石油天然气工业油气开采中用于含硫化氢环境的材料

第1部分: 抗裂纹材料选择的一般原则

警告：使用ANSI/NACE MR0175/ISO 15156本部分内容所选择的碳钢、低合金钢以及铸铁，所耐受的是石油和天然气生产中含H2S环境，但不一定所有服役条件下都能抗腐蚀开裂。设备用户的职责是选择适用于服役环境的碳钢、低合金钢以及铸铁。

1.范围

本部分给出了油漆开采及天然气处理厂含硫化氢环境中，设备用耐蚀合金（CRA）和其他合金的选择及评定的要求和推荐方法。这些设备的失效，会给工作人员以及公众的健康和生命安全或环境带来很大的危害。本部分有助于避免设备发生这种高昂代价的腐蚀损坏。本部分补充而不是代替相关的设计标准和规范或细则中已有的材料技术要求。

本部分叙述了这些材料由抗硫化物应力开裂（SSC）、应力腐蚀开裂（SCC）和电偶诱发的氢应力开裂（GHSC）引起的破坏的性能。

本部分只涉及开裂，不涉及均匀腐蚀（质量减少）或局部腐蚀造成的材料损失。

表1列出了适用于本部分的不详尽的设备清单以及允许的例外设备。

本部分适用于按常规弹性准则设计和制造设备所用材料的选择和评定。对于使用塑性准则的设计（例如基于应变和极限状态设计），按照本标准第1部分第5章的要求。

本部分不一定适用于炼油或下游的加工设备。

2.规范性引用文件

略。

3. 术语和定义

依本文需要，采用ANSI/NACE MR0175/ISO 15156-1和ANSI/NACE MR0175/ISO 15156-2以及下面所给出的术语及定义。

3.1 时效（ageing）

在冶金性能方面发生变化，一般在室温（自然 时效）下进行得缓慢，而在较高温度下（人工时效）进行得较快。

3.2 退火（anneal）

将特定材料加热到适当的温度，并在该温度下保持一定时间，然后以适当的速度冷却。其目的是降低硬度，改善机械加工性能或获得想要的性能。

3.3 奥氏体（austenite）

铁基合金的面心立方晶相。

3.4 双相不锈钢（duplex stainless steel）

奥氏体-铁素体不锈钢。室温下显微组织主要由奥氏体和铁素体混合组成的不锈钢。

3.5 铁素体（ferrite）

铁基合金中的一种体心立方晶体。

3.6 铁素体不锈钢（ferritic stainless steel）

在室温下，显微组织主要是铁素体的不锈钢。

3.7 电偶诱发的氢应力开裂（galvanically induced hydrogen stress cracking,GHSC）

开裂的形成是由于金属中存在着由电偶的阴极诱发的氢和拉伸应力（参与的和外加的）。

3.8 马氏体（martensite）

碳在铁中过饱和的硬固溶体，具有针状的显微组织特征。

3.9 马氏体钢（martensitic steel）

为避免形成其他显微组织而以快速冷却速率进行淬火才能获得的显微组织为马氏体的钢。

3.10 抗点蚀当量数（pitting-resistance equivalent number，PREN）

FPREN数值是用来反映和预示耐蚀合金的抗点蚀能力，它是依据合金化学成分中Cr、Mo、W和N的配比来定。

注：详见6.3.

3.11 固溶体（solid solution）

含两种或两种以上元素的单一结晶相。

3.12 不锈钢（stainless steel）

含铬10.5%以上的钢。可能添加其他元素以保证获得特殊的性能。

4.符号和缩略语

依本文需要，采用ANSI/NACE MR0175/ISO 15156-1和ANSI/NACE MR0175/ISO 15156-2以及下面所给出的符号和缩略语。

AYS 实际屈服强度

Cl- 氯离子

CRA 耐蚀合金

GHSC 电偶诱发的氢应力开裂

HBW 布氏硬度

HRB B标尺洛氏硬度

HRC C标尺洛氏硬度

HSC 氢应力开裂

PREN 抗点蚀当量数

PWHT 焊后热处理

PCO2CO2分压

PH2SH2S分压

RSRT 波动应变速率试验

S0硫单质

SSRT 慢应变速率试验

UNS 统一编号系统

5. 含硫化氢环境中影响耐蚀合金和其他合金抗开裂性能的因素

耐蚀合金和其他合金在含硫化氢环境中的开裂行为受下列因素相互作用的综合影响。这些因素包括：

材料的化学成分、强度、热处理、显微组织、制造方法和材料的最终状态；

硫化氢分压或其在水相中的当量溶解浓度；

水相的酸度（原位pH）；

氯离子或其他卤离子浓度；

氧、硫或其他氧化剂的存在；

暴露温度；

材料在使用环境中的抗点蚀性能；

电偶的影响；

总拉伸应力（外加应力加残余应力）；

暴露时间。

当使用本部分来选择含硫化氢环境中油漆开采系统的适当材料时，应考虑这些因素。

6. 含硫化氢环境中耐蚀合金和其他合金抗SSC、SCC和GHSC的评定和选择。

6.1 总则

应按照预期使用环境的要求来选择抗SSC、SCC和GHSC的耐蚀合金和其他合金。

符合本部分要求的耐蚀合金或其他合金在规定的环境使用限制内是抗开裂的。这些限制取决于材料类型或具体的单一合金。

为了能评定和（或）选择耐蚀合金和其他合金，可要求设备购买方向设备供应商提供设备计划暴露条件的相关资料。

在确定含硫化氢的苛刻程度时，还应考虑在系统运行失常或停工等期间可能发生的暴露条件。该暴露条件可能包括非缓冲的低pH冷凝水和用于生产并增产的酸液。在有增产酸液情况下，应考虑返排期间出现的环境条件。

应使用附录A或按附录B通过成功的实验室试验评定来选择耐蚀合金和其他合金。基于满意的现场使用经验的评定也是允许的。该评定应遵循ANSI/NACE MR0175/ISO 15156-1。

在附录A中，用材料类别来表示材料。用材料类型（在成分的限制范围内）或单一合金来表示每一类别内的合金。附录A给出了抗开裂合金允许的冶金状态和有关硫化氢分压、温度、氯离子浓度和硫单质的环境限制。

对于在比附录A给出的环境限制更苛刻的操作条件下使用的耐蚀合金或其他合金，可通过实验进行评定。对于在不同于附录A所给出的冶金状态（较高的强度，变换了热处理等）下使用的耐蚀合金或其他合金，同样地也可以通过试验进行评定。

按附录B进行的评定文件应符合ANSI/NACE MR0175/ISO 15156-1:2009第9章的要求。

设备使用者应对评定（见B.2.2）进行核实并保留材料选择的支持性文件。

6.2 材料性能的评定

6.2.1 母材的硬度

如果规定做母材的硬度测试，应做足够的硬度测试才能确定被测耐蚀合金或其他合金的真实硬度。如果邻近位置的几个读数的平均值没有超过本部分规定的允许值，同时单个读数不大于规定硬度值2个HRC，则单个的HRC读数允许大于本部分的规定。该要求同样适用于本部分规定的其他硬度测试方法或制造规范中参照的其他硬度测试方法。

对取决于材料的其他标尺的硬度读数转换，使用者可以建立所需要的转换表。

注：ANSI/NACE MR0175/ISO 15156所有部分没有明确规定母材硬度测试位置及数量。

6.2.2 焊缝的抗开裂性能

6.2.2.1 总则

耐蚀合金和其他合金在焊接时发生的冶金变化会影响它们对SSC、SCC和（或）GHSC的敏感性。焊接接头可能比其相连的母材具有更大的开裂敏感性。

设备使用者可允许焊件的开裂敏感性控制在生产系统安全使用条件的限制范围内。

为获得满足要求的抗腐蚀性和抗开裂性，宜按照成功地实践经验来选择焊接工艺和焊接材料。

焊接应按供应商和购买方都同意的适当规范和标准进行。焊接工艺规程（WPS）和焊接工艺评定报告（PQR）应易于设备使用者检查。

焊接PQR应包括文件形式的证据，证明至少在和建议使用环境一样苛刻的条件中具有令人满意的抗开裂性能。这些证据应以下列一条或多条为基础：

符合附录A对具体材料类别的要求和建议（6.2.2.2和6.2.2.3）

按照附录B进行焊缝抗开裂评定试验；

现场实践的证明文件，可仿效ANSI/NACE MR0175/ISO 15156-1中对母材的规定。

附录A中给出的要求和建议可能不适合设备和部件制造中母材和焊接金属的所有组合，为确保焊件在应用时具有足够的抗SSC、SCC和GHSC性能，设备使用者可要求成功地抗开裂试验的证据来为焊接工艺评定的一部分。

6.2.2.2 按照附录A.基于硬度的焊接工艺评定

6.2.2.2.1 总则

如果在附录A中有规定，对于酸性环境的焊接工艺评定应包括按照6.2.2.2.2、6.2.2.2.3和

6.2.2.2.2 焊接工艺评定中的硬度试验方法

焊接工艺评定中的硬度试验方法应按ISO 6507-1中的维氏硬度HV10或HV5，或者按照ISO 6508-1中的洛氏硬度HR15N进行。

注： 基于本条款的目的，ASTM E92与ISO 6507-1等价，ASTM E18与ISO 6508-1等价。

使用其他硬度检测方法应经设备使用者的同意。

6.2.2.2.3 焊接工艺评定中的硬度测试

对接焊缝、角焊缝、修补和部分熔透焊缝及覆盖焊缝的硬度测试应按ANSI/NACE MR0175/ISO 15156-2:2009的7.3.3.3进行。

6.2.2.2.4 焊缝硬度的验收准则

附录A中给出的耐蚀合金或其他合金的焊缝硬度验收准则适用于按附录A选用的所有合金。

也可通过焊接试样成功的抗开裂试验来建立硬度验收准则，试验应按照附录B进行

6.2.2.3 按照附录A.采用其他试验方法的焊接工艺评

为确保焊缝具有足够的抗开裂性能，附录A的材料类别中提供了采用其他试验方法的要求和建议。

6.2.3 与其他制造方法相关的抗开裂性能

除焊接外，对于由焊接以外其他制造方法引起冶金变化的耐蚀合金和其他合金，应把受制造影响的材料的抗开裂性能评定试验规定为制造工艺评定的一部分。

如果在成品中有任何热影响区（HAZ）残存，应规定评定试验作为气割和（或）切割工艺评定的一部分。

在6.2.2中的要求和验收准则应适用于制造方法及气割/切割工艺的评定试验，并且服从于在6.2.2.2.3中提供的对制造方法及气割/切割工艺的硬度测试要求的相应说明。

用于评价和试验的试样，其形状和取样位置应得到设备使用者的同意。

6.3 PREN

PREN（FPREN）应按下列公式计算：

FPREN=Cr+3.3（Mo+0.5W）+16N

式中：

Cr 合金中铬的质量分数，用全量组成的百分数表示；

Mo 合金中钼的质量分数，用全量组成的百分数表示；

W 合金中钨的质量分数，用全量组成的百分数表示；

N 合金中氮的质量分数，用全量组成的百分数表示；

注：PREN有若干变量，它的提出完全是为了反映和预测Fe/Ni/Cr/M耐蚀合金在溶解有氯化物和氧的环境下（如在海水中）的抗点蚀性能。该数值虽然有用，但不能直接表示出在含硫化氢油田环境中的抗腐蚀性能。

7. 购买信息和标记

7.1 购买材料应提供的信息

7.1.1 指定购买材料的技术规格书时可能需要设备使用者、设备供应商和材料供应商之间进行合作和资料交流，以确保购买的材料符合ANSI/NACE MR0175/ISO 15156-1和本部分的要求。

7.1.2 应提供下列信息：

首选的材料类型和（或）级别（如果已知）；

设备烈性(如果已知)；

参考本部分的条款；

选择抗开裂材料的验收依据（见第6章）。

7.1.3 设备使用者和设备供应商或材料供应商可以商定，采用适当的评定试验来选择未在附录A中说明和（或）列出的耐蚀合金和其他合金。

如果购买方打算使用这些协议，在购买材料的技术规格书应清楚地说明与扩充范围和评定方法相关的附加信息。这些信息包括：

SSC、SCC和（或）GHSC试验的要求（见第6章和附录B）

特定酸性环境使用的工作条件。

7.1.4 购买材料所需的信息应填入适当的数据表中。推荐的格式参见附录C。

7.2 标记

符合本部分的材料应具有可追溯性，最好在交货前作标记。适当的标签或文字资料也是可以接受的方式。

对按照附录B评定合格和选择的特定应用的材料，其可追溯性还应包括特定应用的相关环境条件。

设备使用者可以要求设备或材料供应商提供文件，文件包括设备或部件使用的材料以及本部分规定的对材料使用环境的限制。

附录C中的表格提供了可用于材料识别的标识。

（上海墨钜特殊钢）整理
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上海墨钜出具质检书
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