ISO 15156-3:2020 标准

第 3 部分在 ISO 15156 系列中的位置

该系列标准将方法与材料族分开。第 3 部分承载数据，但确定这些限值所适用的服役条件是第 1 部分的任务，因此两者须配合阅读。

第 3 部分在选材时针对三种开裂机制：硫化物应力开裂 (SSC)、应力腐蚀开裂 (SCC) 和电偶诱发氢应力开裂 (GHSC)。硬度检测方法直接借用：焊缝硬度检测应按 ISO 15156-2:2020 第 7.3.3.3 条的规定进行，因此对接焊缝、角焊缝和堆焊层的硬度检测图在两个部分之间是共用的。

影响 CRA 抗开裂性能的 10 项因素

第 5 条列出了十项参数，它们之间的相互作用决定了 CRA 在酸性环境中的行为。其中两项未出现在第 2 部分的碳钢清单中，而这两项正好解释了 CRA 选材为何有所不同。

• 材料状态 — 化学成分、强度、热处理、显微组织、制造方法和成品状态
• H₂S 分压 — 或水相中的等效溶解浓度
• 酸度（原位 pH） — 指水相的酸度
• 氯离子或其他卤素离子浓度
• 氧、硫或其他氧化剂的存在
• 暴露温度
• 材料在服役环境中的耐点蚀性能 — 第 3 部分独有
• 电偶效应 — GHSC 的驱动因素
• 总拉应力 — 外加应力加残余应力
• 暴露时间

耐点蚀性能和氧是新增的两项。碳钢在酸性环境中的失效方式是开裂。标准指出，PREN 并不直接表征材料在 H₂S 环境中的耐蚀性，它只是作为一个分类参数使用。

PREN：决定双相不锈钢评定的公式

第 3 部分按 PREN 对 3b 型和双相不锈钢分类，按 (Ni + 2Mo) > 30 对 3a 型分类，而不是按商品名称。公式在第 6.3 条中作为公式 (1) 给出：

有两条规则改变了这个数值在实际中的用法。计算以实际成分为依据，而不是名义成分；名义值仅用于一般分类，因此起决定作用的是材质证明书，而不是产品数据表。

第二条规则更为严格。标准中所有 PREN 限值均为 ASTM E29 所定义的绝对限值。实测值或计算值不作修约，而是直接与限值比较。计算结果为 39.97 的炉号不能向上修约进入 40.0 档。

更高的 PREN 并非没有代价。标准指出，较高的数值带来更好的耐蚀性，但会增加制造过程中铁素体内形成 σ 相和 α′ 相的风险，具体取决于产品厚度和可达到的淬冷速率。标准给出的 PREN 区间正是为了尽量减轻这一问题而选定的。

附录 A 涵盖的材料组（A.2 至 A.12）

附录 A 将 CRA 分为十三个组。每个组内，合金或按材料类型（即一个成分窗口）识别，或作为单独命名的合金识别。下表列出各组对应的附录 A 条款以及属于该组的 XTD 产品系列。

标准的表 A.1 按设备类型引导您找到正确的表。通用设备、井下管状部件和封隔器、阀杆、销和轴分别有各自的表，而且针对具体部件的表往往比通用表宽松。只看通用表可能会让您错过本可合格的合金。

奥氏体不锈钢：附录 A.2 限值

此材料类型的奥氏体不锈钢按质量分数须满足C 最大 0.08 %、Cr 最小 16 %、Ni 最小 8 %、P 最大 0.045 %、S 最大 0.04 %、Mn 最大 2.0 % 和 Si 最大 2.0 %。允许含有其他合金元素。易切削奥氏体产品一律禁止使用。

三项冶金条件适用于整个材料类型。钢材必须经固溶退火并淬火，或经退火并热稳定化处理；不得含有以提高力学性能为目的的冷加工；并且最大硬度为 22 HRC。

材料类型适用范围与 316L 的扩展

通用奥氏体适用范围虽窄但简单。专门针对 S31603 的各行则走得远得多，这正是 316L 在酸性环境规范中出现的频率远高于其名声所示的原因。

注意 316L 各行之间的此消彼长。在 60 °C 下，1,000 kPa H₂S 时允许 50,000 mg/l 氯离子。在 120 °C 下，S31603 行允许 100 kPa H₂S 和 1,000 mg/l 氯离子，pH ≥ 3.5。温度与氯离子相互制约，表格必须整行阅读，绝不能按单列取值。

316L 无缝管若超出材料类型限值但在 S31603 专用行范围内使用，必须经固溶退火并淬火，且最终退火后不得有因成形、冷减径、拉伸或扩径造成的冷加工。硬度以及机加工或矫直带来的附带冷加工必须保持在产品规范限值之内。

双重认证有帮助。标准承认将 300 系列牌号按标准碳含量和低碳双重认证是常见做法，并规定针对低碳牌号给出的环境限值同样适用于双重认证牌号。316/316L 双重认证材料即享有 S31603 的适用范围。

S20910 的处理方式又有不同。它在材料类型限值和自身限值内均可使用，要求为退火或热轧状态，最大硬度 35 HRC，远高于管辖该组其余材料的 22 HRC。

表末附有两条提示。应考虑对马氏体含量加以限制，而且本组中每一种奥氏体钢的 SCC 抗力都可能因冷加工而受到不利影响。S31603 各行在单质硫一栏标为 NDS，即未提交有关含硫环境服役的数据。

高合金奥氏体不锈钢：附录 A.3 限值

A.3 组按成分分为两种类型。3a 型要求 (%Ni + 2 × %Mo) 大于 30 且 Mo 最小 2 %。3b 型要求 PREN 大于 40.0。两者均须为固溶退火状态，且禁止使用易切削牌号。

3b 型的适用范围正是 6Mo 超级奥氏体不锈钢体现其价值之处。171 °C (340 °F)、100 kPa H₂S 并伴有 5,000 mg/l 氯离子，远超 316L 所能达到的任何工况。254 SMO 无缝管凭借高于 42 的 PREN 位于该组。

904L 无缝管通过 3a 型而非 3b 型途径获得评定，因为其 4–5 % 的钼和 23–28 % 的镍能满足 (%Ni + 2 × %Mo) > 30 的判据，而其典型 PREN 低于 40。分类依据炉号的实际成分。评定所走的途径决定了您可以使用哪些适用范围行。

N08926 被单独列出，是因为它经试验验证的氯离子限值高于整个类型：在 121 °C 和 700 kPa H₂S 下为 65,000 mg/l，pH 由实验室试验条件估算得出。表 A.8 各行在单质硫一栏标为“否”；表 A.10 和 A.11 则为 NDS。

固溶强化镍合金：附录 A.4 限值

A.4 组按成分分为六种类型。退火状态的 4a 型和 4b 型拥有整部标准中最有用的条目，而原因在于备注栏，而不是数字本身。

退火状态的 4a 型和 4b 型合金对温度、H₂S 分压、氯离子浓度或原位 pH 均无限值，并且在‘耐硫’一栏标为“是”。标准仅提示，即使未设单项限值，某些数值组合也可能不可接受。

英科洛伊(Incoloy) 825 无缝管凭借 19.5–23.5 % 的铬、38–46 % 的镍和 2.5–3.5 % 的钼归入 4a 型。退火状态是强制要求，这也是该类型的全部冶金要求。

英科耐尔(Inconel) 625 无缝管同样按 4a 型评定，其 20–23 % 的铬和 8–10 % 的钼分别轻松越过 19 % 铬和 2.5 % 钼的下限。其 58 % 的最低镍含量远高于该类型要求的 29.5 %。

哈氏合金(Hastelloy) C-276 无缝管凭借 15–17 % 的钼（下限为 12 %）和高于 52 % 要求的镍基体，达到更高一档的 4b 型。4b 型正是为面向还原性酸环境设计的 Ni-Cr-Mo 合金而设立的。

哈氏合金(Hastelloy) C-22 无缝管以 12.5–14.5 % 的钼和 20–22.5 % 的铬位于同一 4b 型档位，以部分钼换取铬，从而应对 C-276 较难胜任的氧化性工况。

蒙乃尔(Monel) 400 无缝管以 N04400 单独列出而非按类型归类，享有同样不受限制的环境适用范围，但最大硬度为 35 HRC，且单质硫一栏标为 NDS。N04405 的处理方式完全相同。

冷加工镍合金失去不受限制的适用范围

冷加工改变了一切。4c、4d 和 4e 型以不受限制的适用范围换来一个分级的范围，其中温度与 H₂S 相互制约，而且大多数行失去了对单质硫的抗力。

表 A.14 冷加工镍合金的冶金限值：

• 硬度上限：4c、4d 和 4e 型的最大硬度限定为 40 HRC（UNS N10276 在 121 °C [250 °F] 及以上温度使用时为 45 HRC）
• 屈服强度限值：由冷加工获得的最大屈服强度，4c 和 4d 型限定为 1,034 MPa (150 ksi)，4e 型限定为 1,240 MPa (180 ksi)
• 适用范围：前四行环境限值共同适用于 4c、4d 和 4e 型，而表 A.14 中更苛刻/更高压力的行仅专门适用于 4d/4e 型或仅 4e 型

把最后一行与前四行对照来看。温度降到 132 °C 时，H₂S 限值消失，耐硫性能也随之恢复。只要运行条件保持在 132 °C 以下，冷加工镍合金管材受限的是温度，而不是 H₂S。

双相不锈钢：附录 A.7 限值

双相不锈钢按 PREN 区间识别，而不是按牌号名称。锻轧、铸造和热等静压双相不锈钢同样适用三项冶金条件：固溶退火并液体淬火或以其他方法快速冷却，铁素体体积含量在 35 % 至 65 % 之间，且不得进行时效热处理。

实际解读十分直白。标准双相不锈钢的 H₂S 限值为 10 kPa (1.5 psi)；超级双相不锈钢翻倍至 20 kPa (3 psi)。两者均可承受 232 °C (450 °F) 和 180,000 mg/l 氯离子。跨过 PREN 40.0 换来的只是 H₂S 的余量，本表中的其他指标并无变化。

双相钢 2205 无缝管按典型成分落在 30 至 40.0 区间，这就是其酸性环境适用范围的 H₂S 上限为 10 kPa 的原因。35 % 至 65 % 的铁素体窗口是与之并列的硬性门槛；成分正确但铁素体超出该范围的材料不合格。

双相钢 S31803 无缝管沿用较宽的原始成分窗口，因此不同炉号的计算结果可能落在 PREN 边界的任一侧。由于 PREN 限值是绝对限值且以实际成分为依据，氮和铬下限更严的 S32205 是更稳妥的酸性环境采购选择。

超级双相钢 2507 无缝管只有在炉号实际 PREN 高于 40.0 且不高于 45 时才能进入 20 kPa 档。请在采购订单上注明此范围。翻倍的 H₂S 允许值是酸性工况下选用超级双相不锈钢而非标准双相不锈钢最明确的商业理由。

超级双相钢 S32760 无缝管凭借所含的钨达到同一档位，PREN 公式通过 0.5 × %W 项将钨按一半权重计入。S32750 和 S32760 视炉号不同，可能低于 40.0 或高于 45。档位归属以实际成分为准。

井下用双相不锈钢的数值不同

表 A.25 覆盖用作井下管状部件、封隔器和井下设备的双相不锈钢。条件有所变化：固溶退火、液体淬火并冷加工，铁素体 35 % 至 65 %，最大硬度 36 HRC，远高于通用设备的预期值。

适用范围同样有变。30 至 40.0 区间的 H₂S 降至 2 kPa (0.3 psi)，但接受生产中出现的任何温度、氯离子和原位 pH 组合。40.0 至 45 区间保持 20 kPa (3 psi) 并伴有 120,000 mg/l 氯离子，标准同时警示此处的氯离子限值在很大程度上取决于屈服强度和冷加工程度。

双相不锈钢焊接附带显微组织验收准则

双相不锈钢焊缝要接受其他任何组都没有的检查。热影响区硬度不得超过母材最大值，焊缝金属硬度不得超过焊材合金的限值。除硬度之外，作为工艺评定的一部分，还必须对横截面进行浸蚀并在 ×400 放大倍数下检验。

该检验适用四项验收准则。晶界不得有连续析出物。金属间相、氮化物和碳化物总量不得超过 1.0 %，σ 相不得超过 0.5 %。焊缝根部和未经再热的盖面层中的铁素体体积含量按 ASTM E562 测定应为 30 % 至 70 %，比母材要求的 35 % 至 65 % 更宽。

各 CRA 组的硬度限值

硬度上限因组而异，有时在同一组内还因部件类型而异。下表汇总了 XTD 所供应材料族的限值。

第 2 部分适用的取平均值容差同样适用于此。单个 HRC 读数超过允许值时，如果邻近多个读数的平均值仍在限值之内且任何单个读数超出限值不超过 2 HRC，则可以接受。

复层、堆焊层与表面处理

金属镀层、转化膜、塑料涂层和衬里可以使用，但不能作为防止开裂的手段。仍须考虑其施加对基材抗开裂性能的影响。

渗氮层深度最大 0.15 mm (0.006 in) 的渗氮处理，若在合金的下临界温度以下进行，可作为表面处理接受。标准还明确禁止：不得将渗氮作为酸性环境中防止开裂的手段。

A.13 条规定了堆焊层的成分和抗开裂性能。这是第 2 部分与第 3 部分的交汇点：碳钢基材遵循第 2 部分的硬度和热处理规定，而 A.2–A.11 的材料可用作复层或堆焊层。除非有文件证明覆层的长期完整性，否则基材仍须符合第 2 部分或第 3 部分。N06625 堆焊层的 Fe 含量限定为 5 % 或 10 %。耐磨合金没有 ISO 15156 限值。

机加工切削螺纹可以接受。冷成形滚压螺纹在 CRA 上可以接受，前提是材料及其应用限值在其他方面均符合要求。允许进行受控喷丸强化，最大弹丸尺寸 2.0 mm (0.080 in)，Almen 强度不大于 10C，按 SAE AMS-2430 控制。