GB T 20972.1-2007 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.pdf

1、1CS 7518001E 92 a园中华人民共和国国家标准GBT 209721-2007IS0 151561：2001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Petroleum and natural gas industries-Material for use in H2Scontainingenvironments in oil and gas production-Part 1：General principles for selection of cracking。resistant materials2007-0625发布(IS0 15156

2、-1：2001，IDT)2007-1101实施丰瞀鹊鬻瓣警鬟攀瞥星发布中国国家标准化管理委员会促19刖 置GBT 209721-2007ISO 1 5156-1：2001GBT 20972(石油天然气工业油气开采中用于含硫化氢环境的材料分为三个部分；第l部分：选择抗裂纹材料的一般原则；一一第2部分：抗开裂碳钢、低合金钢和铸铁；一第3部分：抗开裂耐蚀合金和其他合金。本部分为GBT 20972的第l部分。本部分等同采用ISO 15156一l：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r其前言部分。GBT 20972是油气开采中用于含

3、硫化氢环境的材料的分部分出版的国家标准。下面列出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IS(9 15156】：2001；第2部分：抗开裂碳钢、低合金钢和铸铁，对应于ISO 15l 562：2003；第3部分：抗开裂耐蚀合金和其他合金，对应于ISO 151 563：2003。本部分由全国石油钻采设备和工具标准化技术委员会(SACTC 96)提出并归E1。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、自真权、

4、罗张东、陈彰兵、傅贺平、夏青、严密林。本部分为首次发布。1范围GBT 209721-20071SO 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(H。s)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

5、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给出了适用干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舳御工设备。注意：按GBT272(所有部分魅舞和评定的金一材料，在油气开采中规定的含硫化氢环境里是抗开裂的，但并不一定在所謇伪使用环境下都可避免开骥。襄1设备袭本部分适用于下列设备用材料 允许的例外设备仅暴露在成分受控的钻井液中的设备8- 钻头防喷器剪切l啊板“钻井、宪井和修井设备 钻井隔水导管系统作业管柱绳索和绳索设备表层和技术套管抽油泵和抽油杆。油气井，包括地下设备、气举设

6、备、 电动潜油泵井口和采油树 其他人工举升设备卡瓦(出油)采气管道、集气(油)管道，矿场设备和 在总绝对压力o45 MPa(65 psi)以下工作的矿场处理装置 原油储存和处理设备在总绝对压力045 MPa(65 psi)以下水处理设备 工作的水处理设备注水和水处理设备。燃气处理装置液体、气体和多相流体输送管道 商业和民用处理气输送管道GBT 209721-2007ISO 15156-1：2001表1(续)本部分适用于下列设备用材料 允许的例外设备对于以上所有设备 只承受压缩载荷的部件8详见1S()1 51552：2003的A232 3。b详见IS0151562；2003的A2321。 绳索润

7、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 MR0176。对于注水和水处理设备，参见NACE RP0475。2规范性引用文件下列文件中的条款通过本部分的引用而成为本部分的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本部分，然而，鼓励根据本部分达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本部分。ISO 15156+2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 151563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(

8、CRAs)和其他合金3术语和定义本部分使用下列术语和定义。31井口防喷器blowout preventer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。32钎焊braze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。33碳钢carbon steel包含有碳和锰元素和一定量的其他合金元素的铁碳合金，但不包括为了脱氧而有意加入的一定量的元素(通常是硅或(和)铝)。注：石油工业中所用碳钢的含碳量通常低于o 8。34采油树christmas tree用于控制采出液或回注井口设备。35冷加工cold 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

9、。通常(不是必须)是在常温下完成的。36耐蚀合金corrosiollresistant 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。2GBT 209721-2007TS0 15156-1：200137铁素体ferrite铁基合金中的一种体心立方晶体。38铁素体钢ferrite steel在室温下，显微组织主要是铁素体的钢材。39硬度hardness金属抵抗塑性变形的能力。通常用金属压痕来测量。310 热影响区heat-affected zone在钎焊，切割或焊接过程中，没被熔化，但是显微组织和性能已经随着加热过程发生了变化的那部分母材。311热处理hea

10、t treatment为了获得所需的性能加热和冷却固体金属和合金的工艺。注：仅为热加工而进行的加热不能作为热处理。312氨致开裂hydrogeninduced cracking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。注；裂纹是由于氢的聚集点压力增大而产生的。氧致开裂的产生不需要施加外部的应力。能够引起HIC的聚集点嚣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(如带状组织)的区域。这种类型的氢致开裂与焊接无关。31 3氢应力开裂hydrogen stress cracking

11、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。注；氢应力开裂描述了一种产生在对硫化物应力开裂(见323)不敏感的金属中的一种裂纹。这种金属作为阴极和另一种活跃腐蚀的金属作为阳极形成电偶，在有氢时，金属就可能变脆。术语电偶诱发的氢应力开裂就是这种机理的开裂。314低合金钢low alloy steel合金元素总量少于5(大约)，但多于碳钢规定的合金元素含量的钢。315显微组织microstructure适当制备的样品在显微镜下检查显示出的一种金属结构。316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

12、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。317残余应力residual stress解除外力和消除温度梯度后，存在于构件中的应力。3GBT 209721-20071SO 15156-1：2001318软区开裂soft zone crackingSSC的一种形式，可能出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。这种软区最有代表性的层与碳钢的焊接有关。319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

13、的油田环境。320阶梯裂纹stcpwise 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问的局部应变和裂纹周围钢由于溶解的氢引起的脆性。HICSWC往往与生产钢管和容器的低强度钢板有关。321应力腐蚀开裂stress corrosion cracking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。322应力定向氢致裂纹stress-oriented hydrogen-induced crackin

14、g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。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。SOHIC与SSC和HICSWC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SOHIC。SOHIC并不是一种常见的现象，其通常与低强度铁索体钢管和压力容器用钢有关。323硫化物应力开裂sulfide stress cracking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。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

15、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。324焊接weld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。325届服强度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t这个应变偏差值既可以用残余变形法表示(通常是02的应变)，也可以用载荷下总伸长法表示(通常是05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

16、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GBT 209721-2007ISO 15156-1：2001GBT 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GBT 20972(所有部分)有关章节的要求和建议。使用GBT 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，

17、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61 在按GBT 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

18、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紊，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。62提供的使用环境资料应用于下述一个或凡个目的：a) 为进行预评定抗SSCSCC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82)；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

19、(HSC)的一种或多种的实验室试验要求(见83)；d) 如果实际或计划中的使用环境发生改变，按照第7章，82和(或)83，为重新评估已有结构台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SCCSSC材料抗SSC的碳钢和低合金钢可以从ISO 1 5I 562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5GBT 209721-2007ISO 15156-1：2001室试验，在规定的冶金环境和力学条件下，所列出

20、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】章注意)。注；标准NACE MR 0l 75的技术要求中所反映的经验已包含在ISf)】5】562和ls()1 5l 563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81 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佳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。82 以现场经验为根据的评定

21、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81的要求。那些已获得经验的使用环境描述应符合61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查结果。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。83以实验室试验为根据的评定831概述实验室的试验应近似现场环境。按GBT 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Is()1 51 56-2和1s()1 5156-3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

22、属材料的评定。例如：在高于正常可接受的硫化氯含量、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HIC、SOHIC、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IS()151562和ISO 1 51 56 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。832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81)。在按1

23、S(j 151562和Is(J 151563的要求进行试验样品时，应考虑这些性能的分布。应用埘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。833实验室试验方法的选择碳钢和低合金钢SSC、HIC、SOHIC和(或)SZC的试验方法应按ISO 1 51 56 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(HSC)的试验方法应按ISO 1 51 56 3要求进行选择。834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碳钢和低合金钢，应从Is(j 15I 562规定中选择标准试验环境和力学试验条件

24、。6GBT 209721-2007ISO 15156-I：2001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 151563规定中选择标准试验环境和力学试验条件。为了评定用予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61)。所采用的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。835验收标准试验验收标准应是ISO 151562和ISO 151563规定的每种试验方法的验收标准。9选择或评定方法的报

25、告按本部分进行的材料选择或评定，按照GBT 20972本部分，应有下列的a)和其余b)、c)、d)中之一用报告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6I)。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 151562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：1) 已进行选择和评定的开裂机理2)所用的材料(见81)3)现场经验(见82)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；1) 已进行选择和评定的开裂机理l2)用于实验室试验选择的材料(见8

26、1)；3) 实验室样品的选择，取样和制备(见832)；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833)；5)证明试验结果符合ISO 15156-2和ISO 151563规定(见83)。GBT 209721-20071S0 151561：200112345E67参考文献ANSI NACE MR 0175油田设备用抗硫化物应力开裂的金属材料ANSI NACE TM 01 77 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摩试验ANSI NACE TM 0284管线和压力容器用钢的氢致开裂评价ANSI NACE MR 0176腐蚀性油田环境中抽油泵金属材料EFC Publication 16油气开采中硫化氢环境碳钢和低合金钢材料要求指南EFC Publication 1 7油气开采用耐蚀合金：硫化氢环境中的一般要求和试验方法指南NACE Standard RP 0475用于含油地层注水处理所有过程的金属材料的选择