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NACE MR 0103 中文版

发布日期:2019-01-14    浏览量:1037次
1. 范围
本国际标准规定了酸性石油精炼环境和含 H2S 气体或 H2S 溶解在带或不带烃的水相介 质中的相关处理环境抗硫化应力开裂材料的要求。本国际标准不包括,也没有计划包含设计 规范。H2S 湿气的其他开裂形式、环境开裂、腐蚀和其他失效模式不在本国际标准规定的范 围之内。以供精炼厂、设备制造商、工程承包商和建筑承包商使用。
本国际标准专门用于防止精炼工业用设备(包括压力容器、热交换炉、管道、阀体、泵 和压缩机箱)和部件发生的硫化应力开裂。ASME 锅炉和压力容器规范第 IX 章中归于 P-No.1 类别下的碳钢,对其硫化应力开裂的预防要求与 NACE PR0472 相一致。
本国际标准适用于裸露于酸性精炼环境(见第 6 条)中的所有设备部件,这些部位出现 硫化应力开裂将会导致(1)危及承压系统的整体性;(2)妨碍设备的基本功能;和/或(3) 仍然处于承压状态下,但设备却无法恢复到某一操作状态。
 
 
2. 规范性引用文件
下列全部或部分文件在本文件内被规范性引用,且是其应用中必不可少的组成部分。凡 是注明日期的引用文件,只有所列版本适用。凡是不注明日期的引用文件,其最新版本(包 括所有的修改单)适用。
NACE 标准 TM0177,金属在 H2S 环境中抗硫化物应力开裂和应力腐蚀开裂的实验室试
验1
 
ANSI/NACE MR0175/ISO 15156,石油和天然气工业—油气开采中用于含 H2S 环境的材 料 1)
ASTM A833,比较硬度测试仪测量金属材料压痕硬度的标准规程 ASTM E384,材料的努氏和维氏硬度标准试验方法
ASTM E562,用系统人工点计数法测定体积分数的试验方法 SAE AMS2430,自动喷丸
 
 
1 NACE 国际, 1440 South Creek Dr., Houston, TX 77084-4906, USA。
 
 
 
 
3. 术语和定义
本文件适用于下列术语和定义。
 
3.1
低转变温度 lower transformation temperature Ac1
加热过程中奥氏体开始转变时的温度。
 
3.2
高转变温度
 
Ac3
加热期间,铁素体完全转变为奥氏体时的温度。
 
3.3
合金钢
 
碳(通常小于 2.5%)和锰(通常不小于 0.25%)组成的铁合金,除了锰,硅,和铜元 素外,其对一种或多种合金元素都规定了最低含量,且不规定最低镍含量大于等于 10%。 3.4
奥氏体不锈钢 室温下,显微组织为主要为奥氏体组织的不锈钢。
3.5
碳钢 carbon steel
碳(通常小于 2.5%)和锰(通常不小于 0.25%)组成的铁合金,除了锰,硅,和铜元 素外,其对任何合金元未规定最低含量,且除了碳,硅,锰,铜和硫外偶尔还含有其它(杂 质)元素。
3.6
覆层 施加在相对不耐腐蚀的基材的整个润湿表面上的耐腐蚀合金材料的冶金结合层(辊压接
合,爆炸接合或焊接重叠)。
 
条目注 1:参见堆焊。
 
3.7
双相不锈钢
 
 
铁素体/奥氏体不锈钢 室温下显微组织主要为铁素体和奥氏体组织的不锈钢。
3.8
 
最终用户 对组件(例如,压力容器,管道,泵,压缩机等)拥有所有权和运行权的机构或公司。
3.9
 
铁素体不锈钢 室温下显微组织主要为铁素体组织的不锈钢。
3.10
 
不锈钢
 
铬质量百分含量在 10.5%及以上的铁合金,为保证其它性能可能添加其它元素。
 
3.11
 
硫化物应力开裂
 
SSC
指存在水和 H2S 时,在拉应力和腐蚀共同作用下造成金属开裂。(SSC 是氢致应力开裂 的一种形态)。
3.12
热喷涂涂层 高温处理过程,将细金属或非金属粉末以熔融状态或半熔融状态下沉积以便在冷却时在
表面形成的一种涂层。
 
3.13
耐腐蚀堆焊 在基体材料表层沉积一层或多层耐腐蚀焊接金属以便提高表面的耐腐蚀性能。 条目注 1:参见覆层。
3.14
硬表面堆焊 在材料表面沉积一层或多层堆焊金属以便提高表面的耐磨性能。
 
 
4. 符号和缩略语
 
 
ANSI 美国国家标准学会
API 美国石油学会
ASME ASME (原名美国机械工程师学会) AWS 美国焊接学会
BPVC 锅炉及压力容器规范
HAZ 热影响区
HI 热输入
HIC 氢气诱发的开裂
NACE NACE 国际 (原名美国防腐工程师协会)
ppmw 按质量计的百万分之一,SI 单位通常表示为毫克/千克
PQR 程序鉴定记录
PREN 蚀点抗力当量数
PWHT 焊后热处理
SOHIC 应力导向的氢诱发开裂
SSC 硫化应力开裂
UNS 统一编号系统(金属和合金)
WPQT 焊接工艺评定试验
 
 
5. 责任
5.1 最终用户的责任
5.1.1 明确操作条件和规定什么时候本国际标准适用是最终用户的责任(或最终用户的代理 人)。
5.1.2 确保材料满足预期的使用环境是最终用户(最终用户的代理人)的责任。最终用户(最 终用户的代理人)可以基于所使用的压力、温度、腐蚀性、介质性质等操作工况选择特定的 材料。对任一给定部件来说,根据本国际标准都可以选出众多候选材料。也可根据下列方法 之一选择使用清单之外的材料:
a) 如果基于科学知识和/或经验数据所做的金相检查显示具有足够的抗硫化应力开裂 能力。那么可根据第 9 条中规定的方法,提议将这些材料收录到本标准中。
b) 如果通过风险分析显示在所研究的用途下,硫化应力开裂的出现是可以接受的。
 
 
的范围之内,但在设计和设备操作时应予以考虑。恶劣的腐蚀性环境和/或充入氢气的工况 可能会导致除硫化应力开裂机理以外的其他失效机理,应用本国际标准范围以外的其他方法 减少这种情况的发生。
5.2 制造商的责任 制造商的责任是满足本国际标准的金相要求。
 
 
6. 促使硫化应力开裂(SSC)的因素
6.1 影响硫化应力开裂(SSC)的常规参数 精炼设备的硫化应力开裂受许多参数间复杂的相互作用的影响,包括以下参数: a)裸露于酸性环境中的材料的化学成分、强度(用硬度表示)、热处理和显微结构; b)材料中存在的总拉伸应力(施加的拉伸应力加上残余的拉伸应力); c)材料中所产生的氢气通量(是环境的作用,即自由水、H2S 浓度、pH 值和其他环境
参数(例如:游离态的氰化物的存在和二价硫化物离子的浓度)的存在);
 
d)温度; e)时间。
6.2 材料状态及应力水平对 SSC 敏感性的影响
6.2.1 材料对硫化应力开裂的敏感性主要与材料的强度(用硬度表示)有关,材料强度受材 料的化学成分、热处理和显微结构的影响。通常,高硬度的材料具有较高的硫化应力开裂敏 感性。
6.2.2 精炼压力容器和管道用碳钢在典型 H2S 湿气环境用的硫化应力开裂情况通常不太关 注,因为这些钢的硬度水平足够低。
6.2.3  对于不恰当热处理材料、堆焊和热影响(HAZ),但是,局部硬度可能会很高。
6.2.4 给定材料的敏感性会随着拉伸应力的增加而增加。
6.2.5 残余应力会增加总体的拉伸应力水平。与焊缝有关的高残余应力会增加硫化应力开裂 的敏感性。
6.2.6 无论残余应力减不减小,都要控制焊接件的硬度,这是公认的防止硫化应力开裂的有 效方法,如 NACE SP0472 关于 P-No. 1 碳钢的概述。
6.3 氢渗透流量对 SSC 的影响
6.3.1 硫化应力开裂敏感性还与氢气在钢中的渗透量有关,这主要与两个环境参数有关:pH 值和水中硫化物的含量。在处于均衡状态下的封闭系统中,溶解的硫化氢(H2Saq),二价硫
 
 
化物离子(HS-)和硫化物离子(S2-)(有时称为“可溶硫化物”)以不同的 pH 值存在于水溶液中。 6.3.2 在图 A.1 中所示的硫化物种类分布图表明了存在于 25 °C (77°F)的水溶液中以 pH 值 作为依据的硫化物相关含量。在 pH 值小于 6 时,溶解的硫化氢 H2Saq 为存在于水相中硫化 物种类的主要含量(>总量的 90%)。在 pH 值为 8 和 11 之间时,二价硫化物离子(HS-)为 存在于水相中硫化物种类的主要含量(>总量的 90%)。在 pH 值大于 13 时,硫化物离子(S2-) 为存在于水相中硫化物种类的主要含量(>总量的 90%)。在 pH 值为 7 时,系统中含有 50% H2Saq,50% HS-,而实质上没有硫化物离子(S2-)。在 pH 值为 12 时,系统中含有 50% HS-, 50% S2-,而实质上没有 H2Saq。因此,总的硫化物含量指的是存在于水相中的 3 种硫化物种 类的总含量(即 H2Saq, HS-和 S2-的总和)。
6.3.3 典型地研究发现在近中性的 pH 溶液中,钢中的氢气通量最低,而在 pH 较低和较高的 区域,氢气通量有所增加。低 pH 值区域的腐蚀是由 H2Saq 导致的,而高 pH 值区域的腐蚀 是由于高浓度的二价硫化物离子(HS-)导致的。
6.3.4 在许多精炼酸性液体环境中存在着溶解氨,氨会增加 pH 值从而增加 H2S 的溶解度, 这就导致了较高的二价硫化物离子浓度。在高 pH 值区域,游离态氰化物的存在(它包括溶 解的氰化氢(HCNaq)和氰化物离子(CN-))则会进一步恶化原子氢渗透到钢中的程度。虽 然,硫化应力开裂敏感性会随着水相的 H2S 含量的增加而增加,然而,在促使活性氢气渗 透的条件下,水中存在哪怕只有 1 ppmw 那么少的水相中 H2S 也足以导致硫化应力开裂。 6.3.5 对于碳钢,已知会导致硫化应力开裂的环境工况是那些含有自由水(液相)和以下任 一操作:
a) 自由水中溶解的硫化物超过了 50 ppmw,或
b)自由水的 pH<4,而且存在着溶解的总硫化物等于大于 1 ppmw,或
c) 自由水的 pH>7.6,在水中溶解的总硫化物等于大于 1 ppmw 和含有游离态氰化物等 于大于 20ppmw,或
d) 在气相与水相混合的过程中所产生的 H2S 绝对分压力超过了 0.3 kPa(0.05 psia)。 6.3.6 精炼的高 pH 酸性环境有别于 MACE MR0175/ISO 15156 所述的石油和天然气开采的 酸性环境,因为石油和天然气开采过程中许多酸性湿气中还含有二氧化碳气,因此显示较低   的 pH 值。另一较大的区别是精炼酸性环境中的氯离子浓度比石油开采酸性环境中的氯化物 离子要低很多。
6.4 高温暴露对 SSC 的影响 如果高温不能去除(液相)自由水,那么随着温度的升高将会增加氢气渗透的可能。高
 
 
温可促进 H2S 的分解(因此会产生更多的氢原子),增加氢原子在金属中的扩散率,从而促 进氢的渗透。但是,开裂是在接近室温时变得最大化。这个特性很重要,因为金属在高温裸 露的情况下会被氢渗透,并在后来逐渐降到较低温度(例如在停机过程中)的过程中出现开 裂。
6.5 由于 SSC 造成的失效时间的影响因素 出现失效的时间随着材料强度、总的拉伸应力和环境渗透可能性的增加而缩短。如果有
增加硫化应力开裂敏感性的其他因素,那么导致硫化应力开裂的裸露时间会很短。某些敏感 设备甚至会在经历短暂的酸性水环境过程中失效,例如在设备停机过程中。
6.6 确定设备是否涵盖在本国际标准范围内的依据 最终用户(或最终用户的代理人)应判定工艺环境中是否存在有导致硫化应力开裂的关
键参数,判定设备是否属于本国际标准范围内。最终用户(或最终用户的代理人)可以根据 经验、风险分析,或上述原则(特别是 6.3 和 6.4 节中提供的环境条件)做出判定。在用这 些原则判定设备是否在本国际标准范围内时,应考虑各厂间的操作模式以及对材料结构的可 能影响,即常规操作、非常规操作、(将来可能的)备选操作模式、以及启动/关闭工况(例 如,催化剂的预先硫化等)。
 
……
 
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