NACE MR0175 / ISO 15156 标准

标准的由来

油气田金属部件在接触含 H₂S 采出流体后发生的突发性失效，促成了 NACE MR0175 第一版的诞生，该版本由美国腐蚀工程师协会（National Association of Corrosion Engineers）于 1975 年发布。

早期版本确定了 H₂S 分压阈值，超过该阈值时即认为必须采取防止硫化物应力开裂的措施，并就超出阈值后如何选择抗 SSC 材料给出了指导。后续版本又按环境成分、pH、温度和 H₂S 分压，增加了耐蚀合金的应用限值。

欧洲方面也在同步推进。欧洲腐蚀联合会（EFC）于 1995 年发布了 EFC 第 16 号出版物，1996 年发布了 EFC 第 17 号出版物，与 NACE 文件互为补充，但在范围和细节上有所不同。2003 年，ISO 15156 系列标准和 NACE MR0175/ISO 15156 首次编制完成，将上述三个来源合并为一对技术内容完全相同的文件。

目前标准的维护工作由设在 DIN（德国标准化学会）的专门维护机构负责，该机构是在 ISO 技术管理局以第 34/2007 号文件批准后设立的，成员包括来自 NACE、EFC 和 ISO/TC 67 的专家。版本之间的临时修改以技术勘误或技术通告的形式发布，可能影响注日期引用的有效性，因此在依据旧版本之前值得先核查一下。

NACE MR0175 / ISO 15156 的 3 个部分及各自内容

该标准把选材方法与材料类别分开。第 1 部分给出适用于所有材料的选择流程；第 2 部分和第 3 部分分别列出黑色金属材料和耐蚀合金的合格材料清单。

第 2 部分或第 3 部分从不单独使用。第 1 部分规定了需要记录哪些服役条件以及如何记录选材结果，两个材料部分都以这项工作已经完成为前提。

第 1 部分：选材方法

第 1 部分阐述一般原则，并给出在含 H₂S 环境中为油气生产和天然气脱硫装置选择及鉴定金属材料的要求。它涉及七种开裂机理：SSC、SCC、HIC、SWC、SOHIC、SZC 以及新定义的 GHSC。

它还规定了三种鉴定途径（从附录 A 清单中选择、至少两年且有记录的现场使用经验、或实验室试验），以及鉴定结果只能转用于各方面均相同或更缓和的条件这一规则。ISO 15156-1 标准页面完整介绍了设备范围表、服役条件因素和报告要求。

第 2 部分：碳钢和低合金钢

第 2 部分以 H₂S 分压对原位 pH 划分出四个 SSC 区域，所处区域决定了可以从附录 A 的哪一部分选材。母材硬度基准上限为 22 HRC；焊缝硬度基准上限为 250 HV 或 70.6 HR 15N。例外情况包括：不接触介质的焊缝盖面层最高可到 275 HV（73.0 HR 15N）（须经设备用户同意且厚度 > 9 mm），ASTM A105 锻件为 187 HBW，ASTM A234 WPB/WPC 级管件为 197 HBW，淬火加回火 Cr-Mo 低合金钢井下管材和防喷器闸板最高可到 26 HRC 或 30 HRC。

它涵盖合格的管线管、套管、油管和螺栓钢级，冷变形和消除应力规则，以及即使 H₂S 含量极低也须对扁平轧材单独进行 HIC 和 SWC 评估的要求。ISO 15156-2 标准页面给出了区域图、硬度表和附录 B 试验矩阵。

第 3 部分：耐蚀合金

对不锈钢、双相钢和镍合金管材而言，第 3 部分才是关键。十三个材料组分布在四十一张附录 A 表格中，给出温度、H₂S 分压、氯离子浓度和 pH 的环境限值，以及每种合金必须以何种冶金状态供货。

双相钢按点蚀当量值 (PREN) 区间而非牌号分组，PREN 限值是根据实际成分计算得出的绝对值。ISO 15156-3 标准页面载有 316L、6Mo 奥氏体钢、双相钢、超级双相钢和各类镍合金的实际附录 A 适用范围。

标准涉及的 7 种开裂机理

H₂S 对金属的侵蚀方式不止一种，耐受某一种机理的材料可能对另一种机理很敏感。第 1 部分列出了七种，两个材料部分分别针对它们进行鉴定。

2020/2021 年第四版在第 1 部分新增了三个定义：GHSC（3.14）、化学活度（3.27）和逸度（3.28）。它还新增了规范性条款（第 1 部分第 6.1 条和第 2 部分附录 C），允许在高压系统（> 350 bar / 5,076 psi）中采用 H₂S 气体逸度和水相化学活度来评估环境的苛刻程度。GHSC 指电偶对阴极中产生的氢在拉应力共同作用下引起的开裂，这正是混合材质水下组件和受阴极保护的耐蚀合金部件会遇到的工况。

哪些合金可用于酸性环境服役？

第 3 部分按材料组对耐蚀合金进行鉴定，每个材料组都有各自的冶金状态、硬度上限和环境适用范围。下表给出酸性环境管材中最常指定的几个合金系列的主要限值。

从该表可以直接看出材料的梯次关系：316L 适用于低温下的轻度酸性环境，双相钢适用于低 H₂S 下的高氯离子环境，超级双相钢把 H₂S 允许值提高一倍，而退火态镍合金则完全没有环境限值。

用于轻度酸性环境的奥氏体不锈钢

316L 无缝管必须经固溶退火并淬火，不得为提高力学性能而进行冷加工，硬度不超过 22 HRC。其专属的附录 A 行所允许的范围远大于通用奥氏体钢的适用范围，这也是 316L 在酸性环境规范中出现频率高于人们预期的原因。

用于高氯离子环境的 6Mo 超级奥氏体钢

254 SMO 无缝管通过 PREN 大于 40.0 的途径获得资格，在 100 kPa H₂S、氯离子 5,000 mg/l 条件下可达 171 °C。

904L 无缝管依据成分（(%Ni + 2 × %Mo) > 30 且 Mo ≥ 2 %）作为 3a 型奥氏体不锈钢获得资格。按表 A.8，它限于最高温度 60 °C（140 °F）、最高 H₂S 分压 100 kPa（15 psi）、氯离子最高 50 mg/l（按表 A.9，井下管材的 pH₂S 可到 350 kPa）。它不符合扩展的 3b 型适用范围（121 °C–171 °C），后者严格要求 PREN > 40.0。

兼顾强度与耐氯离子的双相钢和超级双相钢

双相钢 2205 无缝管处于 PREN 30 至 40.0 区间，H₂S 限值 10 kPa，最小屈服强度 450 MPa（65 ksi），且铁素体含量必须在 35 % 至 65 % 范围内。铁素体超出该范围，无论化学成分如何，材料都不合格。

超级双相钢 2507 无缝管的 PREN 超过 40.0，H₂S 允许值提高一倍至 20 kPa，最小屈服强度达到 550 MPa（80 ksi）。这一倍的允许值提升，是酸性环境中从标准双相钢升级到超级双相钢最直接的商业理由。

用于苛刻及含硫工况的镍合金

英科洛伊(Incoloy) 825 无缝管以退火态固溶强化镍合金的身份获得资格，对温度、H₂S 分压、氯离子和 pH 均无限制。其铜含量能够应对侵蚀双相钢的还原性酸介质。

英科耐尔(Inconel) 625 无缝管含 8–10 % 钼和 3.15–4.15 % 铌，属于同一无限制材料组，关键部件通常指定为整体实心壁，较长管段则常以碳钢复合或堆焊形式使用。

单质硫会大幅缩小可选范围。双相钢和高合金奥氏体钢的表行要么没有含硫工况数据，要么直接标注为“否”。哈氏合金(Hastelloy) C-276 无缝管和其他退火态镍合金才是标注为耐硫的材料。