ICS 75. 180.01

E 92

中华人民共和国国家标准

GB/T 20972.1—2007/ISO 15156-1 _s2001

石油天然气工业

油气开釆中用于含硫化氢环境的材料

第1部分:选择抗裂纹材料的一般原则

PetrOIeUm and natural gas industries—MateriaI for USe in H₂S-Containing environments in oil and gas PrOdUCtlOII一

Part 1 ； GeneraI principles for SeIeCtiOn Of CraCking-resistant materials

(ISO 15156-1:2001,IDT)

2007-06-25 发布

中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局買布 中国国家标准化管理委员会发布

GB/T 20972«石油天然气工业油气开釆中用于含硫化氢环境的材料》分为三个部分：

——第1部分:选择抗裂纹材料的一般原则；

--第2部分:抗开裂碳钢、低合金钢和铸铁；

——第3部分:抗开裂耐蚀合金和其他合金。

本部分为GB/T 20972的第1部分。.

本部分等同采用ISO 15156-1:2001«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:选择抗裂纹材料的一般原则》(英文版),并删除了其前言部分。

GB/T 20972是油气开采中用于含硫化類环境的材料的分部分出版的国家标准。下面列岀本国家 标准的结构及对应的ISO标准。

第1部分:选择抗裂纹材料的一般原则，对应于ISO 15156-1:2001；

第2部分;抗开裂碳钢、低合金钢和铸铁,对应于ISO 15156-2：2003；

第3部分:抗开裂耐蚀合金和其他合金,对应于ISO 15156-3:2003。

本部分由全国石油钻采设备和工具标准化技术委员会(SAC/TC 96)提出并归口 _α

本部分负责起草单位：中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司。

本部分参加起草单位：中国石油西南油气田分公司；中国石油天然气集团公司管材研究所。

本部分主要起草人:姜放、汤晓勇、饶威、郭绪明、戴海黔、白真权、罗张东、陈彰兵、傅贺平、夏青、 严密林。

本部分为首次发布。

石油天然气工业 油气开釆中用于含硫化氢环境的材料 第1部分:选择抗裂纹材料的一般原则

1范围

本部分叙述并提出了在石油天然气生产以及脱硫装置中处于硫化氢(H2S)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。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。

本部分描述了所有由硫化氢所引起的腐蚀开裂机理,包括硫化物应力开裂、应力腐蚀开裂、氢致开 裂及阶梯型裂纹、应力定向氢致开裂、软区开裂和电偶诱发的気应力开裂。

表1给出了适用于本部分的不详尽的设备清单,包括了允许的例外。

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。

本部分不一定适用于炼油或下游的加工设备。

注意:按GB/T 20972(所有部分)选择和评定的金属材料，在油气开采中规定的含硫化氢环境里是

抗开裂的，但并不一定在所有的使用环境下都可避免开裂。

表1设备表

表1 （续）

a 详见 ISO 151S6-2：2OO3 的 A. 2.3. 2. 3。

^b 详见 ISO 15156-2:2003 的 A. 2.3.2. 1。

^C绳索润滑器和润滑器连接装置不允许例外。

^d对于抽油泵和抽油杆,参见NACE^Jg!* ^e对于注水和水处理设备.参见X^ERPO475

2规范性引用文件

3术语和定义

碳钢 CarbOn SteeI \二/%⅛

包含有碳和镒元素和淳穎賢 的元素（通常是硅或（和）铝）。

注：石油工业中所用碳钢的含碳量

3.4

釆油树 ChriStmaS tree

用于控制釆出液或回注井口设备。

3.5

冷加工 COId Work

在能够产生加工硬化的温度和变形率的条件下的金属塑性变形的工艺过程。通常（不是必须）是在 常温下完成的。

3.6

耐蚀合金 CorrOSiOn-resistant alloy

是用来抗油田环境中的均匀和局部腐蚀的合金。在该油田环境中，碳钢会受到腐蚀。

用金属压痕来测量。

金的工艺。

冷却固体金

钢和

弟加外部的应

間•

的区域。这种类

隗与焊接无

Ogen Stre郵 CraCklng

或施加的）存

（残留

产生

E、而

的地方,

不需要

的氢致开

聚集点压力

质水平较高

显微组织例

金属

语电

.23

极形成电偶,在有氢时.金属就可能变脆α

能加热

亍的加热不5为热处理。

合金钢中的平面

够引起HlC的聚集点

高密度的平面型夹渣

的钢。

分压 Partial PreSSUre

在同样温度下,混合气体中一种组份单独充满该混合气体所占的体积产生的压力。

注：对于一种理想的混合气体.每一种组分的分压等于总压力乘以其在混合气体中的摩尔分数，而此时摩尔分数等 于其体积分数。

3. 17

残余应力 FeSidUaI StreSS

解除外力和消除温度梯度后,存在于构件中的应力。

3. 18

软区开裂 SOft ZOne CraCking

SSC的一种形式,可能岀现于钢局部屈服强度低的软区。

注：在操作的载荷作用下,软区可能会屈服,并局部累计塑性应变使一种在别的情况下抗SSC材料发生SSC开裂敏 感性增加。这种软区最有代羨性的层与碳钢的焊接有关。

3. 19

酸性中使用 SOUr SerViCe

暴露于含有硫化氢并能够引起材料按本部分所描述的机理开裂的油田环境。

3.20

阶梯裂纹 StePWiSe CraCking

在钢材中连接相邻平面内的氢致开裂的一种裂纹。

注：这个术语描述了裂纹的外貌。连接氢致开裂而产生的阶梯裂纹取决于裂纹间的局部应变和裂纹周围钢由于溶 解的氢引起的脆性。HIC/SWC往往与生产钢管和容器的低强度钢板有关。

3.21

应力腐蚀开裂 StreSS COrrOSiOn CraCkiQg

在有水和硫化氢存在的情况下,与局部腐蚀的阳极过程和拉应力（残留的或施加的）相关的一种金 属开裂。

注：氯化物和（或）氧化剂和高温能增加金属产生应力腐蚀开裂的敏感性。

3.22

应力定向氟致裂紋 StreSS-Oriented IIydrOgelI-induced CraCking

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HlC 裂纹连接起来的（往往细小的）一组裂纹。

注：这种开裂可被归类为由外应力和氢致开裂周围的局部应变引起的SSC。SOHlC与SSC和HIC/SWC有关。在 纵焊缝钢管的母材和压力容器焊缝的热影响区都观察到SOHlC_O SOHlC并不是一种常见的现象,其通常与低 强度铁素体钢管和压力容器用钢有关。

3.23

硫化物应力开裂 SUIfide StreSS CraCking

在有水和硫化氨存在的情况下,与腐蚀和拉应力（残留的和（或）施加的）有关的一种金属开裂。

注：SSC是氢应力开裂（HSC）的一种形式，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，增加裂纹的敏感性。高强度金属 材料和较硬的焊缝区域易于发生SSC_a

3.24

焊接WeId

釆取加热和（或）加压的方式将两个或多个金属件连接起来,这种连接方式既可以有填充金属也可 以没有填充金属。通过在接触面上基材的局部熔化和凝固形成一个接头。

3.25

屈服强度 yield Strength

材料应力和应变的线性比例呈现发生一定的偏差时的应力值。

注：这个应变偏差值既可以用残余变形法表示（通常是0. 2%的应变），也可以用载荷下总伸长法表示（通常是 0.5%的应变〉。

4缩略语

BOP井口防喷器

CRA耐蚀合金

HAZ热影响区

HlC氢致开裂

HSC氢应力开裂

SCC应力腐蚀开裂

SOHIC应力定向氢致裂纹

SWC阶梯裂纹

SSC硫化物应力开裂

SZC软区开裂

5 一般原则

GB/T 20972（所有部分）的用户首先应评估希望选取的材料所接触的环境。评价、定义和根据资料 确认这些环境应符合本部分的要求，材料的选择应遵循GB/T 20972（所有部分）有关章节的要求和 建议。

使用GB/T 20972的其他部分可能需要设备使用者和材料供应商之间交换信息（比如涉及的要求 或适合的使用环境）。

注：设备供应商可能需要和设备制造商、材料供应商和（或）材料生产商交换信息。

用于确定使用条件的特殊失效模式方面的评定,是对在使用条件苛刻性方面与已评定的使用条件 相当或不甚苛刻的其他使用条件下使用方面的评定。设备使用者应当确定设备的使用环境是否是和本 部分中应用环境一致,如果必要,设备使用者应请教工况一致的其他用户。

本部分适用于那些按照惯用的弹性设计准则进行设计和制造设备所用材料的选择和评定。对于按 塑性设计准则（比如以基于应变和极限状态设计）的情况，用本部分可能并不适合，此时,设备的使用者 评估其他需求是必要的。

6选择材料的使用环境的评价和定义

6. 1在按GB/T 20972的其他部分进行材料的选择和评定之前,设备的使用者应对每种用途材料可能 暴露的使用条件进行确认、评定并以文件记载。确定使用条件包括预定的暴露条件，以及由于控制措 施、保护方法失效可能造成的不可预定暴露条件。应特别注意那些已知的会影响材料的硫化氢致裂敏 感性因素进行量化。

已知的影响金属材料在硫化氢环境中升裂敏感性的因素，除了村料性能外,包括有:硫化氢分压、原 位PH值、溶解的氯化物或其他卤化物浓度、元素硫或其他氧化剂的存在、温度、电偶效应、机械应力和 与液相水接触的时间。

6.2提供的使用环境资料应用于下述一个或几个目的：

a） 为进行预评定抗SSC/SCC材料的选择提供基础资料（见第7章）；

b） 根据现场经验,为选择和评定材料提供基础资料（见8.2）；

C）用于确定评定材料在含硫化氢环境中的SSC、SCC、HlC、SOHIC、SZC和（或）电偶诱发的氢应 力开裂（HSC）的一种或多种的实验室试验要求（见8. 3）；

d）如果实际或计划中的使用环境发生改变,按照第7章,8. 2和（或）8. 3,为重新评估已有结构合 金的适用性提供基础资料。

7在硫化物存在的情况下，选择已评定合格的抗SCC：/SSC材料

抗SSC的碳钢和低合金钢可以从ISO 15156-2规定的已评定合格材料中选择。

抗SSC、SCC的耐蚀合金和其他合金钢可以从按ISO 15156-3规定的已评定合格材料中进行选择。 通常,用这些方法选择已评定合格材料不需要另外的实验室试验。因为基于现场经验和（或）实验 室试验,在规定的冶金环境和力学条件下,所列岀的资料具有可以接受的性能。不过设备的使用者在考 虑到材料失效的潜在后果,应考虑对使用材料进行特殊试验（参见第1章注意）。

注：标准NACE MR 0175的技术要求中所反映的经验，已包含在ISO 15156-2和IsO 15156-3的已评定合格的材料 列表中。

8用于硫化氢环境材料的评定

8.1材料的使用说明和证明文件

应提供对评定的材料的描述和有关资料,以便定义那些在含有硫化氢的介质中易于影响性能的特 性。应该描述和提供材料可能发生的容许偏差和范围的资料。

在含硫化氢的环境中已知影响材料性能的冶金特性有:化学成分、制造方法、产品形式、强度、硬度、 冷加工量、热处理条件和微观结构。

8.2以现场经验为根据的评定

可以根据提供的现场经验资料进行材料的评定。材料的描述应符合8.1的要求。那些已获得经验 的使用环境描述应符合6.1的相关要求。提供的现场经验至少经过持续两年时间验证,并且最好包括 一个现场使用之后的设备全面检査结果。预想的使用环境苛刻程度不能超过提供的现场经验所处的 环境。

8.3以实验室试验为根据的评定

8.3. 1概述

实验室的试验应近似现场环境。

按GB/T 20972（所有部分）进行的实验室试验可以用于下述情况：

——评定金属材料在极限使用环境中抗SSC和（或）SCC的性能，适用于ISO 15156-2和ISO 15156-3中列出的已评定合格的或类似的材料。

——在有其他限制的使用环境下,进行抗SSC和（或）SCC金属材料的评定。

例如:在高于正常可接受的硫化氢含量、低于正常所需的试验应力或改变极限温度、或降低PH值 时,进行金属材料的评定。

——关于碳钢和低合金钢抗HlC、SoHlC、或SZC的评定。

——关于耐蚀合金和其他合金抗电偶诱发氢应力开裂（HSC）的评定。

——对没有出现在ISo 15156-2和ISO 15156-3中现已评定合格的材料中的材料提供评定数据，以 便这些评定数据以后可以被考虑包括在确认材料中。

8.3.2实验室试验的材料取样

实验室试验的材料的取样方法应得到设备使用者的审查和同意。

试验样品应能够代表商业产品.

对于按同一技术规范生产的多批次材料,应进行在含有硫化氢的环境中影响开裂行为性能的评价 （见8.1）。在按ISO 15156-2和ISO 15156-3的要求进行试验样品时,应考虑这些性能的分布。应用对 硫化氢开裂敏感性最大的冶金条件下生产的材料作为选择的试验样品。

应提供样品的材料来源、样品制备方法和表面状况的资料。

8.3.3实验室试验方法的选择

碳钢和低合金钢SSC、HlC、SoHlC和（或）SZC的试验方法应按ISO 15156-2要求进行选择。

耐蚀合金和其他合金SSC.SCC和电偶诱发氢应力开裂（HSe）的试验方法应按ISO 15156-3要求 进行选择。

8.3.4试验中采用的条件

为评定一般的酸性环境使用或苛刻使用范围的礙钢和低合金钢,应从ISO 15156-2规定中选择标 准试验环境和力学试验条件。

为了评定在适合于各种合金类型的限制使用范围的耐蚀合金和其他合金,应从ISo 15156-3规定 中选择标准试验环境和力学试验条件。

为了评定用于特殊使用环境的材料,设备的使用者应注意确保试验条件和得到的试验结果适用于 特定的使用环境。考虑到每种可能的失效模式,所有试验条件应至少和现场的使用环境一样苛刻（见 6.1）。所釆用的PH值应能代表现场的原位PH值。

设备的使用者应提供选择特殊使用的试验环境和力学试验条件理由的资料。

8.3.5验收标准

试验验收标准应是ISO 15156-2和ISO 15156-3规定的每种试验方法的验收标准。

9选择或评定方法的报吿

按本部分进行的材料选择或评定,按照GB/T 20972本部分,应有下列的a）和其余b）、c）、d）中之 一用报吿提供选择方法的资料。设备使用者应负责保证准备所需的文件。

a） 所有材料的使用环境评估结果（见6.1）_o

b） 对于被选为SSC和（或）SCC已评定合格的材料（见第7章），文件编写参考ISo 15156-2和 ISO 15156-3相关的章节。

C）基于现场经验选择的材料,文件应描述下述内容：

D 已进行选择和评定的开裂机理；

2） 所用的材料（见8.1）；

3） 现场经验（见&2）；

d）基于通过实验室试验的评定选择的材料,试验报告应描述下述内容：

D已进行选择和评定的开裂机理；

2） 用于实验室试验选择的材料（见8.1）；

3） 实验室样品的选择,取样和制备（见8. 3.2）；

4） 为材料的评定而进行试验的试验环境和试验物理条件的正当理由（见8. 3. 3）；

5） 证明试验结果符合ISO 15156-2和ISo 15156-3规定（见8. 3） _α

参考文献

El] ANSI NACE MR 0175油田设备用抗硫化物应力开裂的金属材料.

[2] ANSI NACE TM 0177硫化氢环境中金属的抗硫化物应力开裂和应力腐蚀开裂试验室

管线和压力容器用钢的氢致开裂评价. 腐蚀性油田环境中抽油泵金属材料.

• [5] EFC PUbli_CatiOn 16油气开采中硫化氢环境碳钢和低合金钢材料要求指南.

• [6] EFC Publication 17油气开釆用耐蚀合金:硫化氢环境中的一般要求和试验方法指南.

m NACE St_andard RP 0475用于含油地层注水处理所有过程的金属材料的选择.

版权专有侵权必究

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书号：155066 . 1-30002