石油和天然氣工業油氣開采中用于含硫化氫環境的材料

第2部分: 抗開裂碳鋼和低合金鋼，以及鑄鐵的使用

警告：使用ANSI/NACE MR0175/ISO 15156本部分內容所選擇的碳鋼、低合金鋼以及鑄鐵，所耐受的是石油和天然氣生產中含H2S環境，但不一定所有服役條件下都能抗腐蝕開裂。設備用戶的職責是選擇適用于服役環境的碳鋼、低合金鋼以及鑄鐵。

本版本與第一版本（ANSI/NACE MR0175/ISO 15156-2:2003）相比，有以下改動：

包含對堆焊焊接工藝評定的要求；

包含表A.1焊縫硬度方面的應用限制變動；

包含ASTM硬度標準的ISO等同物；

包含少量其它技術調整；

使文本意圖更加清晰，糾正編輯錯誤。

1.范圍

本部分對用于石油天然氣工業以及天然氣處理工廠含有H2S環境中的設備所使用的碳鋼和低合金鋼的選擇和認證提出了要求和建議。這些設備的失效，會給工作人員以及公眾的健康和生命安全或環境帶來很大的危害。本部分有助于避免設備發生這種高昂代價的腐蝕損壞。本部分補充而不是代替相關的設計標準和規范或細則中已有的材料技術要求。

本部分敘述了鋼抗由硫化物應力開裂（SSC）引起的破壞的性能以及應力定向氫致開裂（SOHIC）和軟區開裂（SZC）的有關現象。

本部分還敘述了鋼抗氫致開裂（HIC）和可能發展成的階梯裂紋（SWC）的性能。

本部分只涉及開裂，不涉及均勻腐蝕（質量減少）或局部腐蝕造成的材料損失。

表1中給出了適用于本部分的不詳盡的設備清單，包含允許的例外。

本部分內容適用于按常規彈性準則設計和制造設備所用材料的選擇和評定。對于使用塑性準則的設計（例如基于應變和極限狀態設計），按照本標準第1部分的第5章要求。

附錄A列出了抗SSC的碳鋼和低合金鋼材料，A.2.4包括了鑄鐵的使用要求。

本部分內容不一定適用于煉油或下游的加工設備。

2.引用標準

本文件的使用離不開以下參考文件。若所參考得文件標明了時間，表示只采用該時間版本；若沒有注明時間，則表示引用的是其最新版本（包括其修正版）。

ISO 6506-1 金屬材料.布氏硬度試驗.第1部分:試驗方法

ISO 6507-1 金屬材料.維氏硬度試驗.第1部分:試驗方法

ISO 6508-1 金屬材料.洛氏硬度試驗.第1部分:試驗方法(A、B、C、D、E、F、G、H、K刻度)

ISO 6892-1 金屬材料.拉伸試驗.第1部分：室溫下的試驗方法

ISO 10423 石油和天然氣工業.鉆井和開采設備.井口設施和采油樹設備

ANSI/NACE MR0175/ISO 15156-1:2009 石油和天然氣工業油氣開采中用于含硫化氫環境的材料 第1部分：抗裂紋材料選擇的一般原則

ANSI/NACE MR0175/ISO 15156-3:2009 石油和天然氣工業油氣開采中用于含硫化氫環境的材料 第3部分：抗開裂耐蝕合金和其他合金

NACE TM0177-2005 抗H2S環境中的硫化物應力開裂（SSC）和應力腐蝕開裂（SCC）用材的實驗室試驗

NACE TM0284管線鋼和壓力容器抗氫致開裂評定方法

3.術語及定義

ANSI/NACE MR0175/ISO 15156-1:2009中確立的以及下列術語和定義適用于本部分

3.1 布氏硬度 Brinell hardness （HBW）

根據ISO6506-1進行測量的硬度值，通常采用直徑為10mm的硬質合金球并且加載29.42kN的力。

3.2 泡點壓力 bubble-point pressure

在一定的工作溫度下，開始有氣泡在液體中形成時的壓力。

3.3 拋光 burnish

在器件（材料）與一些硬質材料（例如硬化鋼球）之間以摩擦接觸的方式，使該器件表面光滑的過程。

3.4 鑄造 casting

將熔融金屬注入模具中，通過使熔融金屬在模具中凝固來獲得最終形狀或接近最終形狀的金屬件。

3.5 鑄鐵 cast iron

含碳量大約在2%~4%之間的鐵碳合金。

3.5.1 灰鑄鐵 grey cast iron

以片狀石墨存在，斷口表面呈灰色的鑄鐵。

3.5.2 白口鑄鐵 white cast iron

由于有滲碳體存在，斷口表面呈白色的鑄鐵。

3.5.3 可鍛鑄鐵 malleable cast iron

白口鑄鐵經熱處理后，大部分或所有的滲碳體轉化成石墨（回火碳）的鑄鐵。

3.5.4 球磨鑄鐵 ductile cast iron；nodular cast iron

在熔融狀態下用一種元素（通常是鎂或鈰）進行過石墨球處理形化處理的鑄鐵。

3.6 滲碳體 cementite

鋼的微觀結構組織，主要由碳化鐵（Fe3C）組成。

3.7 冷加工 cold working

冷變形 cold deforming

冷鍛 cold forging

冷成形 cold forming

金屬在一定溫度和應變率下發生塑性變形，從而導致形變硬化，通常但不一定是在室溫下進行。

3.8 適用性 fitness-for-purpose

在預期使用條件下使用的適宜性。

3.9 易切削鋼 free-machining steel

有意加入如硫、硒和鉛等元素以提高切削加工性能的鋼。

3.10 下臨界溫度 lower critical temperature

鐵基金屬在加熱過程中開始形成奧氏體或在冷卻過程中完成奧氏體轉變的溫度。

3.11 滲氮 nitriding

氮被滲入到金屬材料（最普遍的是鐵基合金）表面的表面硬化工藝。

如液體滲氮、氣體滲氮、離子滲氮和等離子滲氮。

3.12 正火 normalizing

把鐵基合金加熱到相變區間（奧氏體化）以上某一溫度，并保持一定時間，然后在靜止的空氣中（或保護氣體中）冷卻到相變區以下某一溫度。

3.13 塑性變形 plastically deformed

在超過彈性極限即應力與應變成比例的極限的應力作用下發生的永久性變形。

3.14 承壓部件 pressure-containing parts

預期功能失效時將導致其中的流體釋放到環境中的部件。

3.15 淬火加回火 quenched and tempered

淬火硬化然后回火。

注1：淬火硬化是先奧氏體化，然后進行冷卻，使得奧氏體或多或少完全轉變為馬氏體，也可能轉變為貝氏體。

注2：回火是一次或多次加熱至規定的，低于下轉變點的溫度或保持在這一溫度，然后以適當的速率冷卻，使得組織結構有所改善并獲得規定的性能。

3.16 C標尺洛氏硬度 Rockwell hardness （HRC）

根據ISO 6508進行測量，采用圓錐形金剛石壓頭施加一個1471N載荷而獲得的硬度值。

3.17 噴丸硬化 shot peening

在可控制條件下選擇一種介質（通常為圓形鋼丸）轟擊材料表層，導致材料表層產生壓應力。

3.18 消除應力 stress relieving

把金屬加熱到合適的溫度，并且在這一溫度下保持足夠長的時間以減少殘余應力，然后緩慢冷卻盡量使新產生的殘余應力降到最小。

3.19 回火 tempering

把金屬加熱到低于臨界溫度以降低硬度并提高其韌性的熱處理。這一工藝適用于淬火鋼、淬火鑄鐵，有時也適用于正火鋼。

3.20 抗拉強度 tensile strength

極限強度 ultimate strength

最大載荷和原始橫截面積之比。

3.21 試驗批 test batch

代表同一批次產品的樣本組，按照特定的程序對代表性樣品進行試驗能確定其符合規定要求。

3.22 管件 tubular component

有一個軸向孔洞的圓筒形構件（管），用于鉆井和生產作業中輸送流體。

3.23 維氏硬度 Vickers hardness （HV）

根據ISO 6507-1進行測量，采用正四棱椎體金剛石壓頭并且加載一個適用的載荷而獲得的硬度值。

3.24 焊件 weldment

在一個組件上已經進行過焊接的部分，包括焊縫金屬、熱影響區（HAZ）以及鄰近的母材。

3.25 焊縫金屬 weld metal

在焊接過程中焊件上已融化的部分。

4.符號及縮略語

本部分內容采用以下術語：

AYS 實際屈服強度

CLR 裂紋長度比值

CR C型環（測試）

CSR 裂紋敏感性比值

CTR 裂紋厚度比值

DCB 雙懸臂梁（測試）

FPB 四點彎（測試）

HBW 布氏硬度（硬質合金壓頭）

HIC 氫致開裂

HRC 洛氏硬度（標尺C）

HSC 氫應力開裂

HV 維氏硬度

OCTG 石油專用管，如套管、油管和鉆桿

pH2S硫化氫分壓

Rp0.2根據ISO 6892-1確定的屈服強度

SMYS 規定的最小屈服強度

SOHIC 應力導向氫致開裂

SSC 硫化物應力開裂（硫化物應力腐蝕開裂）

SWC 階梯裂紋

SZC 軟區開裂

T 溫度

UNS 統一編號系統（按照SAE-ASTM 統一編號系統中的金屬及合金）

UT 單軸拉伸（測試）

5.采購信息

5.1準備材料購買技術規格書時可能需要在設備使用者、設備供應商以及材料生產商之間進行合作及資料交流，以確保所購材料符合本標準的第1部分和第2部分要求。

5.2需提供以下信息：

首選材料的類型和/或鋼級（如果知道）；

設備類型（如果知道）；

本部分的引用條款；

抗SSC材料選擇的驗收根據，見條款7；

抗HIC的要求，見條款8.

5.3對于那些不在附錄A中描述或列出的、通過按照附錄B以及本標準第1部分進行的適用性評定測試的其它碳鋼或低合金鋼，設備使用者和設備供應商或材料生產商可以達成一致作為使用材料。認證測試要求可以擴展到耐SOHIC和SZC。

如果購買者打算使用這類協議、擴展部分和評定方法，應當在材料購買技術規格書中注明相應的附加信息。這些信息可以包括：

SSC測試要求，見7.1,7.2；

在特定酸性介質中的服役條件，以及

其它特殊要求

5.4附錄C描述了如何計算H2S的分壓，附錄D為如何判斷流體的pH值給予指導。

5.5購買材料所需的信息應填入適當的數據表中，推薦的格式參見附錄E。

6.影響碳鋼和低合金鋼在含H2S環境中性能的因素

在含H2S環境中，碳鋼和低合金鋼的性能受復雜的交互作用參數影響，包含以下幾個方面：

a）材料的化學成分、生產工藝、產品形式、強度、硬度和局部變化的程度、冷加工量、熱處理條件、微觀結構、微觀結構均勻性、晶粒尺寸、材料的純凈度；

b）H2S分壓或在水相中的當量濃度；

c）水相中的氯離子濃度；

d）水相的酸度（pH）；

e）硫或其它氧化劑的存在；

f）暴露在非生產流體中；

g）暴露溫度；

h）總的拉伸應力（外加應力+殘余應力）；

i）暴露時間。

當采用本部分為含H2S環境油氣開采系統中選擇合適材料時，這些因素應當被考慮。

7.耐SSC、SOHIC和SZC碳鋼和低合金的評價和選擇

7.1選項1采用條款A.2選擇耐SSC鋼（和鑄鐵）

7.1.1pH2S＜0.3kPa（0.05psi）

對于pH2S＜0.3kPa（0.05psi）環境下耐SSC材料的選擇，本部分沒有做詳細考慮。通常，在這類環境下，不需要專門的預防措施來選擇使用的鋼材，但是，高敏感性鋼還是可能會開裂。影響鋼敏感性因素的附加信息以及該條件下發生SSC以外的開裂機制在7.2.1中給出。

7.1.2pH2S≥0.3kPa（0.05psi）

如果H2S的分壓大于等于0.3kPa（0.05psi），應當按照條款A.2挑選耐SSC鋼。

注1：條款A.2中所描述或列出的鋼耐受的是在油氣開采以及天然氣脫硫裝置中的SSC。

注2：有關SOHIC及（或）SZC的發生，用戶可以參考選項2，見7.2.2；

注3：對于HIC和SWC，參考條款8。

7.2選項2對在特殊酸性環境應用的或按酸性使用環境區域進行的鋼材選擇

7.2.1硫化物應力開裂（SSC）

7.2.1.1總則

選項2允許用戶評定和選擇在特定酸性環境或各級酸性介質使用區應用的耐SSC材料。

選項2需要知道實際的pH值、H2S分壓以及它們隨時間變化情況的資料。見本標準第1部分。

選項2用來幫助采購散裝材料，例如石油專用管或管線鋼管，在這些領域，使用非附錄A中列舉材料的經濟性超過了增加的評定及可能引發的其它投入。用于其它設備的鋼材也可以進行評定。在一些情況下,這將需要供應商和設備用戶之間達成測試和接收要求的協議。這些協議應有書面文件。

選項2還有利于對暴露于比設計預期的使用環境更苛刻的酸性環境中的現有碳鋼或低合金鋼設備的適用性評價。

7.2.1.2SSC環境嚴重程度區域

按照本標準第1部分所定義的酸性環境嚴重程度，碳鋼或低合金鋼的SSC應使用照圖1評定。在確定硫化氫環境的嚴重程度時，宜考慮不正常使用條件或停工時暴露于未緩沖的低pH值凝析水相，或者酸化增產和（或）反應后反排增產用酸夜的可能性。

圖1 碳鋼和低合金鋼的SSC環境嚴重性分區

0：0區；1：SSC 1區；2：SSC 2區；3：SSC 3區

注1：在上圖中，H2S分壓低于0.3kPa（0.05psi）和高于1MPa（150psi）的不連續性反映了測量低硫化氫分壓時的不確定性和超出硫化氫分壓范圍（包括低和高硫化氫）時鋼材性能的不確定性。

注2：H2S分壓的計算參見附錄C。

注3：pH的計算參見附錄D。

7.2.1.30區pH2S＜0.3kPa（0.05psi）

通常情況下，在這條件下選擇鋼材不需要防范性措施。但是，以下的一些因素還是會影響鋼在這條件下的性能，應當被考慮：

對SSC和HSC高度敏感的鋼可能會開裂；

鋼的物理性能和冶金性能影響著它固有的耐SSC和HSC，見條款6；

超高強度鋼在無H2S的水環境中可能發生HSC。對于屈服強度在965MPa（140ksi）以上的鋼種，應當注意其化學成分及處理方式，以確保在0區環境不發生SSC或HSC。

應力集中增加開裂的風險。

7.2.1.4SSC 1、2、3區

根據圖1中定義的暴露環境的嚴重程度，用于1區的鋼材可以從條款A.2、A.3或A.4中選取；用于2區的鋼材可以從條款A.2或A.3中選取；用于3區的鋼材可以從條款A.2中選取。

如果從附錄A中沒有合適的選擇，可以在特定酸性介質條件或給定的SSC區域對碳鋼和低合金鋼進行測試和評定。測試和評定按照本標準第1部分和附錄B進行。

有文件記載的現場經驗也可以作為在特定酸性介質條件下的選材依據，見本標準第1部分。

7.2.2SOHIC和SZC

當評價在含H2S酸性介質中的碳鋼鋼板及其焊接產品時，使用者應當考慮本標準第1部分所定義的SOHIC和SZC。

條款B.4提供了評價耐SOHIC及SZC性能的測試方法及可接收標準。

注意：這些現象很少發生，并且它們未被充分了解。它們引起母材（SOHIC）和焊縫HAZ（SOHIC和SZC）的突然失效。它們的發生被認為只限于碳鋼。當使用環境中有硫或氧氣存在時認為這種機理引起的破壞可能性增大。

7.3硬度要求

7.3.1總則

母材、焊縫區以及熱影響區的硬度對于碳鋼和低合金鋼的耐SSC性能具有很大影響。通過控制硬度來獲得耐SSC性能是一種可接受的方法。

7.3.2母材

如果規定做母材的硬度測試，應做足夠的硬度測試才能確定被測鋼材的真實硬度。如果鄰近位置的幾個HRC硬度的平均值沒有超過本部分規定的允許值，同時單個讀數不大于規定硬度值2個HRC，則單個的HRC讀數允許大于本部分的規定，同樣的要求也適用于其他的按本部分所規定的硬度測試方法或廠家規范中引用的硬度測試方法。

注：母材上硬度試驗的點數和位置在本部分中沒有規定。

對于鐵素體鋼，EFC出版物16號給出了從ASTM E140和ISO 18265的表得來的從維氏硬度（HV）到洛氏硬度（HRC）以及從維氏硬度（HV）到布氏硬度（HBW）的硬度轉換表。還有其它的轉換表存在。用戶可以確定特殊材料的相互關系。

7.3.3焊縫

7.3.3.1總則

碳鋼和低合金鋼的焊接工藝所產生的冶金變化會影響它們對SSC、SOHIC、SZC的敏感性。

應按照好的實際經驗選擇工藝和焊接材料，達到抗開裂的要求。

焊接應按照由供應商和購買方之間確定的適當的規則和標準進行。焊接工藝規范(WPSs)和工藝評定記錄(PQRs)應易于設備使用者檢查。

服役環境為酸性介質的焊接工藝評定應當包含按照7.3.3.2、7.3.3.3和7.3.3.4進行的硬度測試。

7.3.3.2焊接工藝評定的硬度測試方法

焊接工藝評定的測試方法一般按照ISO 6507-1采用維氏硬度HV10或HV5，或者按照ISO 6508-1采用洛氏硬度15N（HR15N）進行測試。

注意：為了本規定的目的，ASTM E92和ISO 6507-1等價，ASTM E18和ISO 6508-1等價。

如果設計壓力沒有超過規定的最小屈服強度（SMYS）的2/3，并且待評定的焊接工藝包含焊后熱處理，HRC方法可以用來評定焊接工藝。在所有其它情況下，采用HRC方法評定焊接工藝需要得到設備用戶的許可。

注意：采用HV或HR15N測試硬度時，可以得到一個詳細的焊縫硬度變化分布圖。采用HV或HR15N測試可以檢測焊縫或熱影響區中超出允許硬度要求的小區域，而采用HRC測試硬度則不能。

采用其它硬度測試方法時，應當獲得設備用戶的許可。

應使用HV和HR15N硬度測試方法評定7.3.3.4中備選的焊縫硬度驗收標準。

7.3.3.3焊接工藝評定的硬度測試

采用維氏硬度測試時，對接接頭按照圖2進行，角焊按照圖3進行，修復性及部分穿透焊接按照圖4進行。采用HRC硬度測試時，應當按照圖5進行。其它焊接類型的硬度測試要求參照這些圖。

堆焊層的硬度測試按照圖6進行。

圖2 HV對接接頭（mm）

A為焊接熱影響區（侵蝕后可見）

B為測試線

C為硬度壓痕：壓痕2、3、6、7、10、11、14、15、17和19應當完全在焊接熱影響區，并且盡可能地靠近焊縫金屬與熱影響區之間的融合線。

應當確定測試頂線的位置，使壓痕2和6位置與最后焊接道次的熱影響區或者最后焊接道次所引起的融合線輪廓變化相一致。

圖3 HV角焊縫（mm）

A為焊接熱影響區（侵蝕后可見）

B為測試線

C為平行于線B的測試線，并且在焊接根部貫穿焊縫金屬與熱影響區之間的融合線

D為硬度壓痕：壓痕3、6、10和12應當完全在熱影響區，并且盡可能地靠近焊縫金屬與熱影響區之間的融合線。

圖4 HV修復性及部分穿透性焊接（mm）

A為原始焊接熱影響區

B為補焊熱影響區

C為測試線的平行線

D為硬度壓痕：熱影響區的壓痕應當盡可能地靠近融合線。

應當確定測試頂線的位置，使熱影響區的壓痕位置與最后焊接道次的熱影響區或者最后焊接道次的蓋面焊融合線的輪廓變化一致。

圖5 洛氏硬度對接接頭（mm）

A為焊縫區

B為焊接熱影響區（侵蝕后可見）

C為母材

D為測試線

E硬度壓痕：焊接熱影響區的壓痕應距融合邊界2mm以內。

圖6 堆焊層的硬度測試示意圖（mm）

A為焊接熱影響區（侵蝕后可見）

B為硬度測試壓痕1至12的線

C為堆焊層（侵蝕后可見）

D硬度壓痕

按照7.3.3.2的要求采用HRC硬度測試。在焊接熱影響區的HRC硬度壓痕應當在融合邊界2mm范圍內。

a 采用HV或HR15N測試方法時，硬度壓痕2、6和10應當完全在熱影響區，并且盡可能靠近堆焊層與焊接熱影響區之間的融合邊界（距融合邊界不超過1mm）。

7.3.3.4焊接硬度驗收標準

用選項1（見7.1）選擇的鋼材的焊接硬度驗收標準按照A.2.1.4執行。備選的焊接硬度驗收標準應建立在焊縫試樣的SSC試驗合格之上。SSC的測試按照附錄B進行。

用選項2（見7.2）評定和（或）選擇的鋼材的焊接硬度驗收標準應建立在焊縫試樣的SSC試驗合格之上。SSC的測試按照附錄B進行。

7.4其它加工方法

對于由非焊接方式而導致鋼材的硬度變化，應規定硬度試驗為其制造過程評定的一部分。如果在最終產品中保留有任何的HAZ，硬度測試應規定為氣割和（或）切割過程評定的一部分。需要說明制造方法并采用7.3的硬度驗收準則。

用于評價和測試的樣品形狀和部位應獲得設備使用者的許可。

8. 碳鋼和低合金鋼耐HIC和SWC性能的評價

對于碳鋼的軋制產品，即使在含有微量H2S的酸性介質環境中，設備使用者都應考慮本標準第1部分所定義的HIC/SWC以及HIC/SWC測試。附錄B提供了HIC/SWC的測試方法及驗收標準。

發生HIC/SWC的敏感性受鋼材的化學成分和生產流程影響。鋼中的硫含量具有重要影響，軋制和無縫產品的最大允許硫含量分別為0.003wt%和0.01wt%，常用鍛件中的硫含量小于0.025wt%。一般不考慮鑄件對HIC或SOHIC的敏感性。

注1：HIC/SWC所導致的失控問題很少發生在無縫鋼管及其它非軋制產品中。此外，相對老產品而言，采用現代科技生產的無縫鋼管對HIC/SWC具有更低的敏感性。因此，在具有潛在失效后果的使用環境中，評價無縫鋼管的耐HIC/SWC性能還是有益的。

注2：在服役環境中，鐵銹、硫或氧氣的存在，尤其是伴隨著氯離子的存在，能夠增加破壞的可能性。

（上海墨鉅特殊鋼）整理
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