硫化氫環(huán)境材質(zhì)選擇標準講解

硫化氫環(huán)境材質(zhì)選擇標準講解第一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日一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(zhì)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(chǎn)生化學或電化學反應，引起質(zhì)量損失，可以通過增加腐蝕裕量來解決第二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日第三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日鋼暴露于濕H2S環(huán)境開裂現(xiàn)象

（摘自尤利格腐蝕手冊）第四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日在酸性環(huán)境服役的焊接件同時出現(xiàn)的幾種氫損傷第五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日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(shù)周之內(nèi)，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(nèi)部壓力增加，從而導致裂紋萌生和擴展第六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日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(chǎn)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

第七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日二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第八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日三標準術語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）第九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日SOHIC（stress-orientedhydrogen-inducedcracking）應力導向性氫致開裂SCC(stresscorrosioncracking)應力腐蝕開裂HSC（hydrogenstresscracking）氫應力開裂SZC（soft-zonecracking）軟區(qū)開裂SWC（Step-wisecracking)階梯裂紋CRA（

Corrosion-resistantalloy)耐蝕合金HRC（Rockwellhardness）洛氏硬度HBW(Brinellhardness)布氏硬度HV(Vickershardness)HZC（Heat-affectedzone)熱影響區(qū)SOURSERVICE:exposuretooilfieldenvironmentsthatcontainsufficientH2StocausecrackingofmaterialsbythemechanismsaddressedbythispartofISO15156第十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日石油天然氣生產(chǎn)以及脫硫裝置中處于硫化氫環(huán)境中設備的金屬材料評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理包括：SSCSCCHICSOHICSZC等適用于按常規(guī)彈性準則設計和制造的設備選材，對于按塑性設計（比如基于應變和極限狀態(tài)設計）的情況不適合不適用于煉油或下游的加工設備，如考慮需要看到標準NACEMR0103-2010四標準適用范圍第十一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日第十二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日第十三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日五標準使用注意點標準是石油天然氣生產(chǎn)以及脫硫裝置中處于H2S環(huán)境中設備金屬材料的評定和選擇的一般原則、要求及推薦做法選擇預期合適的使用環(huán)境是設備使用者的責任，即業(yè)主應首先評估材料所接觸的環(huán)境，指定需要預防的種類，如抗HIC\SSC\SOHIC等，設備制造者根據(jù)其指定的種類做出響應，按標準要求建造設備對于業(yè)主通常提出的“設備需滿足NACEMR0175”要求，要向業(yè)主明確具體需要滿足那種防護，如業(yè)主也不清楚則需要我們根據(jù)經(jīng)驗和物料組分來判斷是一經(jīng)驗標準，因此本標準對選材分為兩類：①有成功使用經(jīng)驗的材料，在產(chǎn)品制造過程中采取一些措施即可滿足要求②無成功使用經(jīng)驗的材料，需要通過實驗來評定，如有此情況，應要求業(yè)主指定適合的試驗方法第十四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日六ISO15156-2:2009含硫化氫環(huán)境中影響碳鋼和低合金鋼性能的因素化學成分、制造方法、成形方式、強度、硬度和局部變化的程度、冷加工量、熱處理條件、材料微觀結構的均一性、晶粒大小和材料純凈度H2S分壓或在水中的當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（exposuretonon-productionfluids）暴露溫度和暴露時間總的拉伸應力（施加的拉應力和外部應力）第十五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日SSC選材按經(jīng)驗選材——附錄A2，相對保守籠統(tǒng)的做法選項一：PH2S<0.0003MPa（0.05psi）一般無詳細考慮，但對高敏感性鋼材可能會開裂（應考慮在不正常使用條件或停車時暴露于未緩沖的低PH值凝析水相等）對PH2S≥0.0003MPa（0.05psi）按附錄A.2選擇，不用進一步SSC試驗選項二：按分區(qū)選擇，在A.2的基礎上有例外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，放寬了限制按試驗選材——附錄B實驗室試驗評定，按分區(qū)來制定推薦的試驗方法，詳見B.3試驗方法NACETM0177MethodA/C/D(未應用Method

B試驗時間至少720h)或EFCPublication16

第十六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日SSC分區(qū)劃分第十七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日H2S分壓計算氣相系統(tǒng)不含氣的液體系統(tǒng)第十八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日第十九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日PH值確定推薦方法第二十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日附錄A抗SSC使用要求和建議

A.2要點:原材料22HRC（按ASTME140：HBW237&HV248)Ni含量小于1%，非易切削鋼（加入硫硒等元素增強切削性能）

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A105如硬度不大于187HBW可不受上述供貨狀態(tài)限制A105標準對300#等條件以下的熱處理狀態(tài)不是強制性的對300#以上的要求是正火同上對A234WPB/WPC不大于197HBW除了上述限制是可接受的第二十一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日焊接焊縫硬度控制硬度符合可不要求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)主同意且使用工況不苛刻可免除硬度測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表面纖維伸長率大于5%要求PWHT(同ASME)第二十二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日可用的材料：

壓力容器板P-No.1\P-No.2(ASMESEC.IX)，但軋板在含有微量（0區(qū)）H2S環(huán)境可能對HIC/SWC敏感API5LA\B\X-42~X-65,ASTMA53,A106Gr.A\B\C,A333Gr.1\6,A524Gr.1\2,A381class1,Y35toY65緊固件：A193B7M,A320L7M,A1942HM,A1947M

(按標準描述為直接或做外部防護后仍暴露于酸性環(huán)境的緊固件，但通常有業(yè)主對外部法蘭也要求用，有爭議，建議考慮按暴露于酸性環(huán)境選)Boltingthatcanbeexposeddirectlytoasourenvironment,orthatisburied,insulated,equippedwithflangeprotectorsorotherwisedenieddirectatmosphericexposure,shallconformtothegeneralrequirementsofA.2.1.DesignersandusersshouldbeawarethatitcanbenecessarytolowerequipmentpressureratingswhenusingSSC-resistantboltingandfasteners.TheuseofSSC-resistantboltingandfastenerswithAPIflangesshallbeinaccordancewithISO10423.第二十三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日適用的設備對井口設備、壓縮機、泵有具體的要求鑄鐵的使用對鑄鐵的使用有詳述，灰鑄鐵（ASTMA278Gr.35/40）和球墨鑄鐵（ASTMA395）可用來制造壓縮機氣缸、缸套、活塞和閥件附錄A.3用于SSC1區(qū)的抗SSC鋼，允許在A.2基礎上有例外，如對管線鋼已證明SMYS

450MPa（65psi）是可接受的，要求在制造和現(xiàn)場焊縫的硬度不超過280HV附錄A.4用于SSC2區(qū)的抗SSC鋼，允許在A.2，A.3的基礎上有例外，如對管線鋼已證明SMYS

550MPa（80psi）是可接受的，要求在制造和現(xiàn)場焊縫的硬度不超過300HV第二十四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日SOHIC和SZC認為只限于碳鋼，當使用環(huán)境中有硫或氧存在時，這種機理引起的破壞性增大，在一般項目中很少遇到SOHIC或SZC的評價程序見B.4在SOHIC或SZC評價之前材料應進行了在設計條件下的抗SSC評定并合格附錄B.4.2小尺寸試樣試驗附錄B.4.3全管環(huán)試驗對于SOHIC和SZC的試驗方法還沒有標準化，可替代上述兩種試驗方法的方法尚在研究中第二十五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日抗HIC和SWC要求按照試驗選材，試驗程序見附錄B.5適用于任何酸性環(huán)境NACETM0284EnvironmentA100kpaH2S分壓：CLR≤15%CTR≤5%CSR≤2%特定的或不太苛刻的環(huán)境按照5%massfractionNaCl+0,4%massfractionCH3COONa,pHadjustedtorequiredvalueusingHClorNaOH，H2S按預期的應用環(huán)境，無裂紋為合格測試時間均為96小時經(jīng)驗：HIC和SWC的發(fā)生受化學成分和生產(chǎn)流程的影響，硫含量尤為重要，通常軋制和無縫產(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HIC和SWC的影響；實踐證明在無縫鋼管和非軋制產(chǎn)品中對HIC和SWC敏感性低得多第二十六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日第二十七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日七ISO15156-3:2009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成分、強度、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)境中的抗點蝕能力電偶的影響總的拉伸應力（施加的拉應力和外部應力）第二十八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日GHSC:galvanicallyinducedhydrogenstresscrackingcrackingthatresultsduetothepresenceofhydrogeninametal,inducedinthecathodeofagalvaniccouple（電偶的陰極）,andtensilestress(residualand/orapplied)PREN:pitting-resistanceequivalentnumberPREN=wCr+3,3(wMo+0,5wW)+16wN

注：該值是由合金的各元素質(zhì)量分數(shù)計算出來，反應和預計鐵鉻鎳鉬耐蝕合金在溶解有氯化物和氧的環(huán)境中的抗點蝕能力，該值和抗局部腐蝕能力成正比

NACE標準指出：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PREN:S30408—18S31603—24雙相鋼S22053—35S25073—40AYS:actualyieldstrengthDuplexstainlesssteel:此標準中指奧氏體/鐵素體雙相鋼第二十九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日附錄A依據(jù)成功的使用經(jīng)驗，不用試驗該附錄為ISO15156-3:2009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，選材時可對照查詢，如滿足表中限定條件即可認為是符合標準，可以抗開裂，不用再進行抗SSCSCC和GHSC開裂試驗表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、井口設備、管件等均不同)可對應找出使用限制表材料使用表中列出了溫度、硫化氫分壓、氯離子、PH值和硫的應用限制，這些限制都共同應用，表中所用的PH值相當于最小原位PH值材料選擇表都是在假設無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第三十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日第三十一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日第三十二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日J883項目B24-U-0152D/E/F單元組分中含有水及H2SCO2，屬于典型的酸性環(huán)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4.15結合查表得其介于3區(qū)，針對SSC需要滿足附錄A.2要求對板材進行HICTESTING，免除SSCTESTING，接管及鍛件限制化學成分，免除HIC/SSCTESTING，設備整體做焊后熱處理，控制硬度22HRC

八案例第三十三頁，共四十四頁，編輯于2023年