刘健 张本强
（中国石油工程建设公司，北京，100001）
【摘 要】介绍了石油天然气行业含硫化氢酸性环境工况对阀门的基本技术要求，对阀体相关材料基本技术条件进行了阐述，结合工程实际重点对阀门材料选择、阀门的检验进行了分析。为保证阀门材料的强度，达到相应抗硫化氢应力腐蚀开裂，需要严格控制原材料中S和P的含量。
【关键词】含硫化氢工况；阀门NACE MR0175HIC&SSC试验
一、前言
油气田的天然气或伴生气大都是含硫较高的酸性气体，以土库曼斯坦巴格德雷B区扬-恰、别-皮气田为例，原料气中H2S平均摩尔含量为0.37%，且原料气中含有水分。在这种湿H2S环境下，一般会发生如下几种破坏：H2S应力腐蚀开裂（SSC）、氢致开裂（HIC）、氢蚀起泡（HB）以及应力导向氢致开裂（SOHIC）等。其中尤以湿硫化氢应力腐蚀开裂最为普遍。当介质符合下列各项条件时，即构成湿硫化氢应力腐蚀环境：（1）游离水中溶解的H2S浓度大于50×10-6（50ppm）（质量分数）；（2）游离水pH值小于4.0，并溶有H2S；（3）游离水的pH值大于7.6，且氢氰酸（HCN）含量大于20×10-6（20ppm）（质量分数），并溶有H2S；（4）气相中的H2S分压大于0.0003MPa（绝压）。当介质构成湿硫化氢应力腐蚀开裂的环境条件时，选用的材料应符合下列要求：（1）材料标准规定的屈服强度应小于或等于355MPa；（2）材料实测的抗拉强度应小于或等于630MPa；（3）材料的使用状态为正火、正火加回火、退火或调质状态；（4）碳当量限制：对碳钢和碳锰钢应小于或等于0.4%，对低合金钢应小于或等于0.45%；（5）硬度限制：无论是对材料本体或焊缝及热影响区，硬度均应小于或等于HB200；（6）焊后应进行消除应力热处理或其他等效的热处理[1]。国际上常规的做法是参照NACE MR 0175/ISO 15156要求的方法来处理。对服役于湿H2S环境下的阀门材料要求同样如此。
二、酸性环境工况下对阀门材料的基本要求
在含硫化氢环境工况下，为防止阀门材料因H2S应力腐蚀开裂和氢致开裂，阀门的阀体及过流件材料除须符合NACE MR0175/ISO 15156的酸性服役条件下的特殊要求外，还应按照标准要求进行HIC 试验和SSC 试验。国内现在具备该试验条件的实验室已经比较成熟，HIC&SSC试验周期在2个月左右。通常情况，还要求阀门具有在相同苛刻程度或更加严苛工况下两年及两年以上的服役业绩。
三、阀体及过流件材料基本技术条件
选择阀体及过流件的材料应能适应工程的酸性腐蚀条件，用于制造阀体及过流件的材料均应符合NACE MR0175/ISO15156及有关阀门材料标准的要求。下面阐述不同材质的阀体及过流件的基本技术条件。
用于制造阀体及过流件的碳钢应由电炉炼制或顶吹氧转炉法处理。碳钢的化学成分应符合相关的材料标准要求，其中：碳钢或铸钢：S≤0.01%,P≤0.025%,Ni ≤ 1.0%。作为阀门焊接成型的部分（如焊接的阀体）应满足下列要求：碳当量 CE≤ 0.42%。
碳当量的计算公式:
碳钢材料和焊接应符合 NACE MR0175/ISO15156-2 附件 A 的要求，硬度≤22HRC，显微硬度≤250HV10。用于制造阀体及过流件的材料应为正火态、正火+回火态，或淬火+回火态。
检验技术条件
对于碳钢的阀体及过流件，应根据 ISO 4967，ASTM E 45 对非金属夹杂进行评定。脆性非金属夹杂（氧化物和脆性硅酸盐类）或弹性非金属夹杂（硫化物和弹性硅酸盐类）不得超过 1.5级。组织缺陷按 ISO 4969 或 ASTM E 3811 规定试验，级别评定结果应满足一般疏松≤2 级，中心疏松≤2 级，偏析≤2 级，不允许材料内部存在白点、裂纹、气孔等缺陷。对碳钢锻件或铸件，晶粒度的测定按 ASTM E 112 规定，其结果应是 5 级或 5级以上的晶粒度。
每个阀门阀体都应进行硬度测试。材料按ASME规定进行冲击试验，冲击试验温度-30℃，试样冲击功平均值不低于 34J，单个试样不低于 27J。同一规格同一热处理批号，每组试样不小于 3个。
耐腐蚀试验
应按照相关要求对阀体材料进行 SSC 和 HIC 测试。在制造工艺验证过程中进行一次验证试验。
HIC 测试
采用 NACE TM0284-2003 标准，测试溶液：A 溶液；测试时间：96 小时。每个试样的单个截面的最大允许值不应超过下述指标：
裂纹长度率（CLR）≤15%，
裂纹厚度率（CTR）≤5%，
裂纹敏感率（CSR）≤2%。
报告中应提供所有裂纹的金相照片或图表，并要求随测试报告附试片表面的氢鼓泡照片。
SSC 测试
按照 ISO 7539-2 或 ASTM G39 标准采用四点弯曲试件进行，测试溶液：NACETM0177-2005 的 A 溶液。测试加载应力：80%实际屈服强度（AYS）；测试时间：720小时；验收指标：在 10 倍显微镜下观察，试样在受拉力面上不得有任何 SSC 表面裂纹或开裂。
另外，对于合金钢阀门的内构件使用的合金，其硬度≤22HRC。奥氏体不锈钢锻件应符合NACE MR0175/ISO 15156-3附录A的制造要求，不允许冷加工。供应的奥氏体不锈钢应为下述的状态之一：
固熔退火，化学纯，钝化
固熔退火，电解抛光
固熔退火，钝化
固熔退火
沉淀硬化钢耐蚀合金应进行最后热处理，以控制材料的硬度满足 NACEMR0175/ ISO 15156 的要求。
阀体及过流件除了满足上述基本技术条件外，还应在酸性环境有应用经验，并已证明其性能和质量满足酸性气体工况的要求，并能保证使用寿命。
四、阀门零部件的基本技术条件
橡胶部件
阀座或垫片材料应满足阀门数据单规定的设计压力-温度要求。所有 600 磅压力等级和其以上的阀门都应考虑密封件适应爆裂减压。与流体接触的橡胶部件应由新材料制造，不接受和不得使用再生材料。接触湿酸性介质的非金属材料不能使用尼龙、丁晴橡胶类材料。鉴于化学药剂的影响和服役环境，应考虑软阀座和橡胶的选择。应充分考虑选择的密封材料与缓蚀剂的配伍性和酸性环境适应性。
润滑剂
粘度大于煤油的润滑剂不能用于阀门内构件的组装，包括阀杆。
阀门内构件
阀门内构件需满足以下技术条件：（1）铸铁，球墨铸铁，或可锻铸铁，铝，塑料或含铜合金不得用于酸性环境；（2）用于制造阀杆的材料应满足 NACE MR0175/ISO 15156-3 的要求，或者采用堆焊碳化物、钨络钴合金及其他CoCr/NiCr表面硬化材料；（3）接触湿酸性介质的内构件应为锻件。
阀盖密封环
密封环材质应由碳钢或硬度最大为 160HBW（83HRB）的奥氏体不锈钢制造。
螺栓材料
对外部螺栓应满足 ASTM A193 或 GB/T 9125-2003 的要求。内部螺栓应满足服役环境的要求。当暴露在 H2S 环境时，应满足NACEMR0175/ISO15156 要求，螺栓和螺帽最大硬度不得超过 22HRC。
阀盖垫片
螺栓连接的阀盖或法兰盖的垫片应满足阀门的压力等级和工艺要求的最高/最低温度。阀盖垫片可以按制造厂家的标准，提供的标准应等同或高于服役环境用的连接法兰垫片。金属和非金属垫片材质的抗腐蚀性能应等于或高于阀体和阀盖材料的抗腐蚀性能。
四、结语
在高含H2S介质环境下，阀门材料抗H2S应力腐蚀及氢致开裂的能力，事关阀门的使用寿命及整个工程的质量。在油气田工程的阀门评标和采购过程中，相关技术和采购人员必须了解该环境工况下阀门的特殊要求，掌握相应的阀门检验技术条件。为确保阀门的性能满足高含硫介质工况要求，必须严格控制阀门原材料中的含S和含P量，采用合理的热处理方式，并按照NACE MR0175 / ISO 15156标准要求，进行酸性服役条件所要求的HIC、SSC试验。
参考文献：
[1]《全国压力管道设计审批人员培训教材》国家质量监督检验检疫总局特种设备安全监察局编 第二版 中国石化出版社 2011.9
[2] 《NACE MR0175油田设备用抗硫化应力裂纹的金属材料》2015版
[3] 《ISO 4967-2013 钢.非金属夹杂物含量的测定》2013版
[4]《ISO 4969-2015Steel - Etching method for macroscopic examination》2015版
论文作者:刘健,张本强
论文发表刊物:《工程建设标准化》2016年5月总第210期
论文发表时间:2016/7/15
标签：阀门论文; 材料论文; 阀体论文; 酸性论文; 应力论文; 工况论文; 环境论文; 《工程建设标准化》2016年5月总第210期论文;