硫化氫環(huán)境材質選擇MrISO標準講解

油田設備用抗硫化物應力腐蝕斷裂和應力腐蝕裂紋的金屬材料選擇ISO15156-2009SECONDEDITION(ISO15156/NACEMR0175)標準講解2015年3月說明涂藍色為個人不太確定或理解的內容涂綠色為關鍵點素材摘自NACEMR0175，尤利格腐蝕手冊，NACECorrosionEngineer‘sReferenceBook(3rdEdition)等對于規(guī)范中涉及到油氣井、鉆井、完井、井口、采油樹、礦場設備和礦場處理裝置的內容做了刪減對有些內容僅羅列了關鍵的點，在設計以及標準使用過程中仍需要參閱標準對于有些項目業(yè)主會提出不同于該標準的要求，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，其內容可能會存在些許差異，但其原則都是一樣的一CRACKINGANDCORROSIONCRACKING：開裂，只要有裂紋源，裂紋會擴展，擴展速率有時會很快，不能通過增加腐蝕裕量來解決消除，在含硫化氫的酸性環(huán)境中，通常開裂起著主導因素。該環(huán)境中H2S對腐蝕起著主導作用，水是引起腐蝕的必要條件，CO2存在會促進腐蝕，究其本質也是應力腐蝕，即使在無外加應力情況下也是因氫壓引起，詳見對HB的分析,見下圖（f）.CORROSION:腐蝕，通常所說的腐蝕更傾向于全面腐蝕、點蝕等，會產生化學或電化學反應，引起質量損失，可以通過增加腐蝕裕量來解決鋼暴露于濕H2S環(huán)境開裂現象

（摘自尤利格腐蝕手冊）在酸性環(huán)境服役的焊接件同時出現的幾種氫損傷HB：開始形成的氫原子在鋼中擴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，由個體缺陷連接引起的損傷能導致沿壁厚方向的迅速穿透。有文獻報道在沙特的酸性氣體管線中，失效發(fā)生于啟用的數周之內，影響長度約10km。無需外部應力即可發(fā)生。

HIC發(fā)生三個步驟：

氫原子在鋼表面的形成和從表面的進入

氫原子在鋼基體中的擴散

氫原子在陷阱處的富集，內部壓力增加，從而導致裂紋萌生和擴展SSC:在有水和H2S存在的情況下，與腐蝕和拉應力（外應力或殘余應力）有關的一種金屬開裂，與金屬表面、拉應力方向垂直。是氫應力開裂（HSC)的一種,它與在金屬表面的因酸性腐蝕所產生的原子氫引起的金屬脆性有關。在硫化物存在時，會促進氫的吸收。原子氫能擴散進金屬，降低金屬的韌性，增加裂紋敏感性，高強度金屬和較硬的焊縫區(qū)更易發(fā)生。SOHIC:大約與主應力（殘余的或外加的)方向垂直的一些交錯小裂紋，導致了像梯子一樣的，將已有的HIC裂紋連接起來

二ISO15156標準概況及組成ISO15156-2009（Firstedition）——原ISO15156/NACEMR0175-2003升版在原NACEMR0175基礎上結合EFC16/EFC17形成標準由以下三部分組成：Petroleumandnaturalgasindustries—MaterialsforuseinH2S-containingEnvironmentsinoilandgasproduction—Part1:Generalprinciplesforselectionofcracking-resistantmaterialsPart2:Cracking-resistantcarbonandlow-alloysteels,andtheuseofcastironsPart3:Cracking-resistantCRAscorrosionresistantalloys)andotheralloys三標準術語SSC(sulfidestress-cracking)硫化物應力開裂crackingofmetalinvolvinganodicprocessesoflocalizedcorrosionandtensilestress(residualand/orapplied)inthepresenceofwaterandH2S（在有水和硫化氫存在的情況下，與腐蝕和拉應力有關的一種金屬開裂）HIC（hydrogen-inducedcracking）氫致開裂planarcrackingthatoccursincarbonandlowalloysteelswhenatomichydrogendiffusesintothesteelandthencombinestoformmolecularhydrogenattrapsites（為氫原子擴散進鋼鐵中并在陷阱處結合而成氫分子時所引起的在碳鋼和低合金鋼中的平面裂紋）SOHIC（stress-orientedhydrogen-inducedcracking）應力導向向性氫致開開裂SCC(stresscorrosioncracking)應力腐蝕開開裂HSC（hydrogenstresscracking）氫應力開開裂SZC（soft-zonecracking）軟區(qū)開裂裂SWC（Step-wisecracking)階梯裂紋CRA（Corrosion-resistantalloy)耐蝕合金HRC（Rockwellhardness）洛氏硬度度HBW(Brinellhardness)布氏硬度HV(Vickershardness)HZC（Heat-affectedzone)熱影響區(qū)SOURSERVICE:exposuretooilfieldenvironmentsthatcontainsufficientH2StocausecrackingofmaterialsbythemechanismsaddressedbythispartofISO15156石油天然氣氣生產以及及脫硫裝置置中處于硫硫化氫環(huán)境境中設備的的金屬材料料評定和選選擇的一般般原則、要要求和推薦薦方法由硫化氫引引起的開裂裂機理包括括：SSCSCCHICSOHICSZC等適用于按常常規(guī)彈性準準則設計和和制造的設設備選材，，對于按塑塑性設計（（比如基于于應變和極極限狀態(tài)設設計）的情情況不適合合不適用于煉煉油或下游游的加工設設備，如考考慮需要看看到標準NACEMR0103-2010四標準適適用范圍五標準使使用注意點點標準是石油油天然氣生生產以及脫脫硫裝置中中處于H2S環(huán)境中設備備金屬材料料的評定和和選擇的一一般原則、、要求及推推薦做法選擇預期合合適的使用用環(huán)境是設備使用者者的責任，即即業(yè)主應首首先評估材材料所接觸觸的環(huán)境，，指定需要要預防的種種類，如抗抗HIC\SSC\SOHIC等，設備制制造者根據據其指定的的種類做出出響應，按按標準要求求建造設備備對于業(yè)主通通常提出的的“設備需需滿足NACEMR0175””要求，要向向業(yè)主明確確具體需要要滿足那種種防護，如如業(yè)主也不不清楚則需需要我們根根據經驗和和物料組分分來判斷是一經驗標標準，因此此本標準對對選材分為為兩類：①有成功使使用經驗的的材料，在在產品制造造過程中采采取一些措措施即可滿滿足要求②無成功使使用經驗的的材料，需需要通過實實驗來評定定，如有此此情況，應應要求業(yè)主主指定適合合的試驗方方法六ISO15156-2:2009含硫化氫環(huán)環(huán)境中影響響碳鋼和低低合金鋼性性能的因素素化學成分、、制造方法法、成形方方式、強度度、硬度和和局部變化化的程度、、冷加工量量、熱處理理條件、材材料微觀結結構的均一一性、晶粒粒大小和材材料純凈度度H2S分壓或在水水中的當量量濃度水相中氯離離子濃度水相的PH值硫或其他氧氧化劑的存存在暴露在非生生產流體中中（exposuretonon-productionfluids）暴露溫度和和暴露時間間總的拉伸應應力（施加加的拉應力力和外部應應力）SSC選材按經驗選材材——附錄A2，相對保守守籠統的做做法選項一：PH2S<0.0003MPa（0.05psi）一般無詳細考慮慮，但對高高敏感性鋼鋼材可能會會開裂（應應考慮在不不正常使用用條件或停停車時暴露露于未緩沖沖的低PH值凝析水相相等）對PH2S≥0.0003MPa（0.05psi）按附錄A.2選擇，不用用進一步SSC試驗選項二：按按分區(qū)選擇擇，在A.2的基礎上有有例外SSC1區(qū)按A.2A.3A.4選擇，SSC2區(qū)按A.2A.3選擇，SSC3按A.2區(qū)選擇A3A4是針對A2的一些補充充，放寬了了限制按試驗選材材——附錄B實驗室試驗驗評定，按按分區(qū)來制制定推薦的的試驗方法法，詳見B.3試驗方法NACETM0177MethodA/C/D(未應用MethodB試驗時間至至少720h)或EFCPublication16SSC分區(qū)劃分H2S分壓計算氣相系統不含氣的液液體系統PH值確定推薦薦方法附錄A抗SSC使用要求和和建議A.2要點:原材料22HRC（按ASTME140：HBW237&HV248)Ni含量小于1%，非易切削削鋼（加入入硫硒等元元素增強切切削性能））供貨狀態(tài)按按其中之一一：熱軋（（僅限于碳碳鋼）；退退火；正火火；正火加加回火；正正火、奧氏氏體化、淬淬火加回火火；奧氏體體化、淬火火加回火允許例外對A105如硬度不大大于187HBW可不受上述述供貨狀態(tài)態(tài)限制A105標準對300#等條件以下下的熱處理理狀態(tài)不是是強制性的的對300#以上的要求求是正火同上對A234WPB/WPC不大于197HBW除了上述限限制是可接接受的焊接焊縫硬度控控制硬度符合可可不要求PWHTSMYS≤360MPa（52ksi）的API5LA\B\X-42~X-65,ASTMA53,A106Gr.A\B\C,A333Gr.1\6,A524Gr.1\2,A381class1,Y35toY65管，如業(yè)主主同意且使使用工況不不苛刻可免免除硬度測測試表面處理金屬襯里可可用于防SSC，基材熱處處理狀態(tài)不不能改變金屬涂層（（電鍍或非非電鍍）、、塑料涂層層或襯里、、轉化型涂涂層均不能能用于防止止SSC表面纖維伸伸長率大于于5%要求PWHT(同ASME)可用的材料料：壓力容器板板P-No.1\P-No.2(ASMESEC.IX)，但軋板在在含有微量量（0區(qū)）H2S環(huán)境可能對對HIC/SWC敏感感API5LA\B\X-42~X-65,ASTMA53,A106Gr.A\B\C,A333Gr.1\6,A524Gr.1\2,A381class1,Y35toY65緊固固件件：：A193B7M,A320L7M,A1942HM,A1947M(按標標準準描描述述為為直直接接或或做做外外部部防防護護后后仍仍暴暴露露于于酸酸性性環(huán)環(huán)境境的的緊緊固固件件，，但但通通常常有有業(yè)業(yè)主主對對外外部部法法蘭蘭也也要要求求用用，，有有爭爭議議，，建建議議考考慮慮按按暴暴露露于于酸酸性性環(huán)環(huán)境境選選)Boltingthatcanbeexposeddirectlytoasourenvironment,orthatisburied,insulated,equippedwithflangeprotectorsorotherwisedenieddirectatmosphericexposure,shallconformtothegeneralrequirementsofA.2.1.DesignersandusersshouldbeawarethatitcanbenecessarytolowerequipmentpressureratingswhenusingSSC-resistantboltingandfasteners.TheuseofSSC-resistantboltingandfastenerswithAPIflangesshallbeinaccordancewithISO10423.適用用的的設設備備對井井口口設設備備、、壓壓縮縮機機、、泵泵有有具具體體的的要要求求鑄鐵鐵的的使使用用對鑄鑄鐵鐵的的使使用用有有詳詳述述，，灰灰鑄鑄鐵鐵（（ASTMA278Gr.35/40）和和球球墨墨鑄鑄鐵鐵（（ASTMA395）可可用用來來制制造造壓壓縮縮機機氣氣缸缸、、缸缸套套、、活活塞塞和和閥閥件件附錄錄A.3用于于SSC1區(qū)的的抗抗SSC鋼，，允允許許在在A.2基礎礎上上有有例例外外，，如如對對管管線線鋼鋼已已證證明明SMYS450MPa（65psi）是是可可接接受受的的，，要要求求在在制制造造和和現現場場焊焊縫縫的的硬硬度度不不超超過過280HV附錄錄A.4用于于SSC2區(qū)的的抗抗SSC鋼，，允允許許在在A.2，A.3的基基礎礎上上有有例例外外，，如如對對管管線線鋼鋼已已證證明明SMYS550MPa（80psi）是是可可接接受受的的，，要要求求在在制制造造和和現現場場焊焊縫縫的的硬硬度度不不超超過過300HVSOHIC和SZC認為為只只限限于于碳碳鋼鋼，，當當使使用用環(huán)環(huán)境境中中有有硫硫或或氧氧存存在在時時，，這這種種機機理理引引起起的的破破壞壞性性增增大大，，在在一一般般項項目目中中很很少少遇遇到到SOHIC或SZC的評評價價程程序序見見B.4在SOHIC或SZC評價價之之前前材材料料應應進進行行了了在在設設計計條條件件下下的的抗抗SSC評定定并并合合格格附錄錄B.4.2小尺尺寸寸試試樣樣試試驗驗附錄錄B.4.3全管管環(huán)環(huán)試試驗驗對于于SOHIC和SZC的試試驗驗方方法法還還沒沒有有標標準準化化，，可可替替代代上上述述兩兩種種試試驗驗方方法法的的方方法法尚尚在在研研究究中中抗HIC和SWC要求求按照照試試驗驗選選材材，，試試驗驗程程序序見見附附錄錄B.5適用用于于任任何何酸酸性性環(huán)環(huán)境境NACETM0284EnvironmentA100kpaH2S分壓壓：：CLR≤15%CTR≤5%CSR≤2%特定定的的或或不不太太苛苛刻刻的的環(huán)環(huán)境境按按照照5%massfractionNaCl+0,4%massfractionCH3COONa,pHadjustedtorequiredvalueusingHClorNaOH，H2S按預預期期的的應應用用環(huán)環(huán)境境，，無無裂裂紋紋為為合合格格測試試時時間間均均為為96小時時經驗驗：：HIC和SWC的發(fā)發(fā)生生受受化化學學成成分分和和生生產產流流程程的的影影響響，，硫硫含含量量尤尤為為重重要要，，通通常常軋軋制制和和無無縫縫產產品品可可接接受受的的最最大大硫硫含含量量分分別別為為0.003%和0.01%,鍛件件可可接接受受的的最最大大硫硫含含量量為為0.025%,一般般不不考考慮慮鑄鑄件件對對HIC和SWC的影影響響；；實實踐踐證證明明在在無無縫縫鋼鋼管管和和非非軋軋制制產產品品中中對對HIC和SWC敏感感性性低低得得多多七ISO15156-3:2009含硫硫化化氫氫環(huán)環(huán)境境中中影影響響耐耐蝕蝕合合金金和和其其他他合合金金性性能能的的因因素素化學學成成分分、、強強度度、、熱熱處處理理、、顯顯微微組組織織、、制制造造方方法法和和最最終終狀狀態(tài)態(tài)H2S分壓或在在水中的的當量溶溶解濃度度水相的酸酸度（原原位PH）氯或其他他鹵離子子的濃度度硫或其他他氧化劑劑的存在在暴露溫度度材料在使使用環(huán)境境中的抗抗點蝕能能力電偶的影影響總的拉伸伸應力（（施加的的拉應力力和外部部應力））GHSC:galvanicallyinducedhydrogenstresscrackingcrackingthatresultsduetothepresenceofhydrogeninametal,inducedinthecathodeofagalvaniccouple（電偶的的陰極））,andtensilestress(residualand/orapplied)PREN:pitting-resistanceequivalentnumberPREN=wCr+3,3(wMo+0,5wW)+16wN注：該值值是由合合金的各各元素質質量分數數計算出出來，反反應和預預計鐵鉻鉻鎳鉬耐耐蝕合金金在溶解解有氯化化物和氧氧的環(huán)境境中的抗抗點蝕能能力，該該值和抗抗局部腐腐蝕能力力成正比比NACE標準指出出：該數數值雖有有用，但但不能直直接表示示出含硫硫化氫油油田環(huán)境境中的抗抗腐蝕作作用常見不銹銹鋼PREN:S30408——18S31603—24雙相鋼S22053——35S25073—40AYS:actualyieldstrengthDuplexstainlesssteel:此標準中中指奧氏氏體/鐵素體雙雙相鋼附錄A依據成功功的使用用經驗，，不用試試驗該附錄為為ISO15156-3:2009的最重要要組成部部分，現現階段通通常用到到的材料料基本上上都在該該附錄里里，選材材時可對對照查詢詢，如滿滿足表中中限定條條件即可可認為是是符合標標準，可可以抗開開裂，不不用再進進行抗SSCSCC和GHSC開裂試驗驗表A.1為按材料料類別所所列的索索引，按按材料種種類及用用途(如用于鑄鑄件、管管件、井井口設備備、管件件等均不不同)可對應找找出使用用限制表表材料使用用表中列列出了溫溫度、硫硫化氫分分壓、氯氯離子、、PH值和硫的的應用限限制，這這些限制制都共同同應用，，表中所所用的PH值相當于于最小原原位PH值材料選擇擇表都是是在假設設無氧存存在的條條件下制制定的包含了銅銅和鋁合合金的使使用信息息包含了鍍鍍層、覆覆蓋層和和耐磨合合金的使使用建議議J883項目B24-U-0152D/E/F單元組分中含含有水及及H2SCO2，屬于典典型的酸酸性環(huán)境境H2S0.27%則H2S分壓0.27%*375=1.01PsiCO21.38%則CO2分壓1.38%*375=5.175PsiP(H2S+CO2)=6.185Psi~42.6441kpaPH查表約為為4.15結合查表表得其介介于3區(qū)，針對對SSC需要滿足足附錄A.2要求對板材進進行HICTESTING，免除SSCTESTING，接管及及鍛件限限制化學學成分，，免除HIC/SSCTESTING，設備整整體做焊焊后熱處處理，控控制硬度度22HRC八案例例