硫化氢环境材质选择Mr0175-ISO15156标准讲解(PPT 48页).ppt

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 ISO15156 2009SECONDEDITION ISO15156 NACEMR0175 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NACEMR0175 尤利格腐蚀手册 NACECorrosionEngineer sReferenceBook 3rdEdition 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 一CRACKINGANDCORROSION 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 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 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 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ISO15156标准概况及组成 ISO15156 2009 Firstedition 原ISO15156 NACEMR0175 2003升版在原NACEMR0175基础上结合EFC16 EFC17形成标准由以下三部分组成 Petroleumandnaturalgasindustries MaterialsforuseinH2S containingEnvironmentsinoilandgasproduction Part1 Generalprinciplesforselectionofcracking resistantmaterialsPart2 Cracking resistantcarbonandlow alloysteels andtheuseofcastironsPart3 Cracking resistantCRAscorrosionresistantalloys andotheralloys 三标准术语 SSC sulfidestress cracking 硫化物应力开裂crackingofmetalinvolvinganodicprocessesoflocalizedcorrosionandtensilestress residualand orapplied inthepresenceofwaterandH2S 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 HIC hydrogen inducedcracking 氢致开裂planarcrackingthatoccursincarbonandlowalloysteelswhenatomichydrogendiffusesintothesteelandthencombinestoformmolecularhydrogenattrapsites 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 SOHIC stress orientedhydrogen inducedcracking 应力导向性氢致开裂SCC stresscorrosioncracking 应力腐蚀开裂HSC hydrogenstresscracking 氢应力开裂SZC soft zonecracking 软区开裂SWC Step wisecracking 阶梯裂纹CRA Corrosion resistantalloy 耐蚀合金HRC Rockwellhardness 洛氏硬度HBW Brinellhardness 布氏硬度HV Vickershardness HZC Heat affectedzone 热影响区SOURSERVICE exposuretooilfieldenvironmentsthatcontainsufficientH2StocausecrackingofmaterialsbythemechanismsaddressedbythispartofISO15156 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 SSCSCCHICSOHICSZC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NACEMR0103 2010 四标准适用范围 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NACEMR0175 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 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 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ISO15156 2 2009 含硫化氢环境中影响碳钢和低合金钢性能的因素化学成分 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 exposuretonon productionfluids 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 SSC选材按经验选材 附录A2 相对保守笼统的做法选项一 PH2S 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PH2S 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SSC1区按A 2A 3A 4选择 SSC2区按A 2A 3选择 SSC3按A 2区选择A3A4是针对A2的一些补充 放宽了限制按试验选材 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NACETM0177MethodA C D 未应用MethodB试验时间至少720h 或EFCPublication16 SSC分区划分 H2S分压计算 气相系统 不含气的液体系统 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ASTME140 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187HBW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A234WPB WPC不大于197HBW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PWHTSMYS 360MPa 52ksi 的API5LA B X 42 X 65 ASTMA53 A106Gr A B C A333Gr 1 6 A524Gr 1 2 A381class1 Y35toY65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 可用的材料 压力容器板P No 1 P No 2 ASMESEC IX 但轧板在含有微量 0区 H2S环境可能对HIC SWC敏感API5LA B X 42 X 65 ASTMA53 A106Gr A B C A333Gr 1 6 A524Gr 1 2 A381class1 Y35toY65紧固件 A193B7M A320L7M A1942HM A1947M 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 Boltingthatcanbeexposeddirectlytoasourenvironment orthatisburied insulated equippedwithflangeprotectorsorotherwisedenieddirectatmosphericexposure shallconformtothegeneralrequirementsofA 2 1 DesignersandusersshouldbeawarethatitcanbenecessarytolowerequipmentpressureratingswhenusingSSC resistantboltingandfasteners TheuseofSSC resistantboltingandfastenerswithAPIflangesshallbeinaccordancewithISO10423 适用的设备对井口设备 压缩机 泵有具体的要求铸铁的使用对铸铁的使用有详述 灰铸铁 ASTMA278Gr 35 40 和球墨铸铁 ASTMA395 可用来制造压缩机气缸 缸套 活塞和阀件附录A 3用于SSC1区的抗SSC钢 允许在A 2基础上有例外 如对管线钢已证明SMYS450MPa 65psi 是可接受的 要求在制造和现场焊缝的硬度不超过280HV附录A 4用于SSC2区的抗SSC钢 允许在A 2 A 3的基础上有例外 如对管线钢已证明SMYS550MPa 80psi 是可接受的 要求在制造和现场焊缝的硬度不超过300HV SOHIC和SZC 认为只限于碳钢 当使用环境中有硫或氧存在时 这种机理引起的破坏性增大 在一般项目中很少遇到SOHIC或SZC的评价程序见B 4在SOHIC或SZC评价之前材料应进行了在设计条件下的抗SSC评定并合格附录B 4 2小尺寸试样试验附录B 4 3全管环试验对于SOHIC和SZC的试验方法还没有标准化 可替代上述两种试验方法的方法尚在研究中 抗HIC和SWC要求 按照试验选材 试验程序见附录B 5适用于任何酸性环境NACETM0284EnvironmentA100kpaH2S分压 CLR 15 CTR 5 CSR 2 特定的或不太苛刻的环境按照5 massfractionNaCl 0 4 massfractionCH3COONa pHadjustedtorequiredvalueusingHClorNaOH H2S按预期的应用环境 无裂纹为合格测试时间均为96小时经验 HIC和SWC的发生受化学成分和生产流程的影响 硫含量尤为重要 通常轧制和无缝产品可接受的最大硫含量分别为0 003 和0 01 锻件可接受的最大硫含量为0 025 一般不考虑铸件对HIC和SWC的影响 实践证明在无缝钢管和非轧制产品中对HIC和SWC敏感性低得多 七ISO15156 3 2009 含硫化氢环境中影响耐蚀合金和其他合金性能的因素化学成分 强度 热处理 显微组织 制造方法和最终状态H2S分压或在水中的当量溶解浓度水相的酸度 原位PH 氯或其他卤离子的浓度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能力电偶的影响总的拉伸应力 施加的拉应力和外部应力 GHSC galvanicallyinducedhydrogenstresscrackingcrackingthatresultsduetothepresenceofhydrogeninametal inducedinthecathodeofagalvaniccouple 电偶的阴极 andtensilestress residualand orapplied PREN pitting resistanceequivalentnumberPREN wCr 3 3 wMo 0 5wW 16wN注 该值是由合金的各元素质量分数计算出来 反应和预计铁铬镍钼耐蚀合金在溶解有氯化物和氧的环境中的抗点蚀能力 该值和抗局部腐蚀能力成正比NACE标准指出 该数值虽有用 但不能直接表示出含硫化氢油田环境中的抗腐蚀作用常见不锈钢PREN S30408 18S31603 24双相钢S22053 35S25073 40AYS actualyieldstrengthDuplexstainlesssteel 此标准中指奥氏体 铁素体双相钢 附录A依据成功的使用经验 不用试验 该附录为ISO15156 3 2009的最重要组成部分 现阶段通常用到的材料基本上都在该附录里 选材时可对照查询 如满足表中限定条件即可认为是符合标准 可以抗开裂 不用再进行抗SSCSCC和GHSC开裂试验表A 1为按材料类别所列的索引 按材料种类及用途 如用于铸件 管件 井口设备 管件等均不同 可对应找出使用限制表材料使用表中列出了温度 硫化氢分压 氯离子 PH值和硫的应用限制 这些限制都共同应用 表中所用的PH值相当于最小原位PH值材料选择表都是在假设无氧存在的条件下制定的包含了铜和铝合金的使用信息包含了镀层 覆盖层和耐磨合金的使用建议 J883项目B24 U 0152D E F单元组分中含有水及H2SCO2 属于典型的酸性环境H2S0 27 则H2S分压0 27 375 1 01PsiCO21 38 则CO2分压1 38 375 5 175PsiP H2S CO2 6 185Psi 42 6441kpaPH查表约为4 15结合查表得其介于3区 针对SSC需要满足附录A 2要求对板材进行HICTE