濕硫化氫應(yīng)力腐蝕工況國內(nèi)外設(shè)計標準的異同

錢曉娟， 夏 林， 房振忠

(1.吉林寶華安全評價有限公司， 吉林 長春 130000； 2.遼寧省石油化工規(guī)劃設(shè)計院有限公司，遼寧 沈陽 110000； 3.長春燃氣熱力設(shè)計研究院有限責(zé)任公司， 吉林 長春 130000)

1 概述

濕硫化氫應(yīng)力腐蝕(SSC)是天然氣開采及輸送過程中一種常見的腐蝕類型。濕硫化氫應(yīng)力腐蝕會造成管道在比預(yù)測低得多的工作壓力下斷裂，管道經(jīng)短暫暴露后就出現(xiàn)破損，以1周到3個月的情況最為多見[1]，不僅會對生產(chǎn)造成巨大的經(jīng)濟損失，而且對工作人員的生命安全造成嚴重傷害。因此，濕硫化氫應(yīng)力腐蝕工況下，天然氣管道的設(shè)計是否合理，將直接影響其在使用壽命周期內(nèi)的安全性以及經(jīng)濟性。

目前國內(nèi)長輸天然氣管道的設(shè)計主要執(zhí)行GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱GB 50251—2015)，但是越來越多的新建的石化類及化工類項目要求采用美標ASME B31.3-2018《工藝管道》(Process Piping)進行設(shè)計，這兩種規(guī)范代表了國內(nèi)外兩種不同的標準體系。在實際天然氣管道設(shè)計中，可能出現(xiàn)在相同濕硫化氫應(yīng)力腐蝕工況下，采用不同的標準體系，金屬管道材質(zhì)與管道壁厚選擇不一致的情況。

2 濕硫化氫應(yīng)力腐蝕工況的定義

關(guān)于濕硫化氫應(yīng)力腐蝕工況的定義，國標體系遵循的標準主要有SY/T 0599—2018《天然氣地面設(shè)施抗硫化物應(yīng)力開裂和應(yīng)力腐蝕開裂金屬材料技術(shù)規(guī)范》、GB/T 20972.1～3—2008《石油天然氣工業(yè) 油氣開采中用于含硫化氫環(huán)境的材料》。美標體系主要有NACE MR0175《油田設(shè)備用抗硫化物應(yīng)力腐蝕斷裂和應(yīng)力腐蝕裂紋的金屬材料》(Metals for Sulfide Stress Cracking and Stress Corrosion Cracking Resistance in Sour Oilfield Environments)、NACE MR0103《石油、石化和天然氣工業(yè)-金屬材料在腐蝕性石油精煉環(huán)境中抗硫化應(yīng)力開裂》(Sulfide Stress Cracking Resistant Metallic)、API RP 581《基于風(fēng)險的檢測技術(shù)》(Risk-based Inspection Methodology)。兩種體系下對于濕硫化氫環(huán)境定義基本相同，即指在介質(zhì)中有液態(tài)水和一定濃度的硫化氫，且壓力符合標準規(guī)定條件下的工藝環(huán)境，一般認為，符合以下條件為濕硫化氫應(yīng)力腐蝕工況：

① 介質(zhì)溫度小于等于(60+2p) ℃，p為設(shè)計壓力，單位為MPa；

② 硫化氫分壓大于等于0.35 kPa(相當(dāng)于常溫下硫化氫水中質(zhì)量濃度大于等于10 mg/L)；

③ 介質(zhì)中含水或介質(zhì)溫度低于水的露點；

④ 介質(zhì)pH值小于9或有氰化物存在。

3 兩種標準體系的選材要求對比

在國標體系與美標體系中都根據(jù)介質(zhì)pH值與硫化氫含量，對于發(fā)生濕硫化氫應(yīng)力腐蝕風(fēng)險進行分級，并根據(jù)風(fēng)險的分級以及是否進行熱處理將工況進行分區(qū)，對于不同的分區(qū)采取不同的防范策略。發(fā)生濕硫化氫應(yīng)力腐蝕風(fēng)險級別見表1, 濕硫化氫應(yīng)力腐蝕工況分區(qū)見表2。

表1 發(fā)生濕硫化氫應(yīng)力腐蝕風(fēng)險級別

表2 濕硫化氫應(yīng)力腐蝕工況分區(qū)

由表2可知，母材、焊縫和熱影響區(qū)的HB硬度在決定碳鋼和低合金鋼的抗?jié)窳蚧瘹鋺?yīng)力腐蝕性能方面起著重要的作用?？刂艸B硬度是一種獲得抗硫化氫應(yīng)力腐蝕的可接受方法。

處于腐蝕工況分區(qū)3區(qū)的管道，國內(nèi)標準體系中做出了選材推薦，常用的管材牌號為20，制造標準執(zhí)行GB/T 9948—2013《石油裂化用無縫鋼管》,并應(yīng)符合其附錄《用于含H2S環(huán)境的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼鋼管抗開裂補充技術(shù)要求的規(guī)定》的要求。并且特別提出應(yīng)用GB 50251—2015地區(qū)分級為一級、二級的地區(qū)時，最小屈服強度小于290 MPa的碳鋼管道可不做焊后熱處理。

美標體系中對于抗?jié)窳蚧瘹鋺?yīng)力腐蝕的選材提供了兩種思路：按照經(jīng)驗選材和按試驗選材。按經(jīng)驗選材一般對于處于腐蝕風(fēng)險級別為低的工況不做詳細考慮，但應(yīng)考慮不正常使用條件或停車時暴露于低pH值凝結(jié)水的工況；對于腐蝕風(fēng)險級別為中等和強的工況按照NACE MR0175附錄A2考慮。按試驗選材一般通過NACE MR0175附錄B進行試驗評定。

4 兩種標準體系壁厚計算式對比

① 國標體系直管段壁厚計算公式

根據(jù)GB 50251—2015，天然氣管道直管段計算壁厚應(yīng)根據(jù)式(1)計算結(jié)果，按鋼管標準規(guī)格向上圓整至鋼管公稱直徑的壁厚。式(1)如下：

(1)

式中δ——鋼管計算壁厚，mm

p——設(shè)計壓力，MPa

D——鋼管外徑，mm

σs——鋼管的最低屈服強度，MPa

φ——焊縫系數(shù)，無縫鋼管取1

F——強度設(shè)計系數(shù)，見表3

t——溫度折減系數(shù)，當(dāng)溫度小于120 ℃時取1

表3 強度設(shè)計系數(shù)

② 美標體系直管段壁厚計算公式

根據(jù)ASME B31.3-2018，當(dāng)設(shè)計壁厚小于鋼管外徑的1/6時，直管的計算壁厚不應(yīng)小于式(2)的計算值。式(2)如下：

(2)

δm=δ+C1+C2

式中σ——設(shè)計溫度下材料的許用應(yīng)力,MPa

E——質(zhì)量系數(shù)

W——焊接接頭強度降低系數(shù)，詳見ASME B31.3-2018中302.3.5(e)節(jié)

Y——系數(shù)，設(shè)計溫度小于等于482 ℃時，碳鋼一般取0.4

δm——直管設(shè)計壁厚，mm

C1——加工負偏差引起的壁厚減薄量,mm

C2——腐蝕余量,mm

③ 兩種標準體系壁厚選取的異同

兩種標準體系的相同點在于壁厚計算都是采用彈性失效準則，以最大剪應(yīng)力理論推導(dǎo)出的壁厚計算公式，但是在公式的形式上又有諸多不同。

a.厚度附加量(C1與C2之和)選取不同，厚度附加量由兩部分組成：一是由于加工負偏差導(dǎo)致的壁厚減薄量，該值在GB 50251—2015中，依據(jù)標準確定強度設(shè)計時給予了適當(dāng)考慮并加了余量，但是在ASME B31.3-2018中一般取計算壁厚的12.5%；二是腐蝕余量，該值在兩個標準體系中視介質(zhì)綜合考慮，對于濕硫化氫腐蝕工況下一般選取3 mm。

b.鋼管強度的選取有所不同，GB 50251—2015中壁厚計算公式采用的是最小屈服強度，而ASME B31.3-2018采用的是許用應(yīng)力。

c.GB 50251—2015中引入了強度設(shè)計系數(shù)，即管道的壁厚與管道敷設(shè)的地區(qū)有關(guān)，這可能導(dǎo)致相同工況的管道由于敷設(shè)區(qū)域的不同，壁厚也會不同。

5 結(jié)語

在天然氣輸送管道設(shè)計中，濕硫化氫應(yīng)力腐蝕是較為常見的一種工況。了解該工況下國內(nèi)外標準體系在選材要求和壁厚計算的不同，對于標準化設(shè)計、降低采購成本和方便后期施工與運行管理等多方面有著諸多的益處。