石油天然氣工業(yè)油氣開采中用于含硫化氫環(huán)境的材料

第1部分: 抗裂紋材料選擇的一般原則

警告：使用ANSI/NACE MR0175/ISO 15156本部分內容所選擇的碳鋼、低合金鋼以及鑄鐵，所耐受的是石油和天然氣生產(chǎn)中含H2S環(huán)境，但不一定所有服役條件下都能抗腐蝕開裂。設備用戶的職責是選擇適用于服役環(huán)境的碳鋼、低合金鋼以及鑄鐵。

1.范圍

本部分給出了油漆開采及天然氣處理廠含硫化氫環(huán)境中，設備用耐蝕合金（CRA）和其他合金的選擇及評定的要求和推薦方法。這些設備的失效，會給工作人員以及公眾的健康和生命安全或環(huán)境帶來很大的危害。本部分有助于避免設備發(fā)生這種高昂代價的腐蝕損壞。本部分補充而不是代替相關的設計標準和規(guī)范或細則中已有的材料技術要求。

本部分敘述了這些材料由抗硫化物應力開裂（SSC）、應力腐蝕開裂（SCC）和電偶誘發(fā)的氫應力開裂（GHSC）引起的破壞的性能。

本部分只涉及開裂，不涉及均勻腐蝕（質量減少）或局部腐蝕造成的材料損失。

表1列出了適用于本部分的不詳盡的設備清單以及允許的例外設備。

本部分適用于按常規(guī)彈性準則設計和制造設備所用材料的選擇和評定。對于使用塑性準則的設計（例如基于應變和極限狀態(tài)設計），按照本標準第1部分第5章的要求。

本部分不一定適用于煉油或下游的加工設備。

2.規(guī)范性引用文件

略。

3. 術語和定義

依本文需要，采用ANSI/NACE MR0175/ISO 15156-1和ANSI/NACE MR0175/ISO 15156-2以及下面所給出的術語及定義。

3.1 時效（ageing）

在冶金性能方面發(fā)生變化，一般在室溫（自然 時效）下進行得緩慢，而在較高溫度下（人工時效）進行得較快。

3.2 退火（anneal）

將特定材料加熱到適當?shù)臏囟?，并在該溫度下保持一定時間，然后以適當?shù)乃俣壤鋮s。其目的是降低硬度，改善機械加工性能或獲得想要的性能。

3.3 奧氏體（austenite）

鐵基合金的面心立方晶相。

3.4 雙相不銹鋼（duplex stainless steel）

奧氏體-鐵素體不銹鋼。室溫下顯微組織主要由奧氏體和鐵素體混合組成的不銹鋼。

3.5 鐵素體（ferrite）

鐵基合金中的一種體心立方晶體。

3.6 鐵素體不銹鋼（ferritic stainless steel）

在室溫下，顯微組織主要是鐵素體的不銹鋼。

3.7 電偶誘發(fā)的氫應力開裂（galvanically induced hydrogen stress cracking,GHSC）

開裂的形成是由于金屬中存在著由電偶的陰極誘發(fā)的氫和拉伸應力（參與的和外加的）。

3.8 馬氏體（martensite）

碳在鐵中過飽和的硬固溶體，具有針狀的顯微組織特征。

3.9 馬氏體鋼（martensitic steel）

為避免形成其他顯微組織而以快速冷卻速率進行淬火才能獲得的顯微組織為馬氏體的鋼。

3.10 抗點蝕當量數(shù)（pitting-resistance equivalent number，PREN）

FPREN數(shù)值是用來反映和預示耐蝕合金的抗點蝕能力，它是依據(jù)合金化學成分中Cr、Mo、W和N的配比來定。

注：詳見6.3.

3.11 固溶體（solid solution）

含兩種或兩種以上元素的單一結晶相。

3.12 不銹鋼（stainless steel）

含鉻10.5%以上的鋼。可能添加其他元素以保證獲得特殊的性能。

4.符號和縮略語

依本文需要，采用ANSI/NACE MR0175/ISO 15156-1和ANSI/NACE MR0175/ISO 15156-2以及下面所給出的符號和縮略語。

AYS 實際屈服強度

Cl- 氯離子

CRA 耐蝕合金

GHSC 電偶誘發(fā)的氫應力開裂

HBW 布氏硬度

HRB B標尺洛氏硬度

HRC C標尺洛氏硬度

HSC 氫應力開裂

PREN 抗點蝕當量數(shù)

PWHT 焊后熱處理

PCO2CO2分壓

PH2SH2S分壓

RSRT 波動應變速率試驗

S0硫單質

SSRT 慢應變速率試驗

UNS 統(tǒng)一編號系統(tǒng)

5. 含硫化氫環(huán)境中影響耐蝕合金和其他合金抗開裂性能的因素

耐蝕合金和其他合金在含硫化氫環(huán)境中的開裂行為受下列因素相互作用的綜合影響。這些因素包括：

材料的化學成分、強度、熱處理、顯微組織、制造方法和材料的最終狀態(tài)；

硫化氫分壓或其在水相中的當量溶解濃度；

水相的酸度（原位pH）；

氯離子或其他鹵離子濃度；

氧、硫或其他氧化劑的存在；

暴露溫度；

材料在使用環(huán)境中的抗點蝕性能；

電偶的影響；

總拉伸應力（外加應力加殘余應力）；

暴露時間。

當使用本部分來選擇含硫化氫環(huán)境中油漆開采系統(tǒng)的適當材料時，應考慮這些因素。

6. 含硫化氫環(huán)境中耐蝕合金和其他合金抗SSC、SCC和GHSC的評定和選擇。

6.1 總則

應按照預期使用環(huán)境的要求來選擇抗SSC、SCC和GHSC的耐蝕合金和其他合金。

符合本部分要求的耐蝕合金或其他合金在規(guī)定的環(huán)境使用限制內是抗開裂的。這些限制取決于材料類型或具體的單一合金。

為了能評定和（或）選擇耐蝕合金和其他合金，可要求設備購買方向設備供應商提供設備計劃暴露條件的相關資料。

在確定含硫化氫的苛刻程度時，還應考慮在系統(tǒng)運行失常或停工等期間可能發(fā)生的暴露條件。該暴露條件可能包括非緩沖的低pH冷凝水和用于生產(chǎn)并增產(chǎn)的酸液。在有增產(chǎn)酸液情況下，應考慮返排期間出現(xiàn)的環(huán)境條件。

應使用附錄A或按附錄B通過成功的實驗室試驗評定來選擇耐蝕合金和其他合金?；跐M意的現(xiàn)場使用經(jīng)驗的評定也是允許的。該評定應遵循ANSI/NACE MR0175/ISO 15156-1。

在附錄A中，用材料類別來表示材料。用材料類型（在成分的限制范圍內）或單一合金來表示每一類別內的合金。附錄A給出了抗開裂合金允許的冶金狀態(tài)和有關硫化氫分壓、溫度、氯離子濃度和硫單質的環(huán)境限制。

對于在比附錄A給出的環(huán)境限制更苛刻的操作條件下使用的耐蝕合金或其他合金，可通過實驗進行評定。對于在不同于附錄A所給出的冶金狀態(tài)（較高的強度，變換了熱處理等）下使用的耐蝕合金或其他合金，同樣地也可以通過試驗進行評定。

按附錄B進行的評定文件應符合ANSI/NACE MR0175/ISO 15156-1:2009第9章的要求。

設備使用者應對評定（見B.2.2）進行核實并保留材料選擇的支持性文件。

6.2 材料性能的評定

6.2.1 母材的硬度

如果規(guī)定做母材的硬度測試，應做足夠的硬度測試才能確定被測耐蝕合金或其他合金的真實硬度。如果鄰近位置的幾個讀數(shù)的平均值沒有超過本部分規(guī)定的允許值，同時單個讀數(shù)不大于規(guī)定硬度值2個HRC，則單個的HRC讀數(shù)允許大于本部分的規(guī)定。該要求同樣適用于本部分規(guī)定的其他硬度測試方法或制造規(guī)范中參照的其他硬度測試方法。

對取決于材料的其他標尺的硬度讀數(shù)轉換，使用者可以建立所需要的轉換表。

注：ANSI/NACE MR0175/ISO 15156所有部分沒有明確規(guī)定母材硬度測試位置及數(shù)量。

6.2.2 焊縫的抗開裂性能

6.2.2.1 總則

耐蝕合金和其他合金在焊接時發(fā)生的冶金變化會影響它們對SSC、SCC和（或）GHSC的敏感性。焊接接頭可能比其相連的母材具有更大的開裂敏感性。

設備使用者可允許焊件的開裂敏感性控制在生產(chǎn)系統(tǒng)安全使用條件的限制范圍內。

為獲得滿足要求的抗腐蝕性和抗開裂性，宜按照成功地實踐經(jīng)驗來選擇焊接工藝和焊接材料。

焊接應按供應商和購買方都同意的適當規(guī)范和標準進行。焊接工藝規(guī)程（WPS）和焊接工藝評定報告（PQR）應易于設備使用者檢查。

焊接PQR應包括文件形式的證據(jù)，證明至少在和建議使用環(huán)境一樣苛刻的條件中具有令人滿意的抗開裂性能。這些證據(jù)應以下列一條或多條為基礎：

符合附錄A對具體材料類別的要求和建議（6.2.2.2和6.2.2.3）

按照附錄B進行焊縫抗開裂評定試驗；

現(xiàn)場實踐的證明文件，可仿效ANSI/NACE MR0175/ISO 15156-1中對母材的規(guī)定。

附錄A中給出的要求和建議可能不適合設備和部件制造中母材和焊接金屬的所有組合，為確保焊件在應用時具有足夠的抗SSC、SCC和GHSC性能，設備使用者可要求成功地抗開裂試驗的證據(jù)來為焊接工藝評定的一部分。

6.2.2.2 按照附錄A.基于硬度的焊接工藝評定

6.2.2.2.1 總則

如果在附錄A中有規(guī)定，對于酸性環(huán)境的焊接工藝評定應包括按照6.2.2.2.2、6.2.2.2.3和

6.2.2.2.2 焊接工藝評定中的硬度試驗方法

焊接工藝評定中的硬度試驗方法應按ISO 6507-1中的維氏硬度HV10或HV5，或者按照ISO 6508-1中的洛氏硬度HR15N進行。

注： 基于本條款的目的，ASTM E92與ISO 6507-1等價，ASTM E18與ISO 6508-1等價。

使用其他硬度檢測方法應經(jīng)設備使用者的同意。

6.2.2.2.3 焊接工藝評定中的硬度測試

對接焊縫、角焊縫、修補和部分熔透焊縫及覆蓋焊縫的硬度測試應按ANSI/NACE MR0175/ISO 15156-2:2009的7.3.3.3進行。

6.2.2.2.4 焊縫硬度的驗收準則

附錄A中給出的耐蝕合金或其他合金的焊縫硬度驗收準則適用于按附錄A選用的所有合金。

也可通過焊接試樣成功的抗開裂試驗來建立硬度驗收準則，試驗應按照附錄B進行

6.2.2.3 按照附錄A.采用其他試驗方法的焊接工藝評

為確保焊縫具有足夠的抗開裂性能，附錄A的材料類別中提供了采用其他試驗方法的要求和建議。

6.2.3 與其他制造方法相關的抗開裂性能

除焊接外，對于由焊接以外其他制造方法引起冶金變化的耐蝕合金和其他合金，應把受制造影響的材料的抗開裂性能評定試驗規(guī)定為制造工藝評定的一部分。

如果在成品中有任何熱影響區(qū)（HAZ）殘存，應規(guī)定評定試驗作為氣割和（或）切割工藝評定的一部分。

在6.2.2中的要求和驗收準則應適用于制造方法及氣割/切割工藝的評定試驗，并且服從于在6.2.2.2.3中提供的對制造方法及氣割/切割工藝的硬度測試要求的相應說明。

用于評價和試驗的試樣，其形狀和取樣位置應得到設備使用者的同意。

6.3 PREN

PREN（FPREN）應按下列公式計算：

FPREN=Cr+3.3（Mo+0.5W）+16N

式中：

Cr 合金中鉻的質量分數(shù)，用全量組成的百分數(shù)表示；

Mo 合金中鉬的質量分數(shù)，用全量組成的百分數(shù)表示；

W 合金中鎢的質量分數(shù)，用全量組成的百分數(shù)表示；

N 合金中氮的質量分數(shù)，用全量組成的百分數(shù)表示；

注：PREN有若干變量，它的提出完全是為了反映和預測Fe/Ni/Cr/M耐蝕合金在溶解有氯化物和氧的環(huán)境下（如在海水中）的抗點蝕性能。該數(shù)值雖然有用，但不能直接表示出在含硫化氫油田環(huán)境中的抗腐蝕性能。

7. 購買信息和標記

7.1 購買材料應提供的信息

7.1.1 指定購買材料的技術規(guī)格書時可能需要設備使用者、設備供應商和材料供應商之間進行合作和資料交流，以確保購買的材料符合ANSI/NACE MR0175/ISO 15156-1和本部分的要求。

7.1.2 應提供下列信息：

首選的材料類型和（或）級別（如果已知）；

設備烈性(如果已知)；

參考本部分的條款；

選擇抗開裂材料的驗收依據(jù)（見第6章）。

7.1.3 設備使用者和設備供應商或材料供應商可以商定，采用適當?shù)脑u定試驗來選擇未在附錄A中說明和（或）列出的耐蝕合金和其他合金。

如果購買方打算使用這些協(xié)議，在購買材料的技術規(guī)格書應清楚地說明與擴充范圍和評定方法相關的附加信息。這些信息包括：

SSC、SCC和（或）GHSC試驗的要求（見第6章和附錄B）

特定酸性環(huán)境使用的工作條件。

7.1.4 購買材料所需的信息應填入適當?shù)臄?shù)據(jù)表中。推薦的格式參見附錄C。

7.2 標記

符合本部分的材料應具有可追溯性，最好在交貨前作標記。適當?shù)臉撕灮蛭淖仲Y料也是可以接受的方式。

對按照附錄B評定合格和選擇的特定應用的材料，其可追溯性還應包括特定應用的相關環(huán)境條件。

設備使用者可以要求設備或材料供應商提供文件，文件包括設備或部件使用的材料以及本部分規(guī)定的對材料使用環(huán)境的限制。

附錄C中的表格提供了可用于材料識別的標識。

（上海墨鉅特殊鋼）整理
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