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(nèi)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(shè)備用戶的職責(zé)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(shè)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(shè)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(shè)備發(fā)生這種高昂代價的腐蝕損壞。本部分補(bǔ)充而不是代替相關(guān)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范或細(xì)則中已有的材料技術(shù)要求,。

本部分?jǐn)⑹隽诉@些材料由抗硫化物應(yīng)力開裂（SSC）,、應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）和電偶誘發(fā)的氫應(yīng)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(zhì)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(shè)備清單以及允許的例外設(shè)備。

本部分適用于按常規(guī)彈性準(zhǔn)則設(shè)計(jì)和制造設(shè)備所用材料的選擇和評定,。對于使用塑性準(zhǔn)則的設(shè)計(jì)（例如基于應(yīng)變和極限狀態(tài)設(shè)計(jì)）,，按照本標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備。

2.規(guī)范性引用文件

略,。

3. 術(shù)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(shù)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(jìn)行得緩慢,，而在較高溫度下（人工時效）進(jìn)行得較快。

3.2 退火（anneal）

將特定材料加熱到適當(dāng)?shù)臏囟?，并在該溫度下保持一定時間，然后以適當(dāng)?shù)乃俣壤鋮s,。其目的是降低硬度,，改善機(jī)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(yīng)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(yīng)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(jìn)行淬火才能獲得的顯微組織為馬氏體的鋼,。

3.10 抗點(diǎn)蝕當(dāng)量數(shù)（pitting-resistance equivalent number,，PREN）

FPREN數(shù)值是用來反映和預(yù)示耐蝕合金的抗點(diǎn)蝕能力，它是依據(jù)合金化學(xué)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(jié)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(shí)際屈服強(qiáng)度

Cl- 氯離子

CRA 耐蝕合金

GHSC 電偶誘發(fā)的氫應(yīng)力開裂

HBW 布氏硬度

HRB B標(biāo)尺洛氏硬度

HRC C標(biāo)尺洛氏硬度

HSC 氫應(yīng)力開裂

PREN 抗點(diǎn)蝕當(dāng)量數(shù)

PWHT 焊后熱處理

PCO2CO2分壓

PH2SH2S分壓

RSRT 波動應(yīng)變速率試驗(yàn)

S0硫單質(zhì)

SSRT 慢應(yīng)變速率試驗(yàn)

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(xué)成分,、強(qiáng)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(dāng)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(diǎn)蝕性能；

電偶的影響,；

總拉伸應(yīng)力（外加應(yīng)力加殘余應(yīng)力）,；

暴露時間。

當(dāng)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(dāng)材料時,，應(yīng)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(yīng)按照預(yù)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(nèi)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(shè)備購買方向設(shè)備供應(yīng)商提供設(shè)備計(jì)劃暴露條件的相關(guān)資料,。

在確定含硫化氫的苛刻程度時,，還應(yīng)考慮在系統(tǒng)運(yùn)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(yīng)考慮返排期間出現(xiàn)的環(huán)境條件,。

應(yīng)使用附錄A或按附錄B通過成功的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)評定來選擇耐蝕合金和其他合金,。基于滿意的現(xiàn)場使用經(jīng)驗(yàn)的評定也是允許的,。該評定應(yīng)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(nèi)）或單一合金來表示每一類別內(nèi)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(guān)硫化氫分壓、溫度,、氯離子濃度和硫單質(zhì)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(shí)驗(yàn)進(jìn)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(qiáng)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(yàn)進(jìn)行評定。

按附錄B進(jìn)行的評定文件應(yīng)符合ANSI/NACE MR0175/ISO 15156-1:2009第9章的要求,。

設(shè)備使用者應(yīng)對評定（見B.2.2）進(jìn)行核實(shí)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(yīng)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(shí)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(biāo)尺的硬度讀數(shù)轉(zhuǎn)換，使用者可以建立所需要的轉(zhuǎn)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(shè)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(nèi),。

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

焊接應(yīng)按供應(yīng)商和購買方都同意的適當(dāng)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,。焊接工藝規(guī)程（WPS）和焊接工藝評定報告（PQR）應(yīng)易于設(shè)備使用者檢查,。

焊接PQR應(yīng)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(yīng)以下列一條或多條為基礎(chǔ)：

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(jìn)行焊縫抗開裂評定試驗(yàn),；

現(xiàn)場實(shí)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(shè)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(yīng)用時具有足夠的抗SSC、SCC和GHSC性能,，設(shè)備使用者可要求成功地抗開裂試驗(yàn)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(yīng)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(yàn)方法

焊接工藝評定中的硬度試驗(yàn)方法應(yīng)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(jìn)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(yīng)經(jīng)設(shè)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(bǔ)和部分熔透焊縫及覆蓋焊縫的硬度測試應(yīng)按ANSI/NACE MR0175/ISO 15156-2:2009的7.3.3.3進(jìn)行。

6.2.2.2.4 焊縫硬度的驗(yàn)收準(zhǔn)則

附錄A中給出的耐蝕合金或其他合金的焊縫硬度驗(yàn)收準(zhǔn)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(yàn)來建立硬度驗(yàn)收準(zhǔn)則,，試驗(yàn)應(yīng)按照附錄B進(jìn)行

6.2.2.3 按照附錄A.采用其他試驗(yàn)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(yàn)方法的要求和建議,。

6.2.3 與其他制造方法相關(guān)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(yīng)把受制造影響的材料的抗開裂性能評定試驗(yàn)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(yīng)規(guī)定評定試驗(yàn)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(yàn)收準(zhǔn)則應(yīng)適用于制造方法及氣割/切割工藝的評定試驗(yàn),，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(yīng)說明,。

用于評價和試驗(yàn)的試樣，其形狀和取樣位置應(yīng)得到設(shè)備使用者的同意,。

6.3 PREN

PREN（FPREN）應(yīng)按下列公式計(jì)算：

FPREN=Cr+3.3（Mo+0.5W）+16N

式中：

Cr 合金中鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù),，用全量組成的百分?jǐn)?shù)表示；

Mo 合金中鉬的質(zhì)量分?jǐn)?shù),，用全量組成的百分?jǐn)?shù)表示,；

W 合金中鎢的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，用全量組成的百分?jǐn)?shù)表示,；

N 合金中氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù),，用全量組成的百分?jǐn)?shù)表示；

注：PREN有若干變量,，它的提出完全是為了反映和預(yù)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(diǎn)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(biāo)記

7.1 購買材料應(yīng)提供的信息

7.1.1 指定購買材料的技術(shù)規(guī)格書時可能需要設(shè)備使用者,、設(shè)備供應(yīng)商和材料供應(yīng)商之間進(jìn)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(yīng)提供下列信息：

首選的材料類型和（或）級別（如果已知）,；

設(shè)備烈性(如果已知)；

參考本部分的條款,；

選擇抗開裂材料的驗(yàn)收依據(jù)（見第6章）,。

7.1.3 設(shè)備使用者和設(shè)備供應(yīng)商或材料供應(yīng)商可以商定，采用適當(dāng)?shù)脑u定試驗(yàn)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(shù)規(guī)格書應(yīng)清楚地說明與擴(kuò)充范圍和評定方法相關(guān)的附加信息。這些信息包括：

SSC、SCC和（或）GHSC試驗(yàn)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(yīng)填入適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)表中,。推薦的格式參見附錄C。

7.2 標(biāo)記

符合本部分的材料應(yīng)具有可追溯性,，最好在交貨前作標(biāo)記,。適當(dāng)?shù)臉?biāo)簽或文字資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(yīng)用的材料,，其可追溯性還應(yīng)包括特定應(yīng)用的相關(guān)環(huán)境條件,。

設(shè)備使用者可以要求設(shè)備或材料供應(yīng)商提供文件，文件包括設(shè)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(biāo)識,。

（上海墨鉅特殊鋼）整理
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