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NACE MR 0103 中文版

發布日期:2019-01-14    瀏覽量:2484次
1. 范圍
本國際標準規定了酸性石油精煉環境和含 H2S 氣體或 H2S 溶解在帶或不帶烴的水相介 質中的相關處理環境抗硫化應力開裂材料的要求。本國際標準不包括,也沒有計劃包含設計 規范。H2S 濕氣的其他開裂形式、環境開裂、腐蝕和其他失效模式不在本國際標準規定的范 圍之內。以供精煉廠、設備制造商、工程承包商和建筑承包商使用。
本國際標準專門用于防止精煉工業用設備(包括壓力容器、熱交換爐、管道、閥體、泵 和壓縮機箱)和部件發生的硫化應力開裂。ASME 鍋爐和壓力容器規范第 IX 章中歸于 P-No.1 類別下的碳鋼,對其硫化應力開裂的預防要求與 NACE PR0472 相一致。
本國際標準適用于裸露于酸性精煉環境(見第 6 條)中的所有設備部件,這些部位出現 硫化應力開裂將會導致(1)危及承壓系統的整體性;(2)妨礙設備的基本功能;和/或(3) 仍然處于承壓狀態下,但設備卻無法恢復到某一操作狀態。
 
 
2. 規范性引用文件
下列全部或部分文件在本文件內被規范性引用,且是其應用中必不可少的組成部分。凡 是注明日期的引用文件,只有所列版本適用。凡是不注明日期的引用文件,其最新版本(包 括所有的修改單)適用。
NACE 標準 TM0177,金屬在 H2S 環境中抗硫化物應力開裂和應力腐蝕開裂的實驗室試
驗1
 
ANSI/NACE MR0175/ISO 15156,石油和天然氣工業—油氣開采中用于含 H2S 環境的材 料 1)
ASTM A833,比較硬度測試儀測量金屬材料壓痕硬度的標準規程 ASTM E384,材料的努氏和維氏硬度標準試驗方法
ASTM E562,用系統人工點計數法測定體積分數的試驗方法 SAE AMS2430,自動噴丸
 
 
1 NACE 國際, 1440 South Creek Dr., Houston, TX 77084-4906, USA。
 
 
 
 
3. 術語和定義
本文件適用于下列術語和定義。
 
3.1
低轉變溫度 lower transformation temperature Ac1
加熱過程中奧氏體開始轉變時的溫度。
 
3.2
高轉變溫度
 
Ac3
加熱期間,鐵素體完全轉變為奧氏體時的溫度。
 
3.3
合金鋼
 
碳(通常小于 2.5%)和錳(通常不小于 0.25%)組成的鐵合金,除了錳,硅,和銅元 素外,其對一種或多種合金元素都規定了最低含量,且不規定最低鎳含量大于等于 10%。 3.4
奧氏體不銹鋼 室溫下,顯微組織為主要為奧氏體組織的不銹鋼。
3.5
碳鋼 carbon steel
碳(通常小于 2.5%)和錳(通常不小于 0.25%)組成的鐵合金,除了錳,硅,和銅元 素外,其對任何合金元未規定最低含量,且除了碳,硅,錳,銅和硫外偶爾還含有其它(雜 質)元素。
3.6
覆層 施加在相對不耐腐蝕的基材的整個潤濕表面上的耐腐蝕合金材料的冶金結合層(輥壓接
合,爆炸接合或焊接重疊)。
 
條目注 1:參見堆焊。
 
3.7
雙相不銹鋼
 
 
鐵素體/奧氏體不銹鋼 室溫下顯微組織主要為鐵素體和奧氏體組織的不銹鋼。
3.8
 
最終用戶 對組件(例如,壓力容器,管道,泵,壓縮機等)擁有所有權和運行權的機構或公司。
3.9
 
鐵素體不銹鋼 室溫下顯微組織主要為鐵素體組織的不銹鋼。
3.10
 
不銹鋼
 
鉻質量百分含量在 10.5%及以上的鐵合金,為保證其它性能可能添加其它元素。
 
3.11
 
硫化物應力開裂
 
SSC
指存在水和 H2S 時,在拉應力和腐蝕共同作用下造成金屬開裂。(SSC 是氫致應力開裂 的一種形態)。
3.12
熱噴涂涂層 高溫處理過程,將細金屬或非金屬粉末以熔融狀態或半熔融狀態下沉積以便在冷卻時在
表面形成的一種涂層。
 
3.13
耐腐蝕堆焊 在基體材料表層沉積一層或多層耐腐蝕焊接金屬以便提高表面的耐腐蝕性能。 條目注 1:參見覆層。
3.14
硬表面堆焊 在材料表面沉積一層或多層堆焊金屬以便提高表面的耐磨性能。
 
 
4. 符號和縮略語
 
 
ANSI 美國國家標準學會
API 美國石油學會
ASME ASME (原名美國機械工程師學會) AWS 美國焊接學會
BPVC 鍋爐及壓力容器規范
HAZ 熱影響區
HI 熱輸入
HIC 氫氣誘發的開裂
NACE NACE 國際 (原名美國防腐工程師協會)
ppmw 按質量計的百萬分之一,SI 單位通常表示為毫克/千克
PQR 程序鑒定記錄
PREN 蝕點抗力當量數
PWHT 焊后熱處理
SOHIC 應力導向的氫誘發開裂
SSC 硫化應力開裂
UNS 統一編號系統(金屬和合金)
WPQT 焊接工藝評定試驗
 
 
5. 責任
5.1 最終用戶的責任
5.1.1 明確操作條件和規定什么時候本國際標準適用是最終用戶的責任(或最終用戶的代理 人)。
5.1.2 確保材料滿足預期的使用環境是最終用戶(最終用戶的代理人)的責任。最終用戶(最 終用戶的代理人)可以基于所使用的壓力、溫度、腐蝕性、介質性質等操作工況選擇特定的 材料。對任一給定部件來說,根據本國際標準都可以選出眾多候選材料。也可根據下列方法 之一選擇使用清單之外的材料:
a) 如果基于科學知識和/或經驗數據所做的金相檢查顯示具有足夠的抗硫化應力開裂 能力。那么可根據第 9 條中規定的方法,提議將這些材料收錄到本標準中。
b) 如果通過風險分析顯示在所研究的用途下,硫化應力開裂的出現是可以接受的。
 
 
的范圍之內,但在設計和設備操作時應予以考慮。惡劣的腐蝕性環境和/或充入氫氣的工況 可能會導致除硫化應力開裂機理以外的其他失效機理,應用本國際標準范圍以外的其他方法 減少這種情況的發生。
5.2 制造商的責任 制造商的責任是滿足本國際標準的金相要求。
 
 
6. 促使硫化應力開裂(SSC)的因素
6.1 影響硫化應力開裂(SSC)的常規參數 精煉設備的硫化應力開裂受許多參數間復雜的相互作用的影響,包括以下參數: a)裸露于酸性環境中的材料的化學成分、強度(用硬度表示)、熱處理和顯微結構; b)材料中存在的總拉伸應力(施加的拉伸應力加上殘余的拉伸應力); c)材料中所產生的氫氣通量(是環境的作用,即自由水、H2S 濃度、pH 值和其他環境
參數(例如:游離態的氰化物的存在和二價硫化物離子的濃度)的存在);
 
d)溫度; e)時間。
6.2 材料狀態及應力水平對 SSC 敏感性的影響
6.2.1 材料對硫化應力開裂的敏感性主要與材料的強度(用硬度表示)有關,材料強度受材 料的化學成分、熱處理和顯微結構的影響。通常,高硬度的材料具有較高的硫化應力開裂敏 感性。
6.2.2 精煉壓力容器和管道用碳鋼在典型 H2S 濕氣環境用的硫化應力開裂情況通常不太關 注,因為這些鋼的硬度水平足夠低。
6.2.3  對于不恰當熱處理材料、堆焊和熱影響(HAZ),但是,局部硬度可能會很高。
6.2.4 給定材料的敏感性會隨著拉伸應力的增加而增加。
6.2.5 殘余應力會增加總體的拉伸應力水平。與焊縫有關的高殘余應力會增加硫化應力開裂 的敏感性。
6.2.6 無論殘余應力減不減小,都要控制焊接件的硬度,這是公認的防止硫化應力開裂的有 效方法,如 NACE SP0472 關于 P-No. 1 碳鋼的概述。
6.3 氫滲透流量對 SSC 的影響
6.3.1 硫化應力開裂敏感性還與氫氣在鋼中的滲透量有關,這主要與兩個環境參數有關:pH 值和水中硫化物的含量。在處于均衡狀態下的封閉系統中,溶解的硫化氫(H2Saq),二價硫
 
 
化物離子(HS-)和硫化物離子(S2-)(有時稱為“可溶硫化物”)以不同的 pH 值存在于水溶液中。 6.3.2 在圖 A.1 中所示的硫化物種類分布圖表明了存在于 25 °C (77°F)的水溶液中以 pH 值 作為依據的硫化物相關含量。在 pH 值小于 6 時,溶解的硫化氫 H2Saq 為存在于水相中硫化 物種類的主要含量(>總量的 90%)。在 pH 值為 8 和 11 之間時,二價硫化物離子(HS-)為 存在于水相中硫化物種類的主要含量(>總量的 90%)。在 pH 值大于 13 時,硫化物離子(S2-) 為存在于水相中硫化物種類的主要含量(>總量的 90%)。在 pH 值為 7 時,系統中含有 50% H2Saq,50% HS-,而實質上沒有硫化物離子(S2-)。在 pH 值為 12 時,系統中含有 50% HS-, 50% S2-,而實質上沒有 H2Saq。因此,總的硫化物含量指的是存在于水相中的 3 種硫化物種 類的總含量(即 H2Saq, HS-和 S2-的總和)。
6.3.3 典型地研究發現在近中性的 pH 溶液中,鋼中的氫氣通量最低,而在 pH 較低和較高的 區域,氫氣通量有所增加。低 pH 值區域的腐蝕是由 H2Saq 導致的,而高 pH 值區域的腐蝕 是由于高濃度的二價硫化物離子(HS-)導致的。
6.3.4 在許多精煉酸性液體環境中存在著溶解氨,氨會增加 pH 值從而增加 H2S 的溶解度, 這就導致了較高的二價硫化物離子濃度。在高 pH 值區域,游離態氰化物的存在(它包括溶 解的氰化氫(HCNaq)和氰化物離子(CN-))則會進一步惡化原子氫滲透到鋼中的程度。雖 然,硫化應力開裂敏感性會隨著水相的 H2S 含量的增加而增加,然而,在促使活性氫氣滲 透的條件下,水中存在哪怕只有 1 ppmw 那么少的水相中 H2S 也足以導致硫化應力開裂。 6.3.5 對于碳鋼,已知會導致硫化應力開裂的環境工況是那些含有自由水(液相)和以下任 一操作:
a) 自由水中溶解的硫化物超過了 50 ppmw,或
b)自由水的 pH<4,而且存在著溶解的總硫化物等于大于 1 ppmw,或
c) 自由水的 pH>7.6,在水中溶解的總硫化物等于大于 1 ppmw 和含有游離態氰化物等 于大于 20ppmw,或
d) 在氣相與水相混合的過程中所產生的 H2S 絕對分壓力超過了 0.3 kPa(0.05 psia)。 6.3.6 精煉的高 pH 酸性環境有別于 MACE MR0175/ISO 15156 所述的石油和天然氣開采的 酸性環境,因為石油和天然氣開采過程中許多酸性濕氣中還含有二氧化碳氣,因此顯示較低   的 pH 值。另一較大的區別是精煉酸性環境中的氯離子濃度比石油開采酸性環境中的氯化物 離子要低很多。
6.4 高溫暴露對 SSC 的影響 如果高溫不能去除(液相)自由水,那么隨著溫度的升高將會增加氫氣滲透的可能。高
 
 
溫可促進 H2S 的分解(因此會產生更多的氫原子),增加氫原子在金屬中的擴散率,從而促 進氫的滲透。但是,開裂是在接近室溫時變得最大化。這個特性很重要,因為金屬在高溫裸 露的情況下會被氫滲透,并在后來逐漸降到較低溫度(例如在停機過程中)的過程中出現開 裂。
6.5 由于 SSC 造成的失效時間的影響因素 出現失效的時間隨著材料強度、總的拉伸應力和環境滲透可能性的增加而縮短。如果有
增加硫化應力開裂敏感性的其他因素,那么導致硫化應力開裂的裸露時間會很短。某些敏感 設備甚至會在經歷短暫的酸性水環境過程中失效,例如在設備停機過程中。
6.6 確定設備是否涵蓋在本國際標準范圍內的依據 最終用戶(或最終用戶的代理人)應判定工藝環境中是否存在有導致硫化應力開裂的關
鍵參數,判定設備是否屬于本國際標準范圍內。最終用戶(或最終用戶的代理人)可以根據 經驗、風險分析,或上述原則(特別是 6.3 和 6.4 節中提供的環境條件)做出判定。在用這 些原則判定設備是否在本國際標準范圍內時,應考慮各廠間的操作模式以及對材料結構的可 能影響,即常規操作、非常規操作、(將來可能的)備選操作模式、以及啟動/關閉工況(例 如,催化劑的預先硫化等)。
 
……
 
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