PS抗腐蚀性部件的选材标准选择流体系统部件用于酸性油田

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1、4208-2011生产现场生产现场通用设备许多流体系统部件，包括管子、卡套接头、球阀、双关断排放阀、阀组和压力表等，被广泛应用于油气行业。这些部件由不同的结构材料组成，满足工业标准要求并提供安全可靠的服务。文/ Gerhard Schiroky抗腐蚀性部件的选材标准选择流体系统部件用于酸性油田当从 储 层 开 采 油 和 气 到 表 层 时， 恶劣 的 工 况 条 件 对 结 构 材 料 提 出 了 很 高 的要 求， 普 通 的 材 料 无 法 满 足 要 求。 海 洋环 境 存 在 多 重 威 胁 会 导 致 部 件 损 坏， 精确 度 降 低， 并 最 终 失 效。 潜 在 的 威 胁

2、机制包括局部腐蚀、 应力腐蚀开裂（ SCC）和硫化物应力开裂（ SSC） 。随着人们对酸 性 储 层 开 发 越 来 越 多， SSC 不 断 地 出现， 譬 如 位 于 里 海 北 部 的 储 层 含 有 高 达20% 的 硫 化 氢（ H2S） 。 当 发 生 非 生 物 和生 物 反 应 时（ 后 者 在 从 硫 化 物 到 H2S 的反 应 中 有 微 生 物 的 参 与 ） ， 老 化 的 储 层也 会 变 酸。 本 文 描 述 了 如 何 选 择 最 佳 的结 构 材 料 并 考 虑 制 造 工 艺 的 影 响， 这 样可 以 保 障 流 体 系 统 部 件 在 油 气 开 采 和

3、 生产所需酸性环境中长期可靠。局部腐蚀当 合 金 表 面 的 富 铬 氧 化 物 膜 在 富含 氯 化 物 环 境 中 遭 到 破 坏 时 ， 会 产 生 点蚀 或 缝 隙 腐 蚀 （ 图 1） 。 氯 化 物 浓 度 的提 高 、 环 境 酸 性 的 增 强 及 温 度 的 升 高 都会 增 加 钝 化 膜 破 坏 的 可 能 。 合 金 的 抗 点蚀 当 量 数 （ PREN） 越 高 ， 抵 抗 局 部 腐蚀 的 能 力 越 高 。 计 算 PREN 最 常 用 的关 系 式 是 ：PREN = %Cr + 3.3（ %Mo + 0.5%W） + 16%N本文作者系世伟洛克公司资深科学家

4、。具 有 典 型 成 分 的 常 用 合 金 的 PREN值如表 1 所示。应力腐蚀开裂在氯离子存在的环境， 如海洋环境，易出现 SCC 现象， 影响某些合金的性质。氯 离 子 进 一 步 与 裂 纹 尖 端 的 材 料 发 生 化学 反 应， 此 处 的 张 应 力 是 最 大 的， 使 裂纹 更 易 扩 散， 部 件 发 生 失 效。 这 种 失 效模 式 是 非 常 危 险 的， 会 使 部 件 在 低 于 合金 屈 服 强 度 的 应 力 程 度 时 就 遭 到 破 坏。同 时 这 种 失 效 模 式 难 以 发 觉， 最 终 导 致部件突然发生失效。SCC 的 发 生， 必 须 同

5、时 满 足 三 个条 件 ： 材 料 必 须 易 受 SCC 影 响 ； 介 质必 须 能 导 致 SCC ； 必 须 存 在 一 个 张 应 力且 大 于 临 界 张 应 力。 主 要 的 张 应 力 是 外加 张 应 力 和 其 他 所 有 的 残 余 张 应 力 的 总和， 残余张应力可能来自冷成形、 焊接、热处理、加工或研磨。合 金 受 SCC 的 影 响 的 程 度 各 不 相同 ， 合 金 中 的 镍 含 量 对 抵 抗 SCC 起 主 要作 用 。 奥 氏 体 不 锈 钢 ， 如 具 有 8%10%镍 的 304 和 具 有 10%14% 镍 的 316 易 受SCC 影 响 （

6、 图 2） 。 三 类 材 料 对 SCC 有高 抵 抗 力 ： 碳 钢 、 镍 基 合 金 和 双 向 不 锈 钢 。硫化物应力腐蚀开裂（ SSC）原 油 并 不 总 是 纯 的， 易 被 不 需 要 的化 合 物 污 染。 当 燃 料 中 存 在 H2S 和 大 量的 二 氧 化 碳（ CO2） 时， 称 燃 料 中 含 有表 1 常用合金的 PREN 值合金316 317 2205 2507 254SMO AL6XN 825 625 C-276PREN值24 29 35 43 43 44 31 51 74关 于 作 者Gerhard Schiroky先生于 2000 年加入世伟 洛 克

7、公 司， 主 要 负责 处 理 客 户 材 料 问 题并 为 客 户 提 供 附 解 决 方 案。 他 发 展 改良 了 新 合 金 的 路 标， 以 用 于 构 建 未 来的流体系统部件。 Gerhard 识别和评估 了 新 颖 的 材 料， 可 提 供 性 能 或 成 本优势。 Gerhard 从犹他州大学获得材料科 学 和 工 程 博 士 学 位。 他 创 办 了 许 多不 同 主 题 的 技 术 刊 物， 包 括 流 体 动 力和材料科学，拥有 20 多个专利。图1 316不锈钢管横截面显示了外表面很深的腐蚀凹坑图2 316不锈钢氯化物诱导应力腐蚀开裂的显微照片（100x 放大）ps1

8、1化工4_36-52生产现场.indd 42 2011/4/28 17:41:0408-2011 43生产现场通用设备“ 酸 气 ” ， 因 为 这 些 气 体 与 水 混 合 时 会 形成 酸。 因 此， 传 送 酸 气 的 流 体 系 统 部 件必须具有高可靠性和抗腐蚀性。发 生 SSC 的 必 要 条 件 与 SCC 相 类似，发生 SSC 需要有一种易受影响的材料 ； H2S 浓 度 高 于 某 个 特 定 值 ； 高 于 临界水平的张应力。 尽管发生的条件相似，但 是 合 金 抗 SSC 和 抗 SCC 的 能 力 没 有任何联系，某种特定合金易受 SSC 的影响 却 能 抵 抗 S

9、CC， 或 某 种 特 定 的 合 金 易受 SCC 的影响却能抵抗 SSC。半 个 世 纪 前 在 加 拿 大 西 部 和 西 德 州发 展 酸 性 储 层 时， 第 一 次 被 报 道 关 于 石油 生 产 和 钻 探 设 备 失 效， 许 多 观 察 到 的现 象 都 难 以 解 释。 因 为 失 效 发 生 时 的 应力 低 于 材 料 屈 服 强 度， 甚 至 低 于 设 备 的机 械 设 计 应 力。 同 一 类 型 的 部 件 在 数 天或 几 个 月 后 就 会 发 生 失 效， 失 效 分 析 结果 通 常 为 脆 性 断 裂。 如 果 使 用 的 是 同 一等 级 的 合

10、金， 失 效 通 常 出 现 在 更 强 更 硬的 合 金， 而 经 过 退 火 工 序 的 较 软 合 金 制成的部件却不易失效。在 观 察 到 酸 气 环 境 部 件 失 效 的 早期， 专 家 们 对 这 种 失 效 机 制 的 本 质 作 了大量 的研究，得出了影响 SSC 的因素并量 化 了 这 些 影 响 因 素。 以 下 参 数 的 增 加会加快 SSC 发生的速度 ： 材料的抗张强度 和 硬 度、 流 体 中 的 氢 离 子 浓 度、 H2S分 压、 总 的 张 应 力（ 外 加 的 和 残 余 的 ） 、温度及暴露时间。从 原 子 层 面 上 分 析， SSC 是 一 种 特

11、殊 的 氢 脆。 当 一 种 易 受 影 响 的 金 属 表 面与 酸 气 接 触 时， H2S 分 子 与 之 反 应 形 成金 属 硫 化 物 和 氢 原 子。 氢 原 子 渗 透 到 裂纹 末 端 材 料 并 与 之 反 应， 在 末 端 的 张 应力 是 最 高 的。 氢 原 子 扩 散 并 积 聚 在 晶 格中、 分 界 面 和 晶 界 上， 减 弱 了 材 料 塑 性变形的能力，导致氢脆并使裂纹扩展。在 一 些 酸 性 环 境 下， 如 油 + 海 水 + H2S 的混合物， SCC 和 SSC 会形成增效威 胁。 如 果 裂 纹 末 端 的 前 部 材 料 已 被 原子 氢 脆

12、化， 由 氯 离 子 与 受 应 力 的 裂 纹 末端共同作用，更容易发生裂纹延伸。选择抵抗 SCC 和 SSC 的材料2003 年 发 布 了 一 个 国 际 标 准， 可从 国 际 化 标 准 组 织 ISO 15156 和 美 国 国际 腐 蚀 工 程 师 协 会 NACE MR0175/ISO 15156 获 得。 两 种 形 式 是 相 同 的， 具 有相 同 的 标 题“ 石 油 和 天 然 气 工 业 - 油 气生 产 中 对 含 有 H2S 环 境 的 材 料 使 用 ” ，包括三个部分 ：第 1 部 分 抗 裂 纹 材 料 选 择 的 普 遍 原理 ；第 2 部 分 抗 裂

13、纹 碳 钢 和 低 合 金 钢，以及铸铁的使用 ；第 3 部 分 抗 裂 纹 CRAs（ 抗 腐 蚀 合金）和其他合金。对 于 在 含 有 H2S 环 境 的 油 气 生 产 和天 然 气 脱 硫 工 厂 设 备 中 使 用 的 材 料， 此标 准 给 出 了 选 择 结 构 材 料 的 依 据 和 标准。 此 标 准 描 述 了 所 有 由 H2S 引 起 的 开裂 机 制， 包 括 SSC 和 SCC， 以 及 本 文未提及的其他氢致开裂形式。预 先 得 到 论 证 并 在 此 标 准 中 列 出 的材 料， 无 需 进 行 任 何 额 外 的 实 验 室 测 试就 可 以 直 接 应 用

14、 在 所 需 的 场 合。 所 有 列出 的 带 有 微 结 构 特 征（ 如 退 火 或 应 变 硬化 ） 和 特 性（ 如 硬 度 ） 证 明 文 件 的 材 料在 指 定 环 境 条 件 下 进 行 现 场 安 装 或 实 验室测试都能获得很好的结果。此 标 准 中 的 合 金 以 材 料 组 来 区 分，在 每 组 中， 以 材 料 类 型 或 个 别 合 金 元 素来 区 分。 标 准 给 出 了 所 需 要 抗 裂 纹 合 金可 接 受 的 冶 金 条 件 和 环 境 限 制。 与 普 通用 途 部 件 相 比， 对 井 下 安 装 部 件 具 有 更严 格 的 条 件 和 限 制

15、。 给 出 的 环 境 限 制 有H2S 分 压 力、 温 度、 氯 化 物 浓 度、 原 位pH 和 硫 元 素。 表 2 只 是 针 对 合 金、 材料 需 求 和 普 通 及 井 下 应 用 的 环 境 限 制 给出 的 粗 略 总 结。 现 行 标 准 对 很 多 额 外 材料、 环境限制（如 pH 值、 硫元素的存在）和 特 别 应 用 提 供 了 更 多 详 细 信 息。 以 下总 结 了 不 同 材 料 组 的 关 键 点， 包 括 奥 氏表 2 普通和井下用途的合金、材料要求和环境限制概览ALLOY GROUPS AND TYPESANY EQUIPMENT DOWNHOLEM

16、aterial Requirements Environmental Limits Material Requirements Environmental LimitsGroup #Group Type CriterionTypical AlloysHeat Tr eatment, Microstructure, PropertiesFormingHardness HRCMax. Te mperature C (F)Max. H2S Partial Pressure kPa (psi)Max. Chloride Conc. mg/lHeat Tr eatment, Microstructure, Properties MPa (ksi)FormingHardness HRCTemperature C (F)Max. H2S Partial Pressure kPa (psi)Max. Chloride Conc. mg/l2Austenitic Stainless Steelsn/a0.08% C; 16% Cr; 8% Ni; 0