Стойкость к сероводороду (H₂S) (SSC / HIC, NACE MR0175 / ISO 15156) — способность стали работать в кислых средах нефтегаза без водородного и сульфидного растрескивания; проверяется по NACE MR0175 / ISO 15156.
Суть
Сероводород H₂S в пластовой воде, нефти и газе делает среду «кислой» (sour). Растворяясь, он подкисляет воду и ускоряет коррозию, но главная опасность не в потере металла, а в водороде: продукт коррозии — атомарный водород — из-за присутствия сульфид-ионов не успевает соединиться в молекулы на поверхности и диффундирует внутрь стали. Там он скапливается на включениях и границах зёрен и разрушает металл изнутри, при напряжениях много ниже предела текучести σт.
Различают два механизма. Сульфидное растрескивание под напряжением (SSC) возникает в твёрдых, высокопрочных сталях под действием растягивающих напряжений — от давления, монтажа или остаточных сварочных. Водородное растрескивание (HIC) развивается без внешней нагрузки: водород рекомбинирует в порах у вытянутых сульфидов марганца, давление в них растёт, появляются ступенчатые трещины вдоль проката. Оба вида — хрупкие, внезапные и почти не видимые снаружи, поэтому подробнее см. виды коррозии.
От чего зависит и как проверяют
Стойкость к H₂S — это не свойство марки «вообще», а результат чистоты, структуры и твёрдости конкретной плавки. Требования к материалам для кислых сред задаёт стандарт NACE MR0175 / ISO 15156, а среда считается кислой при парциальном давлении H₂S от 0,3 кПа.
- Твёрдость. Главный критерий против SSC: для углеродистых и низколегированных сталей ISO 15156-2 ограничивает твёрдость 22 HRC (около 237 HB или 250 HV), включая зону термического влияния сварного шва — см. твёрдость.
- Сера и неметаллические включения. Вытянутые сульфиды MnS — очаги HIC. Сталь глубоко десульфурируют (S на уровне тысячных долей процента) и обрабатывают кальцием, чтобы включения стали округлыми и не раскатывались в строчки.
- Структура и термообработка. Однородный мелкозернистый феррито-перлит или отпущенный мартенсит без полосчатости; закалка с отпуском предпочтительнее нормализации, если нужна прочность при ограниченной твёрдости — см. закалка и отпуск.
- Уровень прочности. Чем выше σт, тем чувствительнее сталь к SSC; поэтому для кислых сред группы прочности выбирают из специального ряда — см. группы прочности.
Проверяют стойкость лабораторно. По NACE TM0177 образец нагружают и выдерживают в насыщенном H₂S растворе NaCl с уксусной кислотой (pH около 2,7) 720 часов — трещин быть не должно. По NACE TM0284 ненагруженный образец выдерживают 96 часов, затем по шлифам считают коэффициенты трещин: длины CLR, толщины CTR и чувствительности CSR. Результат записывают в паспорт качества как отдельное испытание.
Ключевые числа
| Порог «кислой» среды (ISO 15156-1) | парциальное давление H₂S ≥ 0,3 кПа (0,05 psi) |
|---|---|
| Предел твёрдости, углеродистые и низколегированные стали (ISO 15156-2) | ≤ 22 HRC |
| Испытание на SSC (NACE TM0177, метод A) | 720 ч под нагрузкой в растворе 5 % NaCl + 0,5 % CH₃COOH, насыщенном H₂S |
| Испытание на HIC (NACE TM0284, раствор A) | 96 ч без нагрузки; оценка по CLR, CTR, CSR |
| Типовые критерии приёмки HIC (ISO 15156-2) | CLR ≤ 15 %, CTR ≤ 5 %, CSR ≤ 2 % |
| Обсадные трубы для кислых сред (API 5CT / ГОСТ 31446-2017) | группы L80, C90, T95; для L80 твёрдость ≤ 23 HRC |
| Общая коррозия против H₂S-растрескивания | SSC и HIC идут при напряжениях ниже σт и без заметной потери массы металла |
Где встречается в трубах
Сероводородостойкое исполнение заказывают для скважин, промысловых и технологических трубопроводов, где в среде есть H₂S: это бесшовные обсадные и насосно-компрессорные трубы по API 5CT / ГОСТ 31446-2017 и нефтегазопроводные трубы по отраслевым ТУ повышенной коррозионной стойкости. В сертификате такое исполнение отмечают отдельно, обычной трубе из стали 20 или 09Г2С стойкость к H₂S не приписывается.
- Обсадные трубы и нефтегазопроводные трубы — основные категории с сероводородостойким исполнением.
- Бесшовные трубы — базовый вид для кислых сред: нет шва и зоны термического влияния, где твёрдость чаще выходит за лимит.
- Стандарты и ТУ, в том числе ГОСТ 31446-2017 и ТУ на трубы повышенной коррозионной стойкости, — в библиотеке стандартов; текст ГОСТ 31446-2017 — на странице стандарта.
- Про условия работы промысловых труб — статья трубы для нефтегаза; про наружную защиту — полимерные покрытия.
Связанные термины
- Виды коррозии: сплошная, питтинг, МКК, КРНРавномерная коррозия предсказуема, а локальные виды — питтинг, межкристаллитная и коррозионное растрескивание — разрушают металл незаметно.
- Группы и классы прочности (К, API)Классы прочности маркируют сталь трубы по её механике: российский «К» — временное сопротивление в кгс/мм², API (J55, N80, L80) — предел текучести в ksi.
- Твёрдость: HB, HRC, HVСопротивление металла вдавливанию; методы Бринелля, Роквелла и Виккерса дают разные шкалы, но все они косвенно связаны с прочностью.
- Полимерные и изоляционные покрытияЗаводская изоляция труб (экструдированный полиэтилен, эпоксидные, ВУС) отсекает металл от среды; основа защиты подземных трубопроводов.