金性能的因素 化學(xué)成分、強(qiáng)度、熱處理、顯微組織、制造方法和最終狀態(tài) H2S分壓或在水中的當(dāng)量溶解濃度 水相的酸度（原位PH） 氯或其他鹵離子的濃度 硫或其他氧化劑的存在 暴露溫度 材料在使用環(huán)境中的抗點(diǎn)蝕能力 電偶的影響 總的拉伸應(yīng)力（施加的拉應(yīng)力和外部應(yīng)力）,GHSC: galvanically induced hydrogen stress cracking cracking that results due to the presence of hyd

21、rogen in a metal, induced in the cathode of a galvanic couple（電偶的陰極）, and tensile stress (residual and/or applied) PREN: pitting-resistance equivalent number PREN=wCr+3,3(wMo+0,5wW)+16wN 注：該值是由合金的各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算出來(lái)，反應(yīng)和預(yù)計(jì)鐵鉻鎳鉬耐蝕合金在溶解有氯化物和氧的環(huán)境中的抗點(diǎn)蝕能力，該值和抗局部腐蝕能力成正比 NACE標(biāo)準(zhǔn)指出：該數(shù)值雖有用，但不能直接表示出含硫化氫油田環(huán)境中的抗腐蝕作用 常見不銹鋼

22、PREN: S3040818 S3160324 雙相鋼S2205335 S2507340 AYS: actual yield strength Duplex stainless steel: 此標(biāo)準(zhǔn)中指奧氏體/鐵素體雙相鋼,附錄A 依據(jù)成功的使用經(jīng)驗(yàn)，不用試驗(yàn),該附錄為ISO 15156-3:2009的最重要組成部分，現(xiàn)階段通常用到的材料基本上都在該附錄里，選材時(shí)可對(duì)照查詢，如滿足表中限定條件即可認(rèn)為是符合標(biāo)準(zhǔn)，可以抗開裂，不用再進(jìn)行抗SSC SCC和GHSC開裂試驗(yàn) 表A.1為按材料類別所列的索引，按材料種類及用途(如用于鑄件、管件、井口設(shè)備、管件等均不同)可對(duì)應(yīng)找出使用限制表 材料使用表中

23、列出了溫度、硫化氫分壓、氯離子、PH值和硫的應(yīng)用限制，這些限制都共同應(yīng)用，表中所用的PH值相當(dāng)于最小原位PH值 材料選擇表都是在假設(shè)無(wú)氧存在的條件下制定的 包含了銅和鋁合金的使用信息 包含了鍍層、覆蓋層和耐磨合金的使用建議,J883項(xiàng)目B24-U-0152D/E/F單元 組分中含有水及H2S CO2，屬于典型的酸性環(huán)境 H2S 0.27% 則H2S分壓0.27%*375=1.01Psi CO2 1.38% 則CO2分壓1.38%*375=5.175Psi P(H2S+ CO2)=6.185Psi42.6441kpa PH查表約為4.15結(jié)合查表得其介于3區(qū)，針對(duì)SSC 需要滿足附錄A.2要求 對(duì)板