油田壓力容器抗HIC鋼管選材

李章偉(承德江鉆石油機(jī)械有限責(zé)任公司， 河北 承德 067000)

油田壓力容器抗HIC鋼管選材

李章偉(承德江鉆石油機(jī)械有限責(zé)任公司， 河北 承德 067000)

本文分析了HIC原理和影響因素，總結(jié)油田鋼管酸性環(huán)境下的要求，根據(jù)GB150的限制條件提出油田壓力容器抗HIC鋼管的選材要求。用蒸汽換熱器盤管材料Q345D(R-HIC)進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)驗(yàn)證，為此類特殊情況下的鋼管選材提供參考。

壓力容器；鋼管；HIC；蒸汽換熱器

油氣田地面測(cè)試系統(tǒng)中介質(zhì)常含硫化氫，新疆和四川含量尤高，普光氣田中高達(dá)15.5%～17%。高硫化氫往往會(huì)產(chǎn)生SSC和HIC，對(duì)設(shè)備和環(huán)境產(chǎn)生很大的危害。壓力容器標(biāo)準(zhǔn)中多關(guān)注板材和鍛件的選材，而鋼管要求較少。本文以含硫介質(zhì)下各鋼管的標(biāo)準(zhǔn)要求為基礎(chǔ)，介紹HIC情況下鋼管的選材。

1 HIC原理和影響因素

HIC成因主要是氫離子在鋼中夾雜物表面析出形成原子，并滲入到鋼中，在顯微孔洞中形成氫分子，當(dāng)分子的壓力超過(guò)鋼的強(qiáng)度極限時(shí)就產(chǎn)生裂紋。HIC的產(chǎn)生不需要施加外部的應(yīng)力，此類開(kāi)裂與焊接無(wú)關(guān)，影響HIC的因素主要是鋼材中化學(xué)成分本身。

抗HIC管線鋼的成分設(shè)計(jì)總原則是有效控制有害元素磷和硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，一般要求P控制在0.015%以下以減少磷的富集；硫是極為有害的元素，減少硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)可減少M(fèi)nS的數(shù)量，因此要求S控制在0.002%以下。

2 各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)酸性環(huán)境下鋼管的要求

(1)SH/T 3075：根據(jù)腐蝕機(jī)理的不同，將濕硫化氫腐蝕環(huán)境分為Ⅰ類和Ⅱ類。Ⅰ類主要考慮SSC腐蝕，其要求基于NACE MR0175，限制許用應(yīng)力、材料狀態(tài)和碳當(dāng)量CE；而Ⅱ類明確提出在符合Ⅰ類條件的基礎(chǔ)上，增加P、S等化學(xué)成分以提高鋼材抗HIC/SOHIC的能力(工程中往往難以區(qū)分發(fā)生HIC或OSHIC條件，實(shí)際Ⅱ類環(huán)境是按照SOHIC條件選材)。雖然適用范圍與GB150相同，但增加了腐蝕環(huán)境對(duì)壓力容器用鋼的要求，可作為特殊環(huán)境材料要求的依據(jù)。

(2) NACE MR0175/ISO 15156：MR0175是油田設(shè)備防腐選材的重要依據(jù)，以PH值和H2S含量為基礎(chǔ)將濕硫化氫環(huán)境進(jìn)行分區(qū)，主要從硬度、化學(xué)成分和熱處理方面進(jìn)行控制。油田設(shè)備普遍要求符合NACE標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為符合此標(biāo)準(zhǔn)即可防止硫化氫腐蝕。但NACE標(biāo)準(zhǔn)是基于實(shí)驗(yàn)室得出的結(jié)果，且對(duì)HIC腐蝕處理的相對(duì)簡(jiǎn)單，沒(méi)有進(jìn)一步闡述。研究表明即使材料硬度達(dá)到NACE要求，HIC也可能發(fā)生。部分研究者認(rèn)為HIC發(fā)生的情況下，往往伴隨SSC腐蝕，所以考慮HIC時(shí)，NACE也是要求符合的標(biāo)準(zhǔn)。

(3)GB/T 9711：石油天然氣工業(yè)中輸送鋼管訂貨技術(shù)條件制定主要依據(jù)API SPEC 5L、ISO3183和GB/T 9711進(jìn)行。國(guó)標(biāo)基本參照前者進(jìn)行制定，將鋼管分為PSL1和PSL2兩個(gè)產(chǎn)品規(guī)范級(jí)別，附錄H增加酸性服役條件PSL2鋼管的訂購(gòu)要求，同時(shí)要求進(jìn)行HIC試驗(yàn)。目前，X65、X70、X80、P110、L245等鋼是油氣采輸過(guò)程中經(jīng)常使用的管線鋼，服役條件多為潮濕環(huán)境，輸送介質(zhì)含H2S酸性物質(zhì)較多。

3 油田壓力容器用鋼管

國(guó)內(nèi)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)為GB150，其中材料選擇需在引用標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，而對(duì)酸性環(huán)境GB150并沒(méi)有如何規(guī)定，所以有必要在適用GB150的材料中增加特殊要求以滿足抗HIC要求。

確定管道介質(zhì)為Ⅱ類HIC腐蝕時(shí)，材料需滿足NACE MR0175和GB/T 9711要求：選用正火鋼管，焊縫進(jìn)行整體熱處理后包括管材的硬度≤22RC，表面不得有大于0.5mm的尖銳缺陷存在(管道表面有不連續(xù)缺陷會(huì)增加SSC危險(xiǎn)性)；管材化學(xué)成分P≤0.02%，S≤0.003%；鋼管按NACE TM-0177的A溶液要求進(jìn)行抗SSC試驗(yàn)，時(shí)間720h，溫度24℃，采用四點(diǎn)彎曲法，施加載荷80%實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度，要求無(wú)開(kāi)裂；同時(shí)鋼管按照NACE TM-0284的A溶液進(jìn)行抗HIC試驗(yàn)，時(shí)間96h，溫度25℃，要求CLR≤5%；CTR≤1.5%；CSR≤0.5%。

4 油田壓力容器鋼管實(shí)際案例

地面測(cè)試系統(tǒng)中蒸汽換熱器和水套爐用于對(duì)井內(nèi)油氣水進(jìn)行加熱，殼體內(nèi)的蛇形盤管為DN80，長(zhǎng)度90m，介質(zhì)原油、天然氣(含硫化氫5%、CO2和殘酸)和水。鑒于介質(zhì)壓力和換熱效率，采用Q345D(R-HIC)材料，符合標(biāo)準(zhǔn)GB 6479，同時(shí)增加上述特殊要求。接管按照進(jìn)行抗SSC和HIC試驗(yàn)，且要求氫鼓泡面積比的平均值＜1%。經(jīng)試驗(yàn)，結(jié)果CLR=0，CTR=0，CSR=0，施加載荷后無(wú)開(kāi)裂，符合要求。

抗SSC試驗(yàn)前后試樣照片

抗HIC試驗(yàn)前后試樣照片

5 結(jié)語(yǔ)

油氣田介質(zhì)復(fù)雜多變，很多時(shí)候都無(wú)法提供具體的成分，即便酸性環(huán)境下，HIC也只是酸性腐蝕中的一種。雖然增加鋼管特殊要求可避免HIC發(fā)生，但考慮管材用量、HIC焊材、腐蝕試驗(yàn)等會(huì)增加制作成本，設(shè)計(jì)者應(yīng)與客戶進(jìn)行充分的溝通以確定是否按照抗HIC要求設(shè)計(jì)，畢竟選擇適合預(yù)期使用環(huán)境的材料是設(shè)備使用者的責(zé)任。

[1]馬永生.四川盆地普光超大型氣田的形成機(jī)制[J].石油學(xué)報(bào),2007.3(28-2).

[2]王兵，李長(zhǎng)俊，廖柯熹，等.含硫氣田設(shè)備及管道的腐蝕與防腐[J].油氣田環(huán)境保護(hù)，2007，(4)：41-43.

[3]NACE MR 0175 油田設(shè)備用抗硫化物應(yīng)力開(kāi)裂的金屬材料[P].

[4]牛韌 .論濕硫化氫環(huán)境下管道設(shè)計(jì)材料的選擇[J].石油化工腐蝕與防護(hù),2003，(6).