酸性环境选材 NACE MR0175学习
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酸性环境选材
ISO 15156-2009 SECOND EDITION (ISO 15156/NACE MR0175) 标准学习
2012年5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
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 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
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
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 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
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）.
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
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）
(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) 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. 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.
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 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
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 contain sufficient H2S to cause cracking of materials by the mechanisms addressed by this part of ISO 15156
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 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制 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
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 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
六 ISO 15156-2:2009
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 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
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 H2S分压或在水中的当量浓度 水相中氯离子浓度 水相的PH值 硫或其他氧化剂的存在 暴露在非生产流体中（exposure to non-production fluids） 暴露温度和暴露时间 总的拉伸应力（施加的拉应力和外部应力）
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
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 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
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）
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~X65,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 层均不能用于防止SSC 表面纤维伸长率大于5%要求PWHT(同ASME)
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。
ISO 15156-2009 SECOND EDITION (ISO 15156/NACE MR0175) 标准学习
2012年5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
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 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
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
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 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
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）.
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
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）
(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) 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. 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.
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 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
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 contain sufficient H2S to cause cracking of materials by the mechanisms addressed by this part of ISO 15156
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 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制 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
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 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
六 ISO 15156-2:2009
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 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
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 H2S分压或在水中的当量浓度 水相中氯离子浓度 水相的PH值 硫或其他氧化剂的存在 暴露在非生产流体中（exposure to non-production fluids） 暴露温度和暴露时间 总的拉伸应力（施加的拉应力和外部应力）
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
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 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
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）
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~X65,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 层均不能用于防止SSC 表面纤维伸长率大于5%要求PWHT(同ASME)
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。