ISO 15156-1:2020 标准

ISO 15156 系列：三个部分及各自内容

该系列分为一般原则、碳钢和低合金钢、耐蚀合金三个部分。选错部分，您查到的就是与所采购材料类别无关的限值。

对于不锈钢、双相钢和镍合金管材，ISO 15156-3 是实际执行的文件。每一种通过酸性环境鉴定的镍合金管牌号都列于 ISO 15156-3 附录 A 的某张表中，并附有各自的冶金状态、硬度上限和环境适用范围。

配套的试验方法不在本系列之内：NACE TM0177 规定实验室 SSC 和 SCC 试验；NACE TM0284 规定管线钢和压力容器钢的 HIC 评价。

ISO 15156-1 涵盖的 7 种开裂机理：SSC、SCC、HIC、SWC、SOHIC、SZC 和 GHSC

ISO 15156-1 针对 H₂S 可能引起的所有开裂机理。标准范围中列出了七种，每一种攻击的薄弱环节各不相同：五种需要拉应力（残余或外加）作用，其中 GHSC 还需要电偶对的存在；HIC 和 SWC 这两种则无需外加应力。

硫化物应力开裂 (SSC)

SSC 是金属在水和 H₂S 共存条件下，由腐蚀与拉应力共同作用引起的开裂。它是氢应力开裂的一种形式。金属表面的酸性腐蚀产生原子氢，硫化物促进氢的吸收，氢随后扩散进入金属内部，使塑性下降。高强度材料和硬焊缝区首当其冲。

应力腐蚀开裂 (SCC)

SCC 是在水和 H₂S 存在下，局部腐蚀的阳极过程与拉应力共同作用的结果。氯离子、氧化剂和高温都会提高敏感性。这正是第 3 部分各表在 H₂S 分压之外还设有氯离子和温度栏的原因。

氢致开裂 (HIC)

HIC 是碳钢和低合金钢中的平面型开裂：原子氢扩散进入钢中，在陷阱位置复合成分子氢。无需外加应力，陷阱位置内部的压力积聚即可导致开裂。杂质含量高、平面状夹杂物密集、存在偏析带状组织的钢中，陷阱位置尤为集中。

阶梯状开裂 (SWC)

SWC 描述的是相邻平面上的氢致裂纹相互连通后形成的裂纹形貌。裂纹之间能否连通，取决于裂纹间的局部应变以及溶解氢对周围钢材的脆化作用。HIC 与 SWC 往往相伴出现，通常见于管道和容器用的低强度板材钢。

应力导向氢致开裂 (SOHIC)

SOHIC 表现为大致垂直于主应力（残余或外加）方向的交错小裂纹，呈梯状排列，并将已有的 HIC 裂纹连接起来。它出现在直缝焊管的母材以及压力容器焊缝的热影响区。标准称其为一种相对少见的现象。

软区开裂 (SZC)

SZC 是 SSC 的一种形式，发生于钢中存在低屈服强度局部软区的情况。在服役载荷下，该区域发生屈服并累积塑性应变，使本来合格的材料开裂敏感性升高。软区通常与碳钢焊缝相关。

电偶诱发氢应力开裂 (GHSC)

GHSC 是 2020 版中最新增加的定义。开裂源于电偶对阴极上产生的氢与拉应力的共同作用。异种金属组合件以及施加阴极保护的 CRA 部件最易受其影响，第 3 部分为此规定了专门的鉴定试验。

ISO 15156-1 涵盖和排除的设备

标准的表 1 列出了范围内的设备及具体的排除项，排除项与纳入项同样重要。下表是标准适用设备及其排除项的非详尽清单。若干排除项带有附加条件（见原表脚注），请逐项对照标准确认。对于抽油泵和抽油杆，可参照 NACE MR0176。

ISO 15156-1 不一定适用于炼油或下游工艺及设备。这些场合对应的配套文件是 NACE MR0103。尽管钢丝绳设备总体上被排除，但钢丝绳防喷管及其连接装置并不在排除之列。

本标准适用于采用载荷控制设计方法设计的设备。若采用基于应变的设计，设备使用方和供应方必须另行商定试验方法和验收准则，因为 ISO 15156 系列并未涉及这类设计。

必须记录的服役条件因素

在选择或鉴定任何材料之前，设备使用方应界定、评估并记录每项应用的服役条件。所记录的条件既要涵盖预期暴露，也要涵盖一级密封或防护失效后可能出现的非预期暴露。

设备使用方应量化并记录以下服役条件因素，并对其评估给予特别关注：

• H₂S 分压，或水相中的 H₂S 浓度或化学活度
• 原位 pH：运行服役条件下的实际 pH，而非室温下的台架测量值
• 溶解氯离子或水相中存在的其他卤素离子的浓度
• 单质硫或其他氧化剂的存在：它们会加剧环境苛刻度
• 温度：包括最高设计温度和整个运行温度范围
• 电偶效应：由异种金属接触或阴极保护引起
• 机械应力：同时考虑运行中的外加载荷和制造/焊接残余应力
• 暴露时间：与液态水相持续或间歇接触的时长

2020 版在这方面扩充了指南。对于存在气相的系统，基于 H₂S 分压的评估所得苛刻度等于或高于现场实际服役条件，因而是可接受的；ISO 15156-2:2020 附录 C.1 允许用 H₂S 逸度来降低这种过度保守。对于无气相的液体系统，则需要分压以外的替代方法，附录 C.2 给出了相应的评估指南。请注意，第 2 部分的环境苛刻度区域和第 3 部分的预鉴定限值均以 H₂S 分压表示，标准并未给出以逸度或化学活度表示的等效限值。

分压苛刻度高出实际服役条件的程度由非理想热力学效应决定。一般而言，这种偏差随压力升高而增大，随温度升高而减小，因此附录 C 建议对高压油井采用非理想热力学规则。

H₂S 环境材料鉴定的 3 条途径：现有清单、现场经验和实验室试验

ISO 15156-1 给出了三条鉴定途径。大多数项目采用第一条，因为它无需试验。另外两条针对的是附录 A 表格之外的材料，或超出所列适用范围的服役条件。

途径 1：从现有清单和表格中选择

抗 SSC 的碳钢和低合金钢可从 ISO 15156-2:2020 附录 A 中选择；抗 SSC 和 SCC 的 CRA 可从 ISO 15156-3:2020 附录 A 中选择。一般无需额外的实验室试验。根据现场经验和实验室试验，所列材料在规定的冶金、环境和力学条件下已表现出可接受的性能。

标准仍然提醒使用方：当失效的潜在后果足够严重时，即使是已列入清单的材料也应考虑进行专项试验。这一建议的背后正是标准中的“警告”条款。

途径 2：基于现场经验的鉴定

有文件记录的现场经验必须至少持续两年，且最好包括设备在现场使用后的全面检查。材料描述须满足第 8.1 条，服役条件描述须满足第 6.1 条。预期服役的苛刻度不得超过已记录经验的苛刻度。

途径 3：基于实验室试验的鉴定

实验室试验只能近似模拟现场服役，标准对此有明确说明。它用于：在与已列同类材料相同的限值内鉴定材料；在其他限值下鉴定材料；鉴定钢材的抗 HIC、SOHIC 或 SZC 性能；鉴定 CRA 的抗 GHSC 性能；以及生成数据供日后纳入附录 A。

取样规则十分严格。试样应能代表商业产品，若存在多个批次，应选用开裂敏感性最高的冶金状态。试样来源、制备方法和表面状态均须记录在案，取样方法还需获得设备使用方认可。

就潜在失效模式而言，所施加的全部试验条件应至少与所界定的现场服役条件同等苛刻，所采用的 pH 应代表服役原位 pH。验收准则来自第 2 部分和第 3 部分规定的试验方法。

ISO 15156-3 规定的酸性环境用 CRA 牌号

第 3 部分按合金类别对耐蚀合金进行鉴定，每一类别都有各自的冶金状态、硬度上限和环境适用范围。下列类别涵盖了酸性环境中最常指定的管材牌号。各合金在耐氯离子性能、H₂S 耐受能力和成本之间的平衡各不相同。

316L 奥氏体不锈钢

316L 无缝管是进入酸性环境服役的入门材料，也是限制最严的一种。ISO 15156-3 表 A.2 将硬度上限定为 22 HRC (237 HBW)，并要求材料处于固溶退火并淬火状态，且不得为提高力学性能而施加冷加工。其 H₂S 上限较低，耐氯离子能力一般，因此 316L 适用于低苛刻度的酸性介质，而不适合深层酸性气井。

904L 和 254 SMO 高合金奥氏体不锈钢

904L 无缝管在 316L 基础上增加了 4–5 % 的钼和 1–2 % 的铜，在不改变奥氏体组织的前提下提高了氯离子点蚀临界值。在还原性酸与 H₂S 共存的场合，它填补了标准奥氏体钢与双相钢之间的空白。

254 SMO 无缝管的钼含量达到 6 %，氮含量 0.18–0.22 %，PREN 超过 42。6Mo 超级奥氏体不锈钢足以应对海水回注的介质化学条件，其全奥氏体组织也免去了双相钢所需的铁素体相比例检验。

双相钢 2205 (S31803 / S32205)

双相钢 2205 无缝管是酸性出油管线和平台上部工艺管道的主力材料。ISO 15156-3 表 A.24 要求材料经退火并淬火，铁素体含量 35 % 至 65 %，硬度上限 28 HRC。铁素体区间是一道硬性门槛：一旦超出，无论化学成分如何，材料均不合格。

双相钢 S31803 无缝管沿用较宽的原始成分范围，而 S32205 则将氮和铬收紧到该范围的上半区。对于酸性环境，S32205 是更稳妥的选择：更高的氮含量下限提高了 PREN，也使退火后的相比例更加可靠。

超级双相钢 2507 和 Zeron 100

超级双相钢 2507 无缝管将铬提高到 24–26 %，氮提高到 0.24–0.32 %，PREN 超过 40。其屈服强度约 550 MPa (80 ksi)，是 316L 的两倍以上，因此在相同压力等级下壁厚可以减薄。28 HRC 硬度上限和 35–65 % 铁素体要求仍然适用。

超级双相钢 S32760 无缝管在 25Cr 基础上添加了钨和铜。S32750 和 S32760 均列于表 A.24 且冶金状态要求相同，两者之间的选择通常取决于制造商的熟悉程度和钢厂供货情况，而非酸性环境性能上的差距。

英科洛伊(Incoloy) 825

Incoloy 825 无缝管含 38–46 % 镍、2.5–3.5 % 钼、1.5–3.0 % 铜，并经钛稳定化处理。铜的加入使其能够抵御还原性酸的侵蚀，而这类酸正是双相钢的弱点，因此 825 成为含 CO₂ 和有机酸的酸性气井的常规选择。退火态材料的硬度上限为 35 HRC。

英科耐尔(Inconel) 625

Inconel 625 无缝管兼有 20–23 % 铬、8–10 % 钼和 3.15–4.15 % 铌，PREN 超过 50。表 A.13 涵盖退火态材料，硬度上限 35 HRC。当苛刻度超出双相钢的承受能力 — 高 H₂S 分压、高氯离子和高温同时存在 — 625 是通常的升级选择。

哈氏合金(Hastelloy) C-276 和 C-22

Hastelloy C-276 无缝管以镍为基体，含 15–17 % 钼和 3–4.5 % 钨，处于酸性环境材料序列的顶端。固溶退火态材料以 35 HRC 通过鉴定。很少有生产环境需要如此高的合金化程度，确有需要的通常是含游离硫的高温酸性气体。

Hastelloy C-22 无缝管以部分钼换取更高的铬含量（20–22.5 %），改善了氧化性条件下的性能，同时保持相当的耐还原性酸能力。两种合金均列于 ISO 15156-3 附录 A 的 Ni-Cr-Mo 合金表中。

蒙乃尔(Monel) 400

Monel 400 无缝管是含 63 % 镍、28–34 % 铜的合金，在氢氟酸和还原性环境中有着长期的酸性服役记录。它不含铬，因此对氧化性条件毫无抵抗力；这种取舍是有意为之，其应用范围也相应较窄。

英科洛伊(Incoloy) 925 沉淀硬化合金

Incoloy 925 无缝管是 825 的可时效硬化版本，通过 γ′ 相沉淀获得高得多的强度。沉淀硬化合金在附录 A 中有专门的表格，其状态要求比固溶强化牌号更严格，因为时效处理本身决定了抗开裂性能。