石油天然氣工業—油氣開采中用于含 H2S 環境的材料

第 1 部分：抗開裂材料選擇的一般原則

警告：按 ISO 15156 選擇和評定的金屬材料，在油氣開采中規定的含硫化氫環境里是抗 開裂的，但并不一定在所有的使用環境下都可避免開裂。選擇適合預期使用環境的材料是設 備使用者的責任。

1. 范圍

ISO 15156 這部分敘述并提出了在石油天然氣生產以及脫硫裝置中處于硫化氫(H2S)環 境中設備的金屬材料評定和選擇的一般原則、要求和推薦方法。這些設備的失效，可能給工 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。

ISO 15156 這部分描述了所有由硫化氫所引起的腐蝕開裂機理，包括硫化物應力開裂、 應力腐蝕開裂、氫致開裂及階梯型裂紋、應力定向氫致開裂、軟區開裂和電偶誘發的氫應力 開裂。

表 1 給出了適用于 ISO 15156 部分的不詳盡的設備清單，包括了允許的例外。

ISO 15156 本部分適用于使用負荷可控設計方法來設計和建造的設備所用材料的評定和 選擇。當設計采用應變為基礎的設計方法時，見第 5 節。

ISO 15156 部分不一定適用于煉油或下游的加工設備。

2. 規范性引用文件

下列所有或部分引用文件對于本文件的應用是不可缺少的。對于注明日期的引用文件， 只有引用的版本適用。對于未注明日期的引用文件，引用文件的最新版本（包括任何修訂本） 適用。

ISO 15156-2：2015，石油天然氣工業 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、低合金鋼和鑄鐵

ISO 15156-3：2015，石油天然氣工業 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（CRAs）和其他合金

表 1 設備表

3. 術語和定義

本文件適用于下列術語和定義。

3.1 防噴器，BOP 在鉆井作業中，用于控制油氣井流體和鉆井液壓力的一種承壓機械裝置。

3.2 釬焊 在金屬之間通過充滿薄界面層低熔點非鐵金屬填充物而將它們連接。

3.3 碳鋼

含碳質量分數小于 2%、含錳質量分數小于 1.65%的鐵碳合金，除了含為脫氧而有意添 加規定量的元素（通常是硅和/或鋁）外，還有殘留量的其他元素。

出處注釋 1：石油工業中所用碳鋼的含碳質量分數通常低于 0.8%。

3.4 采油樹 用于控制采出液或回注井口設備。

3.5 冷加工 在能夠產生加工硬化的溫度和變形率的條件下的金屬塑性變形的工藝過程。通常（不是

必須）是在常溫下完成的。

3.6 耐蝕合金，CRA 是用來抗油田環境中的均勻和局部腐蝕的合金。在該油田環境中，碳鋼（3.3）會受到

腐蝕。

3.7 鐵素體 鐵基合金中的一種體心立方晶體

3.8 鐵素體鋼 在室溫下，顯微組織（3.15）主要是鐵素體（3.7）的鋼材。

3.9 硬度 金屬抵抗塑性變形的能力。通常用金屬壓痕來測量。

3.10 熱影響區 在釬焊，切割或焊接過程中，沒被熔化，但是顯微組織（3.15）和性能已經隨著加熱過

程發生了變化的那部分母材。

3.11 熱處理，HAZ 為了獲得所需的性能加熱和冷卻固體金屬和合金的工藝。

出處注釋 1：僅為熱加工而進行的加熱不能作為熱處理。

3.12 氫致開裂，HIC 為氫原子擴散進鋼鐵中并在陷阱處結合成氫分子（氫氣）時所引起的在碳鋼和低合金鋼

中的平面裂紋。

出處注釋 1：裂紋是由于氫的聚集點壓力增大而產生的。氫致開裂的產生不需要施加外部的應力。能 夠引起 HIC 的聚集點常常在于鋼中雜質水平較高的地方，那是由于雜質偏析和在鋼中合金元素形成的具有 較高密度的平面型夾渣和（或）具有異常顯微組織（3.15）（如帶狀組織）的區域。這種類型的氫致開裂與 焊接無關。

3.13 氫應力開裂，HSC 金屬在有氫和拉應力（殘留的或施加的）存在的情況下出現的一種裂紋。

出處注釋 1：HSC 描述了一種產生在對 SSC 不敏感的金屬中的一種開裂。當該金屬作為陰極和另一種 作為陽極的腐蝕活躍的金屬形成電偶時，可能會氫脆。此類電偶誘發的氫應力開理解就是這種機理的開裂。

3.14 低合金鋼

合金元素總量少于 5％（質量分數），但多于碳鋼（3.3）規定的合金元素含量的鋼。

3.15 顯微組織 適當制備的樣品在顯微鏡下檢查顯示出的一種金屬結構。

3.16 分壓 在同樣溫度下，混合氣體中一種組份單獨充滿該混合氣體所占的體積產生的壓力。 出處注釋 1：對于一種理想的混合氣體，每一種組分的分壓等于總壓力乘以其在混合氣體中的摩爾分

數，而此時摩爾分數等于其體積分數。

3.17 殘余應力 解除外力和消除溫度梯度后，存在于構件中的應力。

3.18 軟區開裂，SZC

SSC 的一種形式，可能出現于鋼局部屈服強度低的軟區。

出處注釋 1：在操作的載荷作用下，軟區可能會屈服，并局部累計塑性應變使一種在別的情況下抗 SSC

材料發生 SSC 開裂敏感性增加。這種軟區最有代表性的層與碳鋼（3.3）的焊接有關。

3.19 酸性中使用

暴露于含有硫化氫并能夠引起材料按 ISO 15156 本部分所描述的機理開裂的油田環境。

3.20 階梯裂紋，SWC 在鋼材中連接相鄰平面內的氫致開裂的一種裂紋。

出處注釋 1：這個術語描述了裂紋的外貌。連接氫致升裂而產生的階梯裂紋取決于裂紋間的局部應變 和裂紋周圍鋼由于溶解的氫引起的脆性。HIC/SWC 往往與生產鋼管和容器的低強度鋼板有關。

3.21 應力腐蝕開裂，SCC 在有水和硫化氫存在的情況下，與局部腐蝕的陽極過程和拉應力（殘留的或施加的）相關的一種金屬開裂。

出處注釋 1：氯化物和（或）氧化劑和高溫能增加金屬產生應力腐蝕開裂的敏感性。

3.22 應力定向氫致裂紋，SOHIC 大約與主應力（殘余的或外加的）方向垂直的一些交錯小裂紋，導致了像梯子一樣的，

將已有 HIC 裂紋連接起來的（往往細小的）一組裂紋。

出處注釋 1：這種開裂可被歸類為由外應力和氫致開裂周圍的局部應變引起的 SSC。SOHIC 與 SSC 和 HIC/SWC 有關。在縱焊縫鋼管的母材和壓力容器焊縫的熱影響區（HAZ）（3.10）都觀察到 SOHIC。 SOHIC 并不是一種常見的現象，其通常與低強度鐵素體鋼管和壓力容器用鋼有關。

3.23 硫化物應力開裂，SSC 在有水和硫化氫存在的情況下，與腐蝕和拉應力（殘留的和（或）施加的）有關的一種

金屬開裂。

出處注釋 1：SSC 是氫應力開裂（HSC)（3.13）的一種形式，它與在金屬表面的因酸性腐蝕所產生的 原子氫引起的金屬脆性有關。在硫化物存在時，會促進氫的吸收。原子氫能擴散進金屬，降低金屬的韌性， 增加裂紋的敏感性。高強度金屬材料和較硬的焊縫區域易于發生 SSC。

3.24 焊接 采取加熱和（或）加壓的方式將兩個或多個金屬件連接起來，這種連接方式既可以有填

充金屬也可以沒有填充金屬。通過在接觸面上基材的局部熔化和凝固形成一個接頭。

3.25 屈服強度 材料應力和應變的線性比例呈現發生一定的偏差時的應力值。

出處注釋 1：這個應變偏差值既可以用殘余變形法表示（通常是 0.2％的應變），也可以用載荷下總伸 長法表示（通常是 0.5％的應變）。

4. 縮略語

BOP 井口防噴器 CRA    耐蝕合金 HAZ 熱影響區 HIC 氫致開裂 HSC 氫應力開裂 SCC 應力腐蝕開裂

SOHIC 應力定向氫致裂紋

SWC 階梯裂紋

SSC 硫化物應力開裂

SZC 軟區開裂

5. 一般原則

ISO 15156 系列的用戶應首先評估材料期望選擇可以暴露的條件。這些條件應按照 ISO 15156 本部分來進行評估，定義和文件記錄。

設備用戶應確定服役條件是否適用于 ISO 15156 系列。

應按照適用的 ISO 15156-2 或 ISO 15156-3 的要求和建議來進行材料選擇。

ISO 15156-2 或 ISO 15156-3 的使用可能要求設備用戶和設備或材料供應商之間交換信 息（例如要求的或合適的服役條件相關的信息）。如果有必要的話，設備用戶應為服役條件 的其他參與方提供建議。

注：設備供應商可能有必要與設備制造商、材料供應商和/或材料制造商交換信息。

在定義服役條件下使用的，且與某一特殊失效模式相關的合格證書也可以證明在其他服 役條件下使用的材料是否等于或低于執行過鑒定的條件的所有方面要求。

設備用戶有責任確保設備使用所規定的任何材料能滿意地滿足服役環境要求。 設備或材料供應商負責滿足冶金和制造要求，當必要時，在進入服役狀態中的選定材料，

還需負責滿足 ISO 15156 系列的任何附加試驗要求。

設備或材料供應商負責滿足 ISO 15156-2:2015, 第 9 節, 或 ISO 15156-3:2015, 7.2 中的材 料標記/文件記錄要求。

ISO 15156本部分適用于采用負荷可控設計方法設計和建造的設備的材料鑒定和選擇。 當設計采用應變為基礎的設計方法時，使用ISO 15156 本部分可能是不合適的，可以要求使

用ISO 15156 中沒有列出的其它試驗方法。設備/材料供應商應聯合設備用戶來定義和協定 其它試驗要求和驗證準則。

6. 選擇材料的使用環境的評價和定義

6.1 在按 ISO 15156-2 和 ISO 15156-3 部分進行材料的選擇和評定之前，設備的使用者應對 每種用途材料可能暴露的使用條件進行確認、評定并以文件記載。確定使用條件包括預定的 暴露條件，以及由于控制措施、保護方法失效可能造成的不可預定暴露條件。應特別注意那 些已知的會影響材料的硫化氫致裂敏感性因素進行量化。

已知的影響金屬材料在硫化氫環境中開裂敏感性的因素，除了材料性能外，包括有：硫 化氫分壓、原位 pH 值、溶解的氯化物或其他鹵化物濃度、元素硫或其他氧化劑的存在、溫 度、電偶效應、機械應力和與液相水接觸的時間。

6.2 提供的使用環境資料應用于下述一個或幾個目的：

a)  為從現有清單和表格中選擇抗 SSC/SCC 的材料提供基礎資料（見第 7 章）；

b)  根據現場經驗，為選擇和評定材料提供基礎資料（見 8.2)；

c) 用于確定評定材料在含硫化氫環境中的 SSC、SCC、HIC、SOHIC、SZC 和（或）電 偶誘發的氫應力開裂（HSC）的一種或多種的實驗室試驗要求（見 8.3)；

d) 如果實際或計劃中的使用環境發生改變，按照第 7 章，8.2 和（或)8.3，為重新評估 已有結構合金的適用性提供基礎資料。

7. 在硫化物存在的情況下，從現有清單和表格中選擇抗 SSC/SCC 的材料