硫化氢环境材质选择Mr0175-ISO15156标准讲解

油田设备用抗硫化物应力腐蚀断裂和应力腐蚀裂纹的金属材料选择ISO15156-2009SECONDEDITION(ISO15156/NACEMR0175)标准讲解2015年3月说明涂蓝色为个人不太确定或理解的内容涂绿色为关键点素材摘自NACEMR0175，尤利格腐蚀手册，NACECorrosionEngineer‘sReferenceBook(3rdEdition)等对于规范中涉及到油气井、钻井、完井、井口、采油树、矿场设备和矿场处理装置的内容做了删减对有些内容仅罗列了关键的点，在设计以及标准使用过程中仍需要参阅标准对于有些项目业主会提出不同于该标准的要求，需要参考具体的规格书，通常大石油公司都有自己的酸性环境选材规范，其内容可能会存在些许差异，但其原则都是一样的一CRACKINGANDCORROSIONCRACKING：开裂，只要有裂纹源，裂纹会扩展，扩展速率有时会很快，不能通过增加腐蚀裕量来解决消除，在含硫化氢的酸性环境中，通常开裂起着主导因素。该环境中H2S对腐蚀起着主导作用，水是引起腐蚀的必要条件，CO2存在会促进腐蚀，究其本质也是应力腐蚀，即使在无外加应力情况下也是因氢压引起，详见对HB的分析,见下图（f）.CORROSION:腐蚀，通常所说的腐蚀更倾向于全面腐蚀、点蚀等，会产生化学或电化学反应，引起质量损失，可以通过增加腐蚀裕量来解决钢暴露于湿H2S环境开裂现象（摘自尤利格腐蚀手册）在酸性环境服役的焊接件同时出现的几种氢损伤HB：开始形成的氢原子在钢中扩散并在氢陷阱处致氢鼓泡的发生HIC:是氢鼓泡的一种形式，由平行于钢表面的层状裂纹在厚度方向上相连接，由个体缺陷连接引起的损伤能导致沿壁厚方向的迅速穿透。有文献报道在沙特的酸性气体管线中，失效发生于启用的数周之内，影响长度约10km。无需外部应力即可发生。HIC发生三个步骤：氢原子在钢表面的形成和从表面的进入氢原子在钢基体中的扩散氢原子在陷阱处的富集，内部压力增加，从而导致裂纹萌生和扩展SSC:在有水和H2S存在的情况下，与腐蚀和拉应力（外应力或残余应力）有关的一种金属开裂，与金属表面、拉应力方向垂直。是氢应力开裂（HSC)的一种,它与在金属表面的因酸性腐蚀所产生的原子氢引起的金属脆性有关。在硫化物存在时，会促进氢的吸收。原子氢能扩散进金属，降低金属的韧性，增加裂纹敏感性，高强度金属和较硬的焊缝区更易发生。SOHIC:大约与主应力（残余的或外加的)方向垂直的一些交错小裂纹，导致了像梯子一样的，将已有的HIC裂纹连接起来二ISO15156标准概况及组成ISO15156-2009（Firstedition）——原ISO15156/NACEMR0175-2003升版在原NACEMR0175基础上结合EFC16/EFC17形成标准由以下三部分组成：Petroleumandnaturalgasindustries—MaterialsforuseinH2S-containingEnvironmentsinoilandgasproduction—Part1:Generalprinciplesforselectionofcracking-resistantmaterialsPart2:Cracking-resistantcarbonandlow-alloysteels,andtheuseofcastironsPart3:Cracking-resistantCRAscorrosionresistantalloys)andotheralloys三标准术语SSC(sulfidestress-cracking)硫化物应力开裂crackingofmetalinvolvinganodicprocessesoflocalizedcorrosionandtensilestress(residualand/orapplied)inthepresenceofwaterandH2S（在有水和硫化氢存在的情况下，与腐蚀和拉应力有关的一种金属开裂）HIC（hydrogen-inducedcracking）氢致开裂planarcrackingthatoccursincarbonandlowalloysteelswhenatomichydrogendiffusesintothesteelandthencombinestoformmolecularhydrogenattrapsites（为氢原子扩散进钢铁中并在陷阱处结合而成氢分子时所引起的在碳钢和低合金钢中的平面裂纹）SOHIC（stress-orientedhydrogen-inducedcracking）应力导向性氢致开裂SCC(stresscorrosioncracking)应力腐蚀开裂HSC（hydrogenstresscracking）氢应力开裂SZC（soft-zonecracking）软区开裂SWC（Step-wisecracking)阶梯裂纹CRA（Corrosion-resistantalloy)耐蚀合金HRC（Rockwellhardness）洛氏硬度HBW(Brinellhardness)布氏硬度HV(Vickershardness)HZC（Heat-affectedzone)热影响区SOURSERVICE:exposuretooilfieldenvironmentsthatcontainsufficientH2StocausecrackingofmaterialsbythemechanismsaddressedbythispartofISO15156石油天然气生产以及脱硫装置中处于硫化氢环境中设备的金属材料评定和选择的一般原则、要求和推荐方法由硫化氢引起的开裂机理包括：SSCSCCHICSOHICSZC等适用于按常规弹性准则设计和制造的设备选材，对于按塑性设计（比如基于应变和极限状态设计）的情况不适合不适用于炼油或下游的加工设备，如考虑需要看到标准NACEMR0103-2010四标准适用范围五标准使用注意点标准是石油天然气生产以及脱硫装置中处于H2S环境中设备金属材料的评定和选择的一般原则、要求及推荐做法选择预期合适的使用环境是设备使用者的责任，即业主应首先评估材料所接触的环境，指定需要预防的种类，如抗HIC\SSC\SOHIC等，设备制造者根据其指定的种类做出响应，按标准要求建造设备对于业主通常提出的“设备需满足NACEMR0175”要求，要向业主明确具体需要满足那种防护，如业主也不清楚则需要我们根据经验和物料组分来判断是一经验标准，因此本标准对选材分为两类：①有成功使用经验的材料，在产品制造过程中采取一些措施即可满足要求②无成功使用经验的材料，需要通过实验来评定，如有此情况，应要求业主指定适合的试验方法六ISO15156-2:2009含硫化氢环境中影响碳钢和低合金钢性能的因素1.化学成分、制造方法、成形方式、强度、硬度和局部变化的程度、冷加工量、热处理条件、材料微观结构的均一性、晶粒大小和材料纯净度2.H2S分压或在水中的当量浓度3.水相中氯离子浓度4.水相的PH值5.硫或其他氧化剂的存在6.暴露在非生产流体中（exposuretonon-productionfluids）7.暴露温度和暴露时间8.总的拉伸应力（施加的拉应力和外部应力）SSC选材①按经验选材——附录A2，相对保守笼统的做法选项一：PH2S0.0003MPa（0.05psi）一般无详细考虑，但对高敏感性钢材可能会开裂（应考虑在不正常使用条件或停车时暴露于未缓冲的低PH值凝析水相等）对PH2S≥0.0003MPa（0.05psi）按附录A.2选择，不用进一步SSC试验选项二：按分区选择，在A.2的基础上有例外SSC1区按A.2A.3A.4选择，SSC2区按A.2A.3选择，SSC3按A.2区选择A3A4是针对A2的一些补充，放宽了限制②按试验选材——附录B实验室试验评定，按分区来制定推荐的试验方法，详见B.3试验方法NACETM0177MethodA/C/D(未应用MethodB试验时间至少720h)或EFCPublication16SSC分区划分H2S分压计算PH值确定推荐方法附录A抗SSC使用要求和建议A.2要点:原材料22HRC（按ASTME140：HBW237&HV248)Ni含量小于1%，非易切削钢（加入硫硒等元素增强切削性能）供货状态按其中之一：热轧（仅限于碳钢）；退火；正火；正火加回火；正火、奥氏体化、淬火加回火；奥氏体化、淬火加回火允许例外对A105如硬度不大于187HBW可不受上述供货状态限制A105标准对300#等条件以下的热处理状态不是强制性的对300#以上的要求是正火同上对A234WPB/WPC不大于197HBW除了上述限制是可接受的焊接焊缝硬度控制硬度符合可不要求PWHTSMYS≤360MPa（52ksi）的API5LA\B\X-42~X-65,ASTMA53,A106Gr.A\B\C,A333Gr.1\6,A524Gr.1\2,A381class1,Y35toY65管，如业主同意且使用工况不苛刻可免除硬度测试表面处理金属衬里可用于防SSC，基材热处理状态不能改变金属涂层（电镀或非电镀）、塑料涂层或衬里、转化型涂层均不能用于防止SSC表面纤维伸长率大于5%要求PWHT(同ASME)可用的材料：压力容器板P-No.1\P-No.2(ASMESEC.IX)，但轧板在含有微量（0区）H2S环境可能对HIC/SWC敏感API5LA\B\X-42~X-65,ASTMA53,A106Gr.A\B\C,A333Gr.1\6,A524Gr.1\2,A381class1,Y35toY65紧固件：A193B7M,A320L7M,A1942HM,A1947M(按标准描述为直接或做外部防护后仍暴露于酸性环境的紧固件，但通常有业主对外部法兰也要求用，有争议，建议考虑按暴露于酸性环境选)Boltingthatcanbeexposeddirectlytoasourenvironment,orthatisburied,insulated,equippedwithflangeprotectorsorotherwisedenieddirectatmosphericexposure,shallconformtothegeneralrequirementsofA.2.1.DesignersandusersshouldbeawarethatitcanbenecessarytolowerequipmentpressureratingswhenusingSSC-resistantboltingandfasteners.TheuseofSSC-resistantboltingandfastenerswithAPIflangesshallbeinaccordancewithISO10423.适用的设备对井口设备、压缩机、泵有具体的要求铸铁的使用对铸铁的使用有详述，灰铸铁（ASTMA278Gr.35/40）和球墨铸铁（ASTMA395）可用来制造压缩机气缸、缸套、活塞和阀件附录A.3用于SSC1区的抗SSC钢，允许在A.2基础上有例外，如对管线钢已证明SMYS450MPa（65psi）是可接受的，要求在制造和现场焊缝的硬度不超过280HV附录A.4用于SSC2区的抗SSC钢，允许在A.2，A.3的基础上有例外，如对管线钢已证明SMYS550MPa（80psi）是可接受的，要求在制造和现场焊缝的硬度不超过300HVSOHIC和SZC认为只限于碳钢，当使用环境中有硫或氧存在时，这种机理引起的破坏性增大，在一般项目中很少遇到SOHIC或SZC的评价程序见B.4在SOHIC或SZC评价之前材料应进行了在设计条件下的抗SSC评定并合格附录B.4.2小尺寸试样试验附录B.4.3全管环试验对于SOHIC和SZC的试验方法还没有标准化，可替代上述两种试验方法