硫化氢环境材质选择Mr0175-ISO15156标准讲解
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进一步SSC试验
➢ 选项二：按分区选择，在A.2的基础上有例外SSC 1区按
A.2 A.3 A.4选择，SSC 2区按A.2 A.3 选择， SSC 3按 A.2区选择
A3 A4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 NACE TM 0177 Method A/C/D(未应用Method B 试验时间至少720h)或EFC Publication 16
▪ SSC选材 ① 按经验选材——附录A2，相对保守笼统的做法
➢ 选项一：
➢ P H2S<0.0003MPa（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P H2S≥0.0003MPa（0.05psi）按附录A.2选择，不用
▪ 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 ISO 15156标准概况及组成
▪ ISO15156-2009（First edition）——原ISO 15156/NACE MR0175-2003 升版
▪ 在原NACE MR0175基础上结合EFC 16/EFC 17形成
contain sufficient H2S to cause cracking of materials by the mechanisms addressed by this part of ISO 15156
四 标准适用范围
▪ 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
▪ 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
▪ SOHIC（stress-oriented hydrogen-induced cracking）应
力导向性氢致开裂
▪ SCC(stress corrosion cracking) 应力腐蚀开裂 ▪ HSC（hydrogen stress cracking）氢应力开裂 ▪ SZC（soft-zone cracking）软区开裂 ▪ SWC（Step-wise cracking)阶梯裂纹 ▪ CRA（ Corrosion-resistant alloy)耐蚀合金 ▪ HRC（Rockwell hardness）洛氏硬度 ▪ HBW (Brinell hardness) 布氏硬度 ▪ HV (Vickers hardness) ▪ HZC（Heat-affected zone) 热影响区 ▪ SOUR SERVICE: exposure to oilfield environments that
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NACE MR 0175”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 ISO 15156-2:2009
65,ASTM A53,A106 Gr.A\B\C,A333 Gr.1\6,A 524 Gr.1\2,A 381 class 1, Y35 to Y65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
标准由以下三部分组成： ➢ Petroleum and natural gas industries—Materials
for use in H2S-containing Environments in oil and gas production— ➢ Part 1:General principles for selection of crackingresistant materials ➢ Part 2:Cracking-resistant carbon and low-alloy steels, and the use of cast irons ➢ Part 3:Cracking-resistant CRAs corrosion resistant alloys) and other alloys
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-resistant bolting and fasteners with API flanges shall be in accordance with ISO 10423.
Corrosion Engineer‘s Reference Book (3rd Edition)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
▪ 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。
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 CRACKING AND CORROSION
▪ 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）.
Gr.1\6,A 524 Gr.1\2,A 381 class 1, Y35 to Y65
➢ 紧固件：A 193 B7M,A320 L7M,A 194 2HM,A 194 7M
(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)
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
ISO 15156-2009 SECOND EDITION (ISO 15156/NACE MR0175)
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NACE MR 0175，尤利格腐蚀手册， NACE
▪ 由硫化氢引起的开裂机理包括：SSC SCC HIC SOHIC
SZC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
NACE MR 0103-2010
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
▪ HIC（hydrogen-induced cracking）氢致开裂 ➢ 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 （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）
允许例外
➢ 对A105 如硬度不大于187 HBW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wenku.baidu.com 性的 对300#以上的要求是正火
➢ 同上对A 234 WPB/WPC不大于197 HBW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API 5L A\B\X-42~X-
▪ 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
三 标准术语
▪ SSC(sulfide stress-cracking) 硫化物应力开裂 ➢ cracking of metal involving anodic processes of localized
corrosion and tensile stress (residual and/or applied) in the presence of water and H2S （在有水和硫化氢存在的情况下，与腐蚀和拉应力有关的一 种金属开裂）
Bolting that can be exposed directly to a sour environment, or that is buried, insulated, equipped with flange protectors or otherwise denied direct atmospheric exposure, shall conform to the general requirements of A.2.1.
▪ 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（exposure to non-production fluids） 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 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ASTM E 140：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
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(ASME SEC.IX) ，但轧板在
含有微量（0区）H2S环境可能对HIC/SWC敏感
➢ API 5L A\B\X-42~X-65,ASTM A53,A106 Gr.A\B\C,A333
➢ 选项二：按分区选择，在A.2的基础上有例外SSC 1区按
A.2 A.3 A.4选择，SSC 2区按A.2 A.3 选择， SSC 3按 A.2区选择
A3 A4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 NACE TM 0177 Method A/C/D(未应用Method B 试验时间至少720h)或EFC Publication 16
▪ SSC选材 ① 按经验选材——附录A2，相对保守笼统的做法
➢ 选项一：
➢ P H2S<0.0003MPa（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P H2S≥0.0003MPa（0.05psi）按附录A.2选择，不用
▪ 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 ISO 15156标准概况及组成
▪ ISO15156-2009（First edition）——原ISO 15156/NACE MR0175-2003 升版
▪ 在原NACE MR0175基础上结合EFC 16/EFC 17形成
contain sufficient H2S to cause cracking of materials by the mechanisms addressed by this part of ISO 15156
四 标准适用范围
▪ 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
▪ 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
▪ SOHIC（stress-oriented hydrogen-induced cracking）应
力导向性氢致开裂
▪ SCC(stress corrosion cracking) 应力腐蚀开裂 ▪ HSC（hydrogen stress cracking）氢应力开裂 ▪ SZC（soft-zone cracking）软区开裂 ▪ SWC（Step-wise cracking)阶梯裂纹 ▪ CRA（ Corrosion-resistant alloy)耐蚀合金 ▪ HRC（Rockwell hardness）洛氏硬度 ▪ HBW (Brinell hardness) 布氏硬度 ▪ HV (Vickers hardness) ▪ HZC（Heat-affected zone) 热影响区 ▪ SOUR SERVICE: exposure to oilfield environments that
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NACE MR 0175”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 ISO 15156-2:2009
65,ASTM A53,A106 Gr.A\B\C,A333 Gr.1\6,A 524 Gr.1\2,A 381 class 1, Y35 to Y65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
标准由以下三部分组成： ➢ Petroleum and natural gas industries—Materials
for use in H2S-containing Environments in oil and gas production— ➢ Part 1:General principles for selection of crackingresistant materials ➢ Part 2:Cracking-resistant carbon and low-alloy steels, and the use of cast irons ➢ Part 3:Cracking-resistant CRAs corrosion resistant alloys) and other alloys
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-resistant bolting and fasteners with API flanges shall be in accordance with ISO 10423.
Corrosion Engineer‘s Reference Book (3rd Edition)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
▪ 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。
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 CRACKING AND CORROSION
▪ 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）.
Gr.1\6,A 524 Gr.1\2,A 381 class 1, Y35 to Y65
➢ 紧固件：A 193 B7M,A320 L7M,A 194 2HM,A 194 7M
(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)
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
ISO 15156-2009 SECOND EDITION (ISO 15156/NACE MR0175)
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NACE MR 0175，尤利格腐蚀手册， NACE
▪ 由硫化氢引起的开裂机理包括：SSC SCC HIC SOHIC
SZC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
NACE MR 0103-2010
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
▪ HIC（hydrogen-induced cracking）氢致开裂 ➢ 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 （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）
允许例外
➢ 对A105 如硬度不大于187 HBW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wenku.baidu.com 性的 对300#以上的要求是正火
➢ 同上对A 234 WPB/WPC不大于197 HBW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API 5L A\B\X-42~X-
▪ 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
三 标准术语
▪ SSC(sulfide stress-cracking) 硫化物应力开裂 ➢ cracking of metal involving anodic processes of localized
corrosion and tensile stress (residual and/or applied) in the presence of water and H2S （在有水和硫化氢存在的情况下，与腐蚀和拉应力有关的一 种金属开裂）
Bolting that can be exposed directly to a sour environment, or that is buried, insulated, equipped with flange protectors or otherwise denied direct atmospheric exposure, shall conform to the general requirements of A.2.1.
▪ 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（exposure to non-production fluids） 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 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ASTM E 140：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
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(ASME SEC.IX) ，但轧板在
含有微量（0区）H2S环境可能对HIC/SWC敏感
➢ API 5L A\B\X-42~X-65,ASTM A53,A106 Gr.A\B\C,A333