克服酸性服务领域材料挑战的三种方法

发布日期:2020年2月

由于大量硫化氢(H .)的存在，约40%的陆上和海上井田处于酸性服役状态₂年代)。¹由于化学、物理和电化学因素的综合作用，碳钢和焊接件等金属材料在酸性环境中会变脆和开裂(图1)。

这可能导致设备在毫无预警的情况下发生故障，从而影响资产的性能和可靠性。这些风险可能通过对健康、安全和环境的威胁，给运营商带来重大的技术、操作和财务挑战。

图1:酸性环境中出现的裂缝类型 金属材料，如暴露在酸性环境中的碳和低合金钢，由于腐蚀和/或硫化物相关的开裂，可能会遭受一般或局部的金属损失。在特定的使用条件和应力水平下，裂纹可能发生在母材和/或焊件上。 在碳钢和低合金钢中发现的典型开裂机制包括: 氢致开裂(HIC) 应力腐蚀开裂(SCC) 应力导向氢致开裂(SOHIC) 硫化物应力开裂(SSC)。

在恶劣的服务环境中实现安全高效的运行，需要在设计、材料选择、施工和安装等方面采取全面的方法。了解sour服务的基础知识，并采用行业最佳实践，有助于通过更智能的设计解决方案和材料选择、测试和分析来克服挑战。

克服酸性气田材料挑战的三个关键方法是:

• 从一开始就选择正确的材料
• 根据工程关键评估，制定焊接缺陷验收标准
• 应用最佳实践和指南来解决特定的不良服务挑战，并提高资产的可靠性。

从一开始就选择正确的材料

确定现场使用条件是选择最合适材料的先决条件。可通过以下方式选择或检验材料:

• 从NACE MR0175/ISO 15156第2部分(碳钢)或第3部分(耐腐蚀合金)确定的合格材料列表中选择耐SSC/SCC的材料
• 通过记录在案的现场经验对材料进行鉴定
• 基于实验室测试的材料鉴定。

几十年来制定的行业标准有助于材料的选择和鉴定。1975年，NACE MR0175标准第一版规定了H2S分压的极限，超过这个极限，对SSC的预防总是被认为是必要的。

2003年，联合标准NACE MR0175/ISO 15156被开发出来。²根据水相的酸性和H的分压，将酸性使用环境的严重程度分为三个区域₂气相S:

• SSC区域1 -微酸状态
• SSC区二级中级酸性条件
• SSC区三级严重酸性条件。

原位用pH值测量的酸度与H的分压(巴)作对比₂图2中的S，它来源于NACE MR0175/ISO 15156。通常要求对材料强度/硬度有一个最大限制，该限制值在国际标准和公司/项目特定要求之间略有不同。

图2:酸性服务——应用领域^3.

NACE MR0175/ISO 15156还提供了在含湿H的酸性服务环境中应用的材料鉴定和选择的要求和建议₂年代。

从工程关键评估中制定焊接缺陷验收标准

裂纹的威胁不可避免地将注意力集中在焊接过程中不经意产生的焊缝缺陷上。大多数海上酸服务油田开发项目都有严格的缺陷验收标准。然而，在某些情况下，这些标准可能过于保守。这可能导致更高的焊接修复率，从而降低施工生产率并增加成本。当建造长距离、大直径的输送管道时，这些影响会被放大，现场要完成数万个焊接接头，以建造长达数公里的管道。

挪威船级社的标准，LDsports火箭联盟DNVGL-ST-F101海底管道系统(2017)，为管道和立管的建造和制造过程中的所有环焊缝提供检查要求和验收标准。然而，DNVGL-ST-F101中的验收标准不适用于酸性工况下使用的管道LDsports火箭联盟和立管环焊缝。因此，DNV建议制定项目特定的验收标准。

使用过于保守的缺陷验收标准会导致较高的焊缝修复率。由于重复焊接和引入额外的焊接缺陷，低安装率可能会导致焊缝性能下降。当使用基于工艺的标准时，这些例子说明了设计和实际操作条件如何影响一些海上酸服务领域的开发项目。

因此，越来越多的海上酸性油田开发项目基于科学工程评估支持的适合目的的方法制定缺陷验收标准。

应用最佳实践和指南来解决特定的不良服务挑战，并提高资产的可靠性

根据最佳实践和指导方针进行的断裂力学和材料测试有助于评估焊接。DNV的推荐操作规程LDsports火箭联盟DNVGL-RP-F108管道和立管环焊缝缺陷评估(2019)，规定了断裂力学分析程序(通常称为工程关键评估，或ECA)和相关环境中材料测试的要求。

使用基于断裂力学的分析方法的优势在于，在安装和操作等所有相关阶段，都能充分解决不同可能的失效模式。

通过这种方法，当基于eca的验收标准比基于工艺的验收标准接受更大的缺陷尺寸时，可以实现两层验收标准。这将有助于在不影响可靠性的情况下减少安装时间，从而优化结构。如果合理，基于工艺的验收标准可用于控制焊接过程中的质量。然而，焊缝的最终验收或拒收可以基于基于eca的标准。

为糟糕的服务挑战提供集成解决方案

随着对酸性服务环境中材料失效机制的了解不断加深，DNV GL继续开发最佳实践和指导方针，以应对挑战，提高行业资产的可靠性。乐动体育登录

近几十年来，我们的经验帮助客户解决了许多复杂的材料和完整性挑战。我们的酸服务测试实验室和测试地点挪威卑尔根()，新加坡，美国(哥伦布，OH)及英国(拉夫堡而且Spadeadam)提供标准和定制的酸服务测试，包括从小型到大型和全尺寸组件的样品。DNV GL拥有全球专家网络，能够帮助行业应对当前和未来服务领域开发项目中出现的挑战。乐动体育登录

参考文献

1“海底腐蚀与水垢”，白勇，白强，《海底工程手册》(第二版)，出版。海湾专业出版，2018年11月，pp 455-487, ISBN 9780128126226

2石油和天然气工业。石油和天然气生产中含h2s环境用材料。第2部分:抗裂碳素钢和低合金钢以及铸铁的使用参考编号ISO 15156-2:2009(E)。ISO 2019

3.ISO 15156 - 2:2009