石油天然气工业—油气开采中用于含 H2S 环境的材料

第 1 部分：抗开裂材料选择的一般原则

警告：按 ISO 15156 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。选择适合预期使用环境的材料是设 备使用者的责任。

1. 范围

ISO 15156 这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，可能给工 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。

ISO 15156 这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氢应力 开裂。

表 1 给出了适用于 ISO 15156 部分的不详尽的设备清单，包括了允许的例外。

ISO 15156 本部分适用于使用负荷可控设计方法来设计和建造的设备所用材料的评定和 选择。当设计采用应变为基础的设计方法时，见第 5 节。

ISO 15156 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

下列所有或部分引用文件对于本文件的应用是不可缺少的。对于注明日期的引用文件， 只有引用的版本适用。对于未注明日期的引用文件，引用文件的最新版本（包括任何修订本） 适用。

ISO 15156-2：2015，石油天然气工业 油气开采中用于含硫化氢环境的材料 第 2 部分： 抗开裂碳钢、低合金钢和铸铁

ISO 15156-3：2015，石油天然气工业 油气开采中用于含硫化氢环境的材料 第 3 部分： 抗开裂耐蚀合金（CRAs）和其他合金

表 1 设备表

3. 术语和定义

本文件适用于下列术语和定义。

3.1 防喷器，BOP 在钻井作业中，用于控制油气井流体和钻井液压力的一种承压机械装置。

3.2 钎焊 在金属之间通过充满薄界面层低熔点非铁金属填充物而将它们连接。

3.3 碳钢

含碳质量分数小于 2%、含锰质量分数小于 1.65%的铁碳合金，除了含为脱氧而有意添 加规定量的元素（通常是硅和/或铝）外，还有残留量的其他元素。

出处注释 1：石油工业中所用碳钢的含碳质量分数通常低于 0.8%。

3.4 采油树 用于控制采出液或回注井口设备。

3.5 冷加工 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，CRA 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（3.3）会受到

腐蚀。

3.7 铁素体 铁基合金中的一种体心立方晶体

3.8 铁素体钢 在室温下，显微组织（3.15）主要是铁素体（3.7）的钢材。

3.9 硬度 金属抵抗塑性变形的能力。通常用金属压痕来测量。

3.10 热影响区 在钎焊，切割或焊接过程中，没被熔化，但是显微组织（3.15）和性能已经随着加热过

程发生了变化的那部分母材。

3.11 热处理，HAZ 为了获得所需的性能加热和冷却固体金属和合金的工艺。

出处注释 1：仅为热加工而进行的加热不能作为热处理。

3.12 氢致开裂，HIC 为氢原子扩散进钢铁中并在陷阱处结合成氢分子（氢气）时所引起的在碳钢和低合金钢

中的平面裂纹。

出处注释 1：裂纹是由于氢的聚集点压力增大而产生的。氢致开裂的产生不需要施加外部的应力。能 够引起 HIC 的聚集点常常在于钢中杂质水平较高的地方，那是由于杂质偏析和在钢中合金元素形成的具有 较高密度的平面型夹渣和（或）具有异常显微组织（3.15）（如带状组织）的区域。这种类型的氢致开裂与 焊接无关。

3.13 氢应力开裂，HSC 金属在有氢和拉应力（残留的或施加的）存在的情况下出现的一种裂纹。

出处注释 1：HSC 描述了一种产生在对 SSC 不敏感的金属中的一种开裂。当该金属作为阴极和另一种 作为阳极的腐蚀活跃的金属形成电偶时，可能会氢脆。此类电偶诱发的氢应力开理解就是这种机理的开裂。

3.14 低合金钢

合金元素总量少于 5％（质量分数），但多于碳钢（3.3）规定的合金元素含量的钢。

3.15 显微组织 适当制备的样品在显微镜下检查显示出的一种金属结构。

3.16 分压 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。 出处注释 1：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 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，SZC

SSC 的一种形式，可能出现于钢局部屈服强度低的软区。

出处注释 1：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。这种软区最有代表性的层与碳钢（3.3）的焊接有关。

3.19 酸性中使用

暴露于含有硫化氢并能够引起材料按 ISO 15156 本部分所描述的机理开裂的油田环境。

3.20 阶梯裂纹，SWC 在钢材中连接相邻平面内的氢致开裂的一种裂纹。

出处注释 1：这个术语描述了裂纹的外貌。连接氢致升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，SCC 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。

出处注释 1：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 应力定向氢致裂纹，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 HIC 裂纹连接起来的（往往细小的）一组裂纹。

出处注释 1：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。SOHIC 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（HAZ）（3.10）都观察到 SOHIC。 SOHIC 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，SSC 在有水和硫化氢存在的情况下，与腐蚀和拉应力（残留的和（或）施加的）有关的一种

金属开裂。

出处注释 1：SSC 是氢应力开裂（HSC)（3.13）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。

3.24 焊接 采取加热和（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 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。

出处注释 1：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 HIC 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

ISO 15156 系列的用户应首先评估材料期望选择可以暴露的条件。这些条件应按照 ISO 15156 本部分来进行评估，定义和文件记录。

设备用户应确定服役条件是否适用于 ISO 15156 系列。

应按照适用的 ISO 15156-2 或 ISO 15156-3 的要求和建议来进行材料选择。

ISO 15156-2 或 ISO 15156-3 的使用可能要求设备用户和设备或材料供应商之间交换信 息（例如要求的或合适的服役条件相关的信息）。如果有必要的话，设备用户应为服役条件 的其他参与方提供建议。

注：设备供应商可能有必要与设备制造商、材料供应商和/或材料制造商交换信息。

在定义服役条件下使用的，且与某一特殊失效模式相关的合格证书也可以证明在其他服 役条件下使用的材料是否等于或低于执行过鉴定的条件的所有方面要求。

设备用户有责任确保设备使用所规定的任何材料能满意地满足服役环境要求。 设备或材料供应商负责满足冶金和制造要求，当必要时，在进入服役状态中的选定材料，

还需负责满足 ISO 15156 系列的任何附加试验要求。

设备或材料供应商负责满足 ISO 15156-2:2015, 第 9 节, 或 ISO 15156-3:2015, 7.2 中的材 料标记/文件记录要求。

ISO 15156本部分适用于采用负荷可控设计方法设计和建造的设备的材料鉴定和选择。 当设计采用应变为基础的设计方法时，使用ISO 15156 本部分可能是不合适的，可以要求使

用ISO 15156 中没有列出的其它试验方法。设备/材料供应商应联合设备用户来定义和协定 其它试验要求和验证准则。

6. 选择材料的使用环境的评价和定义

6.1 在按 ISO 15156-2 和 ISO 15156-3 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开裂敏感性的因素，除了材料性能外，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)  为从现有清单和表格中选择抗 SSC/SCC 的材料提供基础资料（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、HIC、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，从现有清单和表格中选择抗 SSC/SCC 的材料

抗 SSC 的碳钢和低合金钢可以从 ISO 15156-2:2015, 附录 A 识别的材料中选择。

抗 SSC、SCC 的耐蚀合金和其他合金可以从按 ISO 15156-3:2015, 附录 A 识别的材料中 选择。

通常，用这些方法选择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，所列出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（见警告）。

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