湿硫化氢应力腐蚀工况国内外设计标准的异同

钱晓娟， 夏 林， 房振忠

(1.吉林宝华安全评价有限公司， 吉林 长春 130000； 2.辽宁省石油化工规划设计院有限公司，辽宁 沈阳 110000； 3.长春燃气热力设计研究院有限责任公司， 吉林 长春 130000)

1 概述

湿硫化氢应力腐蚀(SSC)是天然气开采及输送过程中一种常见的腐蚀类型。湿硫化氢应力腐蚀会造成管道在比预测低得多的工作压力下断裂，管道经短暂暴露后就出现破损，以1周到3个月的情况最为多见[1]，不仅会对生产造成巨大的经济损失，而且对工作人员的生命安全造成严重伤害。因此，湿硫化氢应力腐蚀工况下，天然气管道的设计是否合理，将直接影响其在使用寿命周期内的安全性以及经济性。

目前国内长输天然气管道的设计主要执行GB 50251—2015《输气管道工程设计规范》(以下简称GB 50251—2015)，但是越来越多的新建的石化类及化工类项目要求采用美标ASME B31.3-2018《工艺管道》(Process Piping)进行设计，这两种规范代表了国内外两种不同的标准体系。在实际天然气管道设计中，可能出现在相同湿硫化氢应力腐蚀工况下，采用不同的标准体系，金属管道材质与管道壁厚选择不一致的情况。

2 湿硫化氢应力腐蚀工况的定义

关于湿硫化氢应力腐蚀工况的定义，国标体系遵循的标准主要有SY/T 0599—2018《天然气地面设施抗硫化物应力开裂和应力腐蚀开裂金属材料技术规范》、GB/T 20972.1～3—2008《石油天然气工业 油气开采中用于含硫化氢环境的材料》。美标体系主要有NACE MR0175《油田设备用抗硫化物应力腐蚀断裂和应力腐蚀裂纹的金属材料》(Metals for Sulfide Stress Cracking and Stress Corrosion Cracking Resistance in Sour Oilfield Environments)、NACE MR0103《石油、石化和天然气工业-金属材料在腐蚀性石油精炼环境中抗硫化应力开裂》(Sulfide Stress Cracking Resistant Metallic)、API RP 581《基于风险的检测技术》(Risk-based Inspection Methodology)。两种体系下对于湿硫化氢环境定义基本相同，即指在介质中有液态水和一定浓度的硫化氢，且压力符合标准规定条件下的工艺环境，一般认为，符合以下条件为湿硫化氢应力腐蚀工况：

① 介质温度小于等于(60+2p) ℃，p为设计压力，单位为MPa；

② 硫化氢分压大于等于0.35 kPa(相当于常温下硫化氢水中质量浓度大于等于10 mg/L)；

③ 介质中含水或介质温度低于水的露点；

④ 介质pH值小于9或有氰化物存在。

3 两种标准体系的选材要求对比

在国标体系与美标体系中都根据介质pH值与硫化氢含量，对于发生湿硫化氢应力腐蚀风险进行分级，并根据风险的分级以及是否进行热处理将工况进行分区，对于不同的分区采取不同的防范策略。发生湿硫化氢应力腐蚀风险级别见表1, 湿硫化氢应力腐蚀工况分区见表2。

表1 发生湿硫化氢应力腐蚀风险级别

表2 湿硫化氢应力腐蚀工况分区

由表2可知，母材、焊缝和热影响区的HB硬度在决定碳钢和低合金钢的抗湿硫化氢应力腐蚀性能方面起着重要的作用。控制HB硬度是一种获得抗硫化氢应力腐蚀的可接受方法。

处于腐蚀工况分区3区的管道，国内标准体系中做出了选材推荐，常用的管材牌号为20，制造标准执行GB/T 9948—2013《石油裂化用无缝钢管》,并应符合其附录《用于含H2S环境的优质碳素结构钢钢管抗开裂补充技术要求的规定》的要求。并且特别提出应用GB 50251—2015地区分级为一级、二级的地区时，最小屈服强度小于290 MPa的碳钢管道可不做焊后热处理。

美标体系中对于抗湿硫化氢应力腐蚀的选材提供了两种思路：按照经验选材和按试验选材。按经验选材一般对于处于腐蚀风险级别为低的工况不做详细考虑，但应考虑不正常使用条件或停车时暴露于低pH值凝结水的工况；对于腐蚀风险级别为中等和强的工况按照NACE MR0175附录A2考虑。按试验选材一般通过NACE MR0175附录B进行试验评定。

4 两种标准体系壁厚计算式对比

① 国标体系直管段壁厚计算公式

根据GB 50251—2015，天然气管道直管段计算壁厚应根据式(1)计算结果，按钢管标准规格向上圆整至钢管公称直径的壁厚。式(1)如下：

(1)

式中δ——钢管计算壁厚，mm

p——设计压力，MPa

D——钢管外径，mm

σs——钢管的最低屈服强度，MPa

φ——焊缝系数，无缝钢管取1

F——强度设计系数，见表3

t——温度折减系数，当温度小于120 ℃时取1

表3 强度设计系数

② 美标体系直管段壁厚计算公式

根据ASME B31.3-2018，当设计壁厚小于钢管外径的1/6时，直管的计算壁厚不应小于式(2)的计算值。式(2)如下：

(2)

δm=δ+C1+C2

式中σ——设计温度下材料的许用应力,MPa

E——质量系数

W——焊接接头强度降低系数，详见ASME B31.3-2018中302.3.5(e)节

Y——系数，设计温度小于等于482 ℃时，碳钢一般取0.4

δm——直管设计壁厚，mm

C1——加工负偏差引起的壁厚减薄量,mm

C2——腐蚀余量,mm

③ 两种标准体系壁厚选取的异同

两种标准体系的相同点在于壁厚计算都是采用弹性失效准则，以最大剪应力理论推导出的壁厚计算公式，但是在公式的形式上又有诸多不同。

a.厚度附加量(C1与C2之和)选取不同，厚度附加量由两部分组成：一是由于加工负偏差导致的壁厚减薄量，该值在GB 50251—2015中，依据标准确定强度设计时给予了适当考虑并加了余量，但是在ASME B31.3-2018中一般取计算壁厚的12.5%；二是腐蚀余量，该值在两个标准体系中视介质综合考虑，对于湿硫化氢腐蚀工况下一般选取3 mm。

b.钢管强度的选取有所不同，GB 50251—2015中壁厚计算公式采用的是最小屈服强度，而ASME B31.3-2018采用的是许用应力。

c.GB 50251—2015中引入了强度设计系数，即管道的壁厚与管道敷设的地区有关，这可能导致相同工况的管道由于敷设区域的不同，壁厚也会不同。

5 结语

在天然气输送管道设计中，湿硫化氢应力腐蚀是较为常见的一种工况。了解该工况下国内外标准体系在选材要求和壁厚计算的不同，对于标准化设计、降低采购成本和方便后期施工与运行管理等多方面有着诸多的益处。