ISO 15156-2:2020 标准

第 2 部分在 ISO 15156 系列中的位置

三个部分按方法和材料类别分工。只读第 2 部分而不读第 1 部分，您得到的只是一堆限值，却无法确定这些限值所对应的服役条件。

三个部分共用两项试验标准。NACE TM0177 涵盖实验室 SSC 和应力腐蚀开裂 (SCC) 试验；NACE TM0284 涵盖管线钢和压力容器钢的 HIC 评价。四点弯曲评价引用 NACE TM0316，这是 2020 版新引入的引用变更。ISO 15156-1 标准页面介绍了选材方法，ISO 15156-3 标准页面则载有 CRA 的环境适用范围。

影响碳钢在 H₂S 环境中行为的 9 项因素

第 6 条列出了九项参数，它们之间复杂的相互作用决定了碳钢和低合金钢在酸性环境中的行为。按本文件选材时，这九项参数必须全部加以考虑；标准未将其中任何一项视为可选项。

• 材料状态 — 化学成分、制造方法、产品形态、强度、硬度及其局部变化、冷加工、热处理状态、显微组织、组织均匀性、晶粒度和洁净度
• H₂S 分压 — 或水相中的等效浓度
• 氯离子浓度 — 水相中的氯离子浓度
• 酸度 (pH) — 水相的 pH 值
• 是否存在硫或其他氧化剂
• 接触非生产流体 — 增产酸化用酸及其返排液属于此类
• 暴露温度
• 总拉应力 — 施加应力加残余应力
• 暴露时间

请注意列表最前面的内容。标准指出，硬度控制可以作为获得 SSC 抗力的一种可接受手段 (7.3.1)。

选择抗 SSC 钢材的 2 种方案

第 2 部分给出两条选材途径。方案 1 是对照附录 A 查表，无需试验。方案 2 针对特定应用或规定的酸性环境（含 H₂S）服役范围对钢材进行评定，并且可以覆盖该材料在附录 A 中的限值。

方案 1：按附录 A.2 选材

若气相中的 H₂S 分压等于或大于 0.3 kPa (0.05 psi)，应按附录 A.2 选择抗 SSC 钢材。符合 A.2 的钢材无需再做 SSC 试验即视为合格，但有明确列出的例外情况。多数符合要求的钢材并未逐一列出；表 A.2 至表 A.4 给出的是示例，而非穷尽清单。

低于 0.3 kPa (0.05 psi) 时，标准未对选材作详细规定，通常也无需采取特殊预防措施。但高度敏感的钢材在该水平下仍可能开裂，因此没有要求并不等于免疫保证。

方案 2：针对特定应用或服役范围的评定

方案 2 允许用户针对特定的酸性环境应用或某一酸性环境范围对钢材进行评定。通过方案 2 评定所确立的限值可以取代附录 A.2 中为该材料列出的任何限值。采用该方案需要同时掌握原位 pH 和 H₂S 分压，以及二者随时间的变化。

其商业适用场景很明确。方案 2 适合油井管 (OCTG) 和管线管的批量采购，此时采用附录 A 之外钢材所节省的费用超过评定成本。它也可用于现役设备的适用性评价，即设备当前面临的工况比原设计假定更为严酷的情况。

环境严酷度的 4 个 SSC 区域：区域 0、1、2 和 3

标准的图 1 以 H₂S 分压对原位 pH 作图，并将结果划分为四个区域。所处区域决定了您可以从附录 A 的哪一部分选材；H₂S 分压越高、pH 越低，严酷度越高。

图 1 中有两处不连续，分别位于 H₂S 分压 0.3 kPa (0.05 psi) 以下和 1 MPa (150 psi) 以上。它们反映了低分压下的测量不确定性，以及超出这些限值后钢材性能的不确定性，范围两端皆然。

在确定严酷度时，标准要求用户考虑异常工况或停机期间暴露于无缓冲、低 pH 冷凝水相的情况。油井增产用酸以及废酸返排液也应纳入同一评估。

区域 0 仍有风险

即使在区域 0，也有四种情况值得注意。高度敏感的钢材可能开裂。物理和冶金性能仍决定材料的固有抗力。应力集中会提高风险。而且屈服强度大致超过 965 MPa (140 ksi) 的超高强度钢，在完全不含 H₂S 的水性环境中也可能发生氢应力开裂 (HSC)。

区域 2 和区域 3 对选材意味着什么

截至发布时，尚无专门针对区域 2 (A.3) 或区域 1 (A.4) 批准的钢材清单。这两个附录描述的是典型性能，而非指定牌号。对于区域 2，Cr-Mo 低合金管材在实际屈服强度不超过 760 MPa (110 ksi)、硬度不超过 27 HRC 时已被证明可以接受；管线钢的规定最小屈服强度 (SMYS) 可达 450 MPa (65 ksi)，焊缝硬度不超过 280 HV。

区域 1 的允许范围更宽。Cr-Mo 管材在实际屈服强度不超过 896 MPa (130 ksi)、硬度不超过 30 HRC 时已被证明可以接受；管线钢 SMYS 可达 550 MPa (80 ksi)，焊缝硬度不超过 300 HV。区域 3 不允许任何放宽 — A.2 是唯一来源。

母材硬度要求

碳钢和低合金钢在最大硬度 22 HRC 下可以接受，前提是镍含量（质量分数）低于 1 %、不是易切削钢，且以六种允许的热处理状态之一供货。22 HRC 这一限值来自 NACE MR0175 历次版本中积累的热处理、化学成分、硬度与现场失效经验之间的相关性。

标准对单个读数允许有小幅容差。若在邻近位置所测多个读数的平均值仍在限值以内，且任一单个读数超出限值不超过 2 HRC，则超出允许值的 HRC 读数可以接受。在规定采用其他硬度方法时，适用同等规则。

焊缝硬度验收准则

焊接会改变冶金状态，而改变后的冶金状态决定了对 SSC、SOHIC 和 SZC 的敏感性。酸性环境用焊接工艺的评定必须包括硬度试验，表 A.1 规定了硬度上限。

275 HV 的盖面放宽是有条件的，并非自动适用。三个条件必须同时满足：设备用户同意采用替代限值、母材厚度超过 9 mm，且焊缝盖面不直接暴露于酸性环境。否则限值回归为 250 HV 或 70.6 HR 15N。

符合表 A.1 的焊态碳钢、碳锰钢和低合金钢无需焊后热处理 (PWHT)。不满足这些要求的焊件必须在焊后进行 PWHT，低合金钢的 PWHT 最低温度为 621 °C (1,150 °F)。

常规方法为按 ISO 6507-1 的 HV 10 或 HV 5，或按 ISO 6508-1 的洛氏 15N。仅当设计应力不超过 SMYS 的三分之二且工艺包含 PWHT 时，才允许在焊接工艺评定中采用 HRC 方法；其他任何使用都需征得设备用户的同意。维氏和 15N 硬度测绘能给出更详细的硬度分布，可以发现 HRC 测绘可能漏掉的小块硬区。

附录 A 中已评定合格的碳钢钢级

附录 A 给出的是示例清单，而非封闭集合。表 A.2 涵盖管材产品，表 A.3 按温度列出套管和油管，表 A.4 涵盖螺栓材料。ASME 第 IX 卷中归类为 P-No 1 第 1 组或第 2 组的压力容器钢可以接受。

管材产品（表 A.2）

可符合 A.2.1 通用要求的管材产品示例。

钢管纵焊缝应符合 A.2.1。母材合格而纵焊缝不合格并不满足标准要求，而焊接管线管中硬度超标最常出现的位置正是焊缝。

按最低服役温度划分的套管和油管（表 A.3）

更高强度的套管和油管钢级只有在高于某一最低服役温度时才可接受。这些温度是针对 SSC 的最低允许服役温度；低温韧性是设备用户须另行评估的事项。

Q125 还有一项额外限制。1 型和 2 型基于 Q&T Cr-Mo 成分体系，最大屈服强度 1,036 MPa (150 ksi)，并且该钢级不接受 C-Mn 钢。R95 与原 C95 牌号视为等效。

螺栓和紧固件（表 A.4）

直接暴露于酸性环境、埋地、保温、装有法兰保护罩或以其他方式无法接触大气或开放海水的螺栓材料，必须符合 A.2.1。可接受的材料为螺栓用 ASTM A193 B7M 级和 ASTM A320 L7M 级，螺母用 ASTM A194 2HM 级和 7M 级。采用抗 SSC 螺栓材料可能需要降低设备的压力等级。

冷变形与消除应力规则

碳钢和低合金钢在经受任何使外层纤维永久变形超过 5 % 的冷变形后，应进行热消除应力处理。消除应力的最低温度为 593 °C (1,100 °F)，最终最大硬度为 22 HRC，但 A234 WPB 和 WPC 管件为 197 HBW。

有三项例外。按适用规范进行压力试验所产生的冷加工不触发该规则。冷旋转矫直的钢管仅在适用的 ISO 或 API 产品标准允许时才可接受。A53 Gr B、A106 Gr B、API 5L X-42、ISO 3183 L290 或更低钢级的冷加工管线管件，在应变不超过 15 % 且应变区硬度不超过 190 HBW 的前提下可以接受。

对于管材，在 510 °C (950 °F) 或以下温度冷矫直的，须在不低于 482 °C (900 °F) 下消除应力。外层纤维变形超过 5 % 的冷成形区域需在 593 °C (1,100 °F) 下处理。硬度超过 22 HRC 的管材冷成形连接部位也需要同样的 593 °C 处理。

表面处理遵循单独的规则。金属镀层、转化膜、塑料涂层和衬里均不可用作防止 SSC 的手段。在下临界温度以下进行渗氮、最大渗层深度 0.15 mm (0.006 in) 是可以接受的。受控喷丸可以接受，最大弹丸尺寸 2.0 mm (0.080 in)，阿尔门强度不超过 10C。

平轧产品的 HIC 和 SWC 评价

设备用户在评价用于含有哪怕微量 H₂S 的酸性环境的平轧碳钢产品时，应考虑 HIC 和 SWC，并应考虑对这些产品进行 HIC/SWC 试验。这项义务在控制 SSC 选材的 0.3 kPa 阈值以下同样适用。

硫含量是主导变量。典型的最大可接受水平为平轧产品 0.003 %（质量分数），无缝产品 0.01 %（质量分数）。硫含量低于 0.025 % 的常规锻件以及铸件，通常不被视为对 HIC 或 SOHIC 敏感。

无缝钢管属于不同的风险类别。在无缝钢管和其他非平轧产品中，导致泄漏的 HIC 和 SWC 仅偶有发生，而且现代无缝钢管的敏感性远低于早期产品。标准仍认为，在失效后果足以证明其必要性的场合，对无缝钢管进行评价是有益的。

服役环境中的铁锈、硫或氧，尤其是与氯离子共存时，被认为会提高损伤发生的概率。SOHIC 和 SZC 的发生被描述为罕见且尚未被充分认识，很可能仅限于碳钢，在母材和焊缝热影响区中均有突发失效的记录。

附录 B 的实验室评定

附录 B 还涵盖 SOHIC 和 SZC 评价（B.4 条）：SSC 评定必须先于 SOHIC 试验，验收要求不得出现梯状开裂，也不得有沿厚度方向超过 0.5 mm 的裂纹。对于按 B.5 条和表 B.3 对平轧产品进行的 HIC/SWC 试验，按 NACE TM0284 评价时要求裂纹长度率 CLR ≤ 15 %、裂纹厚度率 CTR ≤ 5 %、裂纹敏感率 CSR ≤ 2 %。

验收是非此即彼的：不得出现 SSC 裂纹，四点弯曲按 NACE TM0316 评价，其他方法按 NACE TM0177 评价。每个试验批次至少试验三个试样。若有一个试样失败，应查明原因。若原材料符合制造规范，可从同一来源再取两个试样进行试验，两者均通过则该批次评定合格。进一步的复验需征得采购方同意。

SMYS 为 690–760 MPa (100–110 ksi) 钢级的 Cr-Mo 管材有强制性试验要求。必须采用 UT 试验对每个试验批次进行试验以证明其 SSC 抗力，且每个钢级的最大屈服强度超出 SMYS 的幅度不得大于 103 MPa (15 ksi)。

碳钢的适用极限

第 2 部分有其边界。第 2 部分只涉及开裂。符合 A.2 的钢材在图 1 的所有区域内均可接受用于抗 SSC，第 2 部分未对其设定氯离子或温度上限。转向 CRA 的决定通常由全面腐蚀或局部腐蚀驱动（本标准不涉及这两者），或者由超出第 2 部分范围的服役条件驱动。一旦选用 CRA，则由第 3 部分管辖。

第一步通常是奥氏体不锈钢。316L 无缝管在固溶退火并淬火状态下，按 ISO 15156-3 表 A.2 以最大硬度 22 HRC 评定合格 — 数值上与碳钢的硬度上限相同，但通过完全不同的冶金途径达到，并且同时具备耐全面腐蚀的能力。

当氯离子和强度要求同时上升时，双相钢接棒。2205 双相钢无缝管必须经固溶退火和液体淬火，铁素体含量 35 % 至 65 %，且不得进行时效热处理（ISO 15156-3，表 A.24）；其 450 MPa (65 ksi) 的最小屈服强度高于第 2 部分为酸性管线管列出的大多数 API 5L 钢级。

对于中等 H₂S 配合高氯离子的工况，超级双相钢（PREN > 40.0 至 45）允许 H₂S 最高达 20 kPa（ISO 15156-3，表 A.24）。超过该值则需采用镍合金。

2507 超级双相钢无缝管的最小屈服强度为 550 MPa (80 ksi)。只有当该炉次的实际 PREN 高于 40.0 且不超过 45 时，才能评定用于 20 kPa 区段。

对于最苛刻的组合工况，镍合金完全取代不锈钢。英科洛伊(Incoloy) 825 无缝管凭借 1.5–3.0 % 的铜添加，在退火状态（4a 类）下可应对还原性酸介质。

英科耐尔(Inconel) 625 无缝管位居其上，含 8–10 % 钼和 3.15–4.15 % 铌。当酸性环境在同一物流中集高 H₂S、高氯离子和高温于一身时，625 是常见的答案 — 往往以碳钢基体上的复合层或堆焊层形式使用，而非整体实壁。

堆焊这一途径将两个部分直接联系起来。第 2 部分 A.2.1.5 条接受热施加的堆焊层，前提是基体的热处理状态保持不变，或母材硬度符合 A.2.1.2 和 A.2.1.4。堆焊层本身的成分和抗开裂性能由 ISO 15156-3 管辖，而非第 2 部分。

位于体系顶端的哈氏合金(Hastelloy) C-276 无缝管含 15–17 % 钼和 3–4.5 % 钨。很少有生产环境需要如此高的合金含量，而确实需要的场合通常涉及高温下的游离硫。