如何解读20#(抗SSC)钢管的设计和规范要求

How to interpret the 20 # (SSC) resistance of steel pipe design and specification requirements

王 楠 中石化武汉分公司工程质量监督站

（Wuhan Oil Products Company,Sinopec,Hubei Wuhan 430082,China） 摘要：随着石油化工行业的发展，炼厂里多数存在硫化物应力开裂（SSC）介质环境。因此，20#（抗SSC）钢管的使用也逐渐普及。文章主要针对设计文件要求和相应规范要求进行了分析和解读，以求通俗易懂。

Abstract: With the development of petrochemical industry, refinery in most existing sulfide stress cracking (SSC) medium environment. Therefore, 20 # (SSC) resistance the use of steel pipe is gradually popular. Article mainly aims at the design documents and specification requirements are analyzed and corresponding interpretation, in order to easy to understand

关键词：抗硫化物应力开裂、湿硫化氢破坏

Key words： sulfide stress cracking、Wet hydrogen sulfide damage 中图分类号：TB31 文献标识码：B 1.设计文件要求：

1.1标准GB8163、GB5310、GB9948钢管的钢应采用电炉+炉外精炼或氧气转炉+炉外精炼，炉外精炼的钢应经过真空脱气处理；

1.2所有碳钢管应使用镇静钢；

1.3应符合NACE MR0715和NACE MR0103的规定； 1.4屈服强度小于355MPa； 1.5 S≤0.01%，P≤0.015

1.6碳当量CE＜0.42%，CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15,且Ni＜1%；

1.7交货状态为正火热处理，可控扎（终轧温度≥880℃）代替正火； 1.8母材焊缝及热影响区的硬度不超过200HB，焊缝及热影响区的硬度不超过母材的120%。

2.对设计要求的解读

2.1对1.1提出的冶炼要求：“电炉+炉外精炼或氧气转炉+炉外精炼”在规范GB8163-2008《输送流体用无缝钢管》有关钢的冶炼方式中有相同的要求及更高要求

【1】

。GB5310-2008《高压锅炉用无缝钢管》和

GB9948-2006《石油裂化用无缝钢管》也有相同要求及更高要求。“炉外精炼的钢应经过真空脱气处理”实际上在进入20 世纪80年代后，随着炉外精炼技术、工艺、装备的快速发展，原冶炼工艺中在电弧炉内完成的合金钢、特殊钢的脱氧、合金化、除气、去夹杂的电炉“重头戏”移到炉外精炼炉去进行了。 电弧炉及转炉皆变为只须向炉外精炼炉提供含碳、硫、磷、温度、合金化合格或基本合格的钢水就算完成任务的炼钢初炼炉。 而真空脱气处理也是炉外精炼的方式之一，VD(Vacuum Degasser)即真空脱气，主要用于钢水脱氢和脱氮。产品主要为对夹杂物要求严格的优质钢种。RH精炼全称为RH真空循环脱气精炼法。其中RH为当时德国采用RH精炼技术的两个厂家的第一个字母组成。主要用于钢水脱氢，通常配有氧，用于脱碳和升温。产品主要为超低碳钢种。其他的炉外精炼方式还有如LF为钢包精炼炉，主要用于钢水脱硫和升温。VC为真空浇注。就目前国内的大型钢厂的电炉或转炉+真空脱气的炉外精炼方式在技术能力和产能方面完全可以满足大规模生产的需要。

2.2对1.2条“所有碳钢管应使用镇静钢”的解释：如20#钢依据我国的钢号的表示方法可知20#钢为优质碳素钢，也为镇静钢。若是沸腾钢或半沸腾钢则需要在“20”后面加F或b。

2.3对1.3条“应符合NACE MR0715和NACE MR0103的规定”的理解：在NACE MR0103-2005《腐蚀性石油炼制环境中抗硫化物应力腐蚀开裂材料的选择》规定了含H2S（气相或溶解于含水液相）的酸性石油炼制环境和相关的加工环境中（不管是否存在烃）抗硫化物应力开裂（SSC）的金属材料要求

【3】

。NACE MR0715-2003《油田设备用抗硫化物应力腐蚀

和应力腐蚀裂纹的金属材料》是专门为油、气开采行业制订的，炼制环境并不在此标准范围内

【3】

。NACE MR0103虽然是基于NACE MR0715的成

功经验，但又是专门为炼厂环境和用途制订的。原因是炼厂的高PH值酸性环境有别于油气开采酸性环境。后者的产品中的酸性物流中含有二氧化

碳，是的PH值较低。另一个区别是炼厂酸性环境中的氯离子浓度较石油开采酸性环境低得多。

2.4对1.4条“屈服强度小于355MPa”的理解：在GB8163-2008《输送流体用无缝钢管》中对不同厚度的20#钢管的屈服极限均有下限要求，范围在225-245MPa之间

【2】

。因此此条要求是控制屈服极限的上限。

2.5 对1.5条“S≤0.01%，P≤0.015%”的理解：硫和磷元素均是有害杂质。硫在金属从熔融状态冷却凝固的过程中容易发生偏析，以低熔点共晶物Fe+FeS或是FeS+FeO形式存在，会降低材料的冲击韧性和抗腐蚀性。磷的存在也会在材料凝固过程中形成低熔点共晶物如Fe+Fe3P,同样会降低材料的冲击韧性。相比之下硫的危害性更大一些。因此硫含量控制的更加严格一些。比较GB8163-2008《输送流体用无缝钢管》要求的硫、磷含量均不得大于0.035%要严格得多。因此，需要在采购合同里进行明示的。

2.6对1.6条“碳当量CE＜0.42%，

CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15,且Ni＜1%”碳素钢中决定强度和可焊性的因素主要是含碳量。然而除碳以外各种合金元素对钢材的强度与可焊性也起着重要作用。为便于表达这些材料的强度性能和焊接性能便通过大量试验数据的统计简单地以碳当量来表示。经验认为当碳当量CE＜0.4%时，可焊性较好。而碳当量0.4%-0.6%时，可焊性稍差一些。

2.7对1.7条“交货状态为正火热处理，可控扎（终轧温度≥880℃）代替正火”理解：在NACE MR0103-2005《腐蚀性石油炼制环境中抗硫化物应力腐蚀开裂材料的选择》中有对适用的碳钢管有热轧（仅适用于碳钢）和正火状态供货的要求

【3】

。

2.8对1.“母材焊缝及热影响区的硬度不超过200HB，焊缝及热影响区的硬度不超过母材的120%”的理解：由于硬度与抗拉强度有关，是硫化物应力腐蚀(SSC)敏感性的主要影响因素。硬度检测又属于非破坏性检验，因此被广泛用于控制产品质量和现场检验。在NACE MR0103-2005《腐蚀性石油炼制环境中抗硫化物应力腐蚀开裂材料的选择》中

【3】

规定在

冷加工出来的碳钢经热处理状态后的母材硬度不超过200HB。母材焊缝也

参照此规定设定。“焊缝及热影响区的硬度不超过母材的120%“在管道施工验收规范的国标以及中石化管道施工验收规范中均有此条规定，不再赘述。

3 抗硫化氢腐蚀的概念问题

3.1湿硫化氢破坏是指在含水和硫化氢环境中碳钢和低合金钢发生损伤过程。包括氢鼓包（HB）、氢致开裂(HIC)、硫化物应力腐蚀(SSC)和应力导向氢致开裂(SOHIC)四种形式。

3.1.1氢鼓泡（HB）：是金属表面硫化物腐蚀产生的氢原子扩散到钢中，并在钢中的聚集并结合成氢分子，造成氢的分压升高并引起局部受压，发生变形而形成鼓泡。会在刚才的表面形成的小泡，小泡之间一般不会发生合并。

3.1.2氢致开裂(HIC)：是氢鼓泡（HB）另外一种形式，氢鼓泡在材料内部不同深度形成时，相邻的鼓泡会连在一起，形成台阶状裂纹为氢致开裂。 裂纹一般沿轧制方向扩展，不会扩展到钢的表面。

3.1.3硫化物应力腐蚀(SSC)：在有水和H2S存在的情况下，与腐蚀和拉应力（外应力或残余应力）有关的一种金属开裂，它与金属表面、拉应力方向垂直。是氢应力开裂（HSC)的一种,它与在金属表面的因酸性腐蚀所产生的原子氢引起的金属脆性有关。在焊缝热影响区表面起裂，并沿厚度方向扩展。

3.1.4应力导向氢致开裂(SOHIC)：由于焊接残余应力或其他应力作用下，氢致开裂(HIC)沿厚度方向不断连通并形成最终暴露于表面的开裂。一般发生在焊接接头的热影响区部位，由该部位母材上不同深度的氢致开裂(HIC)沿厚度方向的连通形成的。

图-1硫化氢腐蚀的四种形式

3.2 对以上四种湿硫化氢损伤的形式NACE MR0103-2005《腐蚀性石油炼制环境中抗硫化物应力腐蚀开裂材料的选择》仅适用于硫化物应力腐蚀(SSC)形式。而且选用的材料是否能够抗硫化物应力腐蚀(SSC)还要参照NACE TM0177《H2S环境中抗特殊形式的环境开裂材料的实验室试验方法》进行试验以确定材料抗SSC的性能。因此，在设计文件中提到的抗硫化氢碳钢管是不够严谨的提法。而应该分门别类细化并提出不同的技术条件和规范选用。

4.焊接工艺评定的要求

在NACE MR0103-2005《腐蚀性石油炼制环境中抗硫化物应力腐蚀开裂材料的选择》中

【3】

规定：焊工和焊接工艺应按照AWS、API、AEME

或其他工业标准评定。在相似金属焊件中，即焊缝填充金属与母材相似会一致时，HAZ和焊后焊缝金属在适当焊后热处理后，其硬度应符合母材规定的硬度要求。由此可见在母材通过NACE TM0177《H2S环境中抗特殊形式的环境开裂材料的实验室试验方法》验证后，并且焊接材料具有和母材相同的化学成分以及性能指标时，焊接工艺评定无需再对焊接接头进行抗硫化物应力腐蚀(SSC)试验。只需要按照常规对焊接接头进行常规的机械性能试验如弯曲、拉伸试验等。

5.实际应用举例

在某项目中出现了20#（抗SCC）的钢管的使用。具体情况见下表-1 材料名称

规格（㎜）

20#（抗SCC） 焊丝(CHG-SH) 焊条(J427SH)

168*11 2.5 3.2

供货状态 正火 / /

S含量（%） 0.005 0.006 0.004

P含量（%） 0.011 0.011 0.010

屈服强度(MPa) 285-310 400 340

表-1 管道及焊接材料参数表

管道的供货状态和硫、磷含量以及屈服强度均满足设计文件要求。焊接材料的硫、磷含量也在设计要求范围内。在对焊缝热处理后的热影响区及焊缝的硬度检测（布氏硬度）结果为147-165.也满足设计文件要求。

6 综上所述，对于20#（抗SCC）碳钢管的设计要求中要重点关注硫元素、磷元素含量；管材的屈服强度和母材硬度值；焊接材料的硫、磷元素含量和焊后热处理的硬度值。并在实际应用中严格控制，以保证其抗硫化物应力腐蚀(SSC)的性能。

参考文献：

[1] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T8163-2008.输送流体用无缝钢管[S].北京.中国标准出版社.2008:4

[2] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T8163-2008.输送流体用无缝钢管[S].北京.中国标准出版社.2008:5

[3] NACE美国腐蚀工程师协会. NACE MR0103-2005 腐蚀性石油炼制环境中抗硫化物应力腐蚀开裂材料的选择[S].2005:4-20

2014.05.05 作者简介：王楠（1975-），1996年毕业于武汉水利电力大学（现为武汉大学 注：院校合并）所学专业：金属结构及焊接 专科；2010年毕业于武汉科技大学，所学专业：土木工程 专升本；现在中石化武汉分公司工程质量监督站工作，从事管道安装及静设备安装专业的质量监督工作，现有职称;工程师。