Microsoft Word - Mr0175.doc

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태호 군
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1 NACE Standard MR Item No Section 1: General 1.1 Scope 이 Standard 는 H2S 를함유한 Hydrocarbon Service 에서 Sulfide Stress Cracking(SSC) 에저항성이있는재료의요구조건을나타내고있다. 1.2 Applicability 이 Standard 는 Sour Environment 에노출되는모든장치물에적용된다. Atmospheric & Low-Pressure System, Water Handling Facility, Sucker Rods, Subsurface Pump 와같은경우의재료선택에대해서는다른 NACE 나 API 에자세히설명되어있다. 1.3 Sour Environments Sour Environments 는 liquid 와 hydrogen sulfide 가 과 에정의된한계치를초과하면서물을함유하고있는 Fluid 로서정의된다. SSC 는다음인자들의복합적인상호작용에의해서영향을받는다. -화학조성, 강도, 열처리, 재료의미세조직 -environment 의수소이온농도 (ph) -hydrogen sulfide 농도와 total pressure -total tensile stress -온도와시간 ( 주 : 과 , Fig.1,2 의 H2S level 은 low-alloy steel 로부터나온 data 를이용하여작성되었다.) Sour Gas gas 압력 :total pressure 448kPa(65psia) 이상 gas 내의 H2S 분압 : 0.34kPa(0.05psia) 이상이두압력보다낮은경우는이 standard 의 scope 에서벗어난다. 분압은 gas 내의 H2S 의 mole fraction(mol% 100) 과 total system pressure 를곱함으로써계산됨. Figure 1 은 sour environment 에서 H2S 의 partial pressure 가 0.05psi 를초과하는지를결정하는가장편리한방법이다. <example> (1)1000psia 의 total pressure, 0.01 mol%(100standard cubic feet 당 100ppm 이나 6.7grains) H2S 를함유하고있는 H2S 의 partial pressure - point A on Figure 1 (2) 200psia 의 total pressure, mol%(100standard cubic feet 당 50ppm 이나 3.3grains) H2S 를함유하고있는 H2S 의 partial pressure - point B on Figure Sour Oil and Multiphases

2 다음의조건을만족하면서현재취급하고있는 fluid 가 crude oil 이거나 2 or 3 phase crude, water, gas 인경우 standard equipment 를이용해서만족스럽게운전되고있는 sour crude oil system 은이 standard 의 scope 를벗어난다. (1)max. gas 와 oil 의비는 oil 의 barrel 당 5000SCF(standard cubic feet) (2)gas phase 가최대 15% 의 H2S 를함유하고있는경우 (3)gas phase 의 H2S 의 partial pressure 가최대 69kPa(10psia) 인경우 (4)surface operating pressure 가최대 1.8Mpa(265psia) (5) pressure 가 265psia 를초과한다면 paragraph 을참조하라. 1.4 Control of Sulfide Stress Cracking SSC 는아래의방법전부나일부를이용해서조절될수있다. (1) 이 standard 에설명된재료나공정의이용 (2) environment 의조절 (3) sour environment 로부터장치물을고립시킴. SSC 에민감한금속들은 drilling 과 workover 작업중에 drilling 이나 workover fluid property 를조절함으로써성공적으로사용되어왔다. 1.5 현장에서의재료의성능은실험실에서의실험결과와는다를수있다. 이 standard 를사용하는사람들을위해서최초의 MR0175 에포함된재료들을 Index 에나타내었다. 이 standard 에포함된재료들은모든 Service 조건하에서 SSC 에 ( 반드시면역성을갖는것은아니지만 ) 저항성을갖는다 Section 3 에서 11 까지나타난재료와제조공정을통해서 ( 명시된열처리와기계적성질을갖도록제조하고명시된조건하에서사용함으로써 ) Sour environment 에서 SSC 에대한저항성을가질수있다. 1.6 Procedures for the Addition of New Materials or Processes NACE Standard Test Method TM0177 에따른 Laboratory Test 1.7 Hardness Requiremnts ASTM Standard 에의한정확한경도시험 정확한경도값을얻기위해서는충분한횟수의경도측정이필요. 개개의경도값이이 standard 에서허용하는값을초과한다할지라도평균치가허용치를초과하지않고허용치에서 HRC2 이상초과하지않는다면이용할수있다 HRC 가이 standard 에서사용됨. 경우에따라선 HB 등의다른경도도이용가능. ASTM E140 Standard Hardness Conversion Table for Metals 나 Federal Standard No.151, Method Hardness Conversion Table for Steel 의경도환산도이용가능. Microhardness 에대한허용가능기준은이 standard 의범위에서벗어남.

3 1.8 Materials Handling 부적절한설계, 제조, 설치, 사용을통해서 SSC 에저항성을갖고있는재료가 SSC 에민감해질수도있다. 1.9 이 standard 는어떤주어진환경에서사용될다양한재료를포함하고있다. 사용자는압력, 온도, 부식성, 유체의성질등의운전조건을기초로재료를선택해야한다. Section 2 : Definitions Section 3 : Ferrous Metals 3.1 General 대부분의 ferrous metal 의 SSC 에대한감수성은열처리, 냉가가공등에큰영향을받는다. 다음절들은각각의재료에대한열처리조건을다루고있다. 재질조건 HRC Carbon and Low- Alloy Steels )Ni 1% 이하 2)Paragraph 3.2.2, 3.3 과 Section 5 의 criteria 를만족하는경우 3) 다음의열처리조건중에서하나를만족한다면 -hot-rolled(carbon steel 만 ) -annealed -normalized -normalized and tempered -normalized, austenitized, quenched, tempered -austenitized, quenched, tempered ASTM A105 의요구조건에따라서제조된 Forging rolling, cold forging 등의 cold deforming(5% 이상의영구변형 ) 의경우 ASME Code, Section Ⅷ, Division 1 에따른 stress relief 필요 ( 단, 최소온도는 595 ) 이요구조건은 Table 3 에나타난 pipe grade 에는적용안됨. Cold-rotary straightened pipe 는 API specification 에서허용하는경우에만적용. ASTM A 53 Grade B, ASTM A 106 Grade B, API 5L Grade X-42 나유사한조성의더낮은강도를갖는 grade 의냉간가공된 line pipe fitting 은 strained 된부위의경도가 190HB 를초과하지않는다면 (max.) 22 HB

4 Free-Machining Steels Cast Iron Austenitic Stainless Steels (*Chloride SCC 발생가능 ) 15% 나그이하의 cold strain 에대해서도저용가능하다 Cr, Mo series(aisi 41XX 와그 modification) 의 low-alloy steel 로제조된 tubular 와 tubular component 를 quenching 과 tempering 할경우 HRC 보다더큰경도값을갖는이러한 alloy 의 SSC 에대한저항성을확보하기위해서는화학조성과열처리에주의가필요. HRC 22 이상의이러한 alloy 를사용할경우 Paragraph 1.6 에따라서 SSC test 를해야함 tubular 와 tubular component 가 510 나그이하에서 cold straigtened 되었다면최소 480 에서 stress relief 실시 사용안함 Gray, austenitic, white cast iron 은 pressure-containing member 로서부적절. 이런재료는구매자가원한다면 API 나다른 standard 와관련된 internal component 로서사용될수있다 Ferritic ductile iron ASTM A 395 는 API, ANSI 등의 standard 가허용한다면사용가능함 Table 1 의 standard 에명시된화학조성의 Austenitic sus(cast 또는 wrought 든관계없이 ) 의경우기계적성질의향상을위한냉간가공없이 annealing 할때 Austenitic sus UNS S20910 은기계적성질의향상을위한냉간가공없이 annealing 이나 hot-rolled(hot/cold-worked) 시 Austenitic sus alloy UNS N08020 의경우 annealing 이나냉간가공시 ASTM A351, A743, A744 를만족하는 Cast CN7M 는다음의조건하에서는 nondownhole 에도적용가능. 1) 최소 1121 에서 solution-annealing 하거나최소 1121 에서 solution-annealing 하고 AWS E320LR 이나 ER320LR 로용접 2) Casting 은 Argon-oxygen decarburization(aod) 로제조되어야함. 3) ASTM A351, A743, A744 의 CN7M 조성은최대 0.03% C, 1.00% Si, 3~5% Cu, 0.015% Sulfur, 0.030% P, 0.05% Al 로제한됨. 4) 최대 22 HRC Wrought austenitic sus UNS S31254 는 annealing 과냉간가공시 austenitic sus UNS N08367 의경우 salinity 가 5000mg/L 를초과하 22

5 지않고 H2S 분압이 45psia 를넘지않을때 150 이하의온도에서 free elemental sulfur 가없다면 Ferritic Stainless Ferritic sus 는 annealing 조건과 Section 5 의 criteria 를만족시. Steels Ferritic sus 를 Table 1 에나타내었음. Martensitic Table 1 의 Martensitic sus(cast 또는 wrought 인지관계없이 ) 는 Stainless Steels paragraph 의열처리와 section 5 의 criteria 를만족시. (Valve 제조업체 MR0175 를따른 Martensitic Stainless Steels 는 sour environment 에서만들은 sour service 족스런결과를제공한다. 에서 valve stem Heat Treat Procedure(3 단계 ) 이나다른 high 1) normalize 나 austenitize 하고 quenching stress 장치에이 2) 최소 620 에서 tempering 하고 ambient 온도로냉각재료를일반적으 3) 최소 620 에서 tempering 하나최초의 tempering 온도보다더낮로사용안함.) 게그리고나서 ambient 온도로냉각 Low-Carbon Martensitic Stainless Steels ASTM A 487 Grade CA6NM 과 UNS S42400 의화학적요구조건을만족하는 cast & wrought low-carbon martensitic sus 는 paragraph 에따른열처리시 Heat-Treat Procedure(3 단계 ) 1) 최소 1010 에서 austenitize 하고 ambient 온도까지공냉이나유냉함. 2) 648~690 에서 tempering 하고 Ambient 온도로공냉. 3) 593~620 에서 temper 하고 ambient 온도로공냉 Precipitation Hardening Stainless Steels (*Chloride SCC 발생가능 ) Wrought UNS S17400 Martensitic Precipitation-Hardening Stainless Steels 은 paragraph 이나 paragraph 에따른열처리시. 이 standard 에의한 Martensitic Precipitation-Hardening Martensitic Stainless Steels 은 sour environment 에서만족스런결과를제공. 그러나이재료들은이 standard 에포함된다른재료보다더낮은 NACE Standard TM0177 의 threshold stress level 을나타냄 Double Age at 620 1) 1040 ±14 에서 solution anealing 하고 32 이하로공냉이나적당한액체로 quenching 함. 2) 최소 4시간동안 620±14 에서 harden 하고공냉. 3) 두번째 precipitation-hardening step 전에 32 이하로냉각 33

6 4) 최소 4 시간동안 620±14 에서 harden 하고공냉 Heat-Treat Procedure 2(3 단계과정 ) 1) 1040 ±14 에서 solution anealing 하고 32 이하로공냉이나적당한액체로 quenching 함. 2) 최소 2시간동안 760±14 에서 harden 하고두번째 precipitationhardening step 전에 32 이하로공냉. 3) 최소 4 시간동안 620±14 에서 precipitation harden 하고공냉 UNS S66286 의화학조성의 Austenitic Precipitation Hardening Stainless Steels 은 solution-annealing 과 aging 하거나 solution-annealing 과 double-aging 한다면 Wrohght UNS S45000 martensitic Precipitation Hardening Stainless Steels 은 Paragraph 에따라열처리한다면 Heat-Trea Procedure(2 단계과정 ) 1) solution annealing 2) 최소 620 에서 4시간동안 precipitation hardening Duplex Stainless Steels (*Chloride SCC 발생가능 ). Section 5 : Fabrication Table 1 의 wrought duplex sus 는 solution-annealing 시 cast duplex sus Z6CNDU20.28M, NF A French National Standard 는 ferrite 함량이 25~40% 라면 annealing 과 quenching 시. annealing 은 1150±10 에서실시하고 sigma 상의석출을방지하기위해서급냉 wrought duplex sus UNS S32404(0.1~0.2% Ni) 은 solution-annealing 시 solution-annealed & cold-worked UNS S31803 은 hydrogen sulfide 분압이 0.3psi 를초과하지않고재료의인장강도가 160ksi 를넘지않고경도가 36HRC 를초과하지않는다면 sour environment 에서 232 까지는사용가능 wrought duplex sus UNS S32750 은 H2S 분압이 1.5psi 를초과하지않는다면 232 까지의 sour environment 에서 solution-annealing 시. 5.1 General sour environment 에서사용할재료는 section 5 의요구조건을만족해야함

7 5.2 Overlay carbon steel, low-alloy steel 이나 martensitic sus 에대한용접, silver brazing, spray metallizing 과같은열에의한 overlay 는 substrate 가 lower critical temp. 를초과하지않는다면 sour envronment 에서사용가능함. 만약 lower critical temp. 를초과한다면경도를 HRC 22 이하로낮추도록열처리나응력제거가필요 Carbide 와 Ceramic paragraph 과 section 4 의조건을만족한다면사용가능 cemented carbide 와 alloy steel 과같은 silver brazing 에의한이종재의접합은가능 section 3 과 4의재료는 paragraph 을만족한다면 weld overlay 로서적용가능. 5.3 Welding section 3 과 4 의경도를만족하는용접을위해서는 AWS, API, ASME 등의 welding procedure 를따름 최소인장강도 359MPa 이나그이하의 Table 3 에 list 된 tubular 와 ASME Code section 9 의 P-No 1, Group 1 이나 2로분류되었거나 Table 3 에 list 된 pressure vessel steel 은 As-welded 상태로 paragraph 을만족한다 carbon steel 의경우용접부의경도를조절하기위해서 thermal stress relieving 이외의방법을이용하는 welding procedure qualification 은최대 HRC 22 를유지하도록 weld, HAZ, base metal 에대한 hardness traverse 를포함 low-alloy, martensitic sus 용접부는최소 620 에서 stress reliev 실시하여경도를최대 22 HRC 로유지 Ni 1% 이상의 welding rod, eletrode, flux, filler metal, carbon & low-alloy steel welding consumabel 은 paragraph 의 carbon steel, low-alloy steel 의용접에대해서는사용불가. 5.4 Indentification Stamping low-stress(dot, vibratory, round V) 를이용한 identification stamping 적용가능 기존의 sharp V stamping 은 flange 의외경과같은 low-stress 부위에서는적용가능. sharp V stamping 은최소 595 에서 stress relieve 하지않는다면적용불가. 5.5 Threading Machine-Cut Threads Machine-Cut Threading 은적용가능 Cold-Formed (Rolled) Threads cold forming threads 는 section 3 과 4의열처리조건과경도요구조건을만족해야함. 5.6 Cold-Deformation Processes cold work 가필요없는 Cold-Deformation Processes 는적용가능 shot peening 에의한 cold deformation 은 MR0175 의요구조건을만족하는 base material 에

8 적용될때그리고최대 230 의 shot size(0.584 mm nominal dia.) 와최대 0.356mm A Almen intensity 를사용하는경우허용된다.(Millitary Specification MIL-S B) Section 6 : Bolting 6.1 General sour environment 에서사용할재료는이 section 의요구조건을만족해야함. 6.2 Exposed Bolting sour environment 에직접노출되거나 flange protector 로 insulate 된 bolting 은 paragraph 의 Class 1 이나 Class 2 중하나이어야한다 Class 1 and Class 2 Nuts and Bolts section 3 과 4의요구조건을만족해야함 ASTM A 193 Grade B7M, 550 MPa min. yield strength 의조건을만족하고최대 HRC 22 인 bolting 은사용가능 Nut 는 paragraph 이나 ASTM A 194 Grade 2HM(22HRC) 조건을만족해야함. 6.3 Nonexposed Bolting Class 3 Bolting sour environment 에직접노출되지않고 flange protector 나 insulate 등이필요없는 bolting 은 ASTM A 193 Grade B7 과같은 standard 에서다룬다. Section 7 : Platings and Coatings 7.1 General sour environment 에서사용할재료는이 section 의요구조건을만족해야함 metallic coating(electroplated or electroless), conversion coating, plastic coating 이나 plastic lining 은 base metal 의 SSC 의방지에부적합하다. 다른목적으로이러한 coating 을실시하는것은이 standard 의범위밖임. 7.2 Nitriding mm 깊이의 nitriding 은 alloy 가사용되는최저온도 (lower critical temp.) 이하에서의표면처리는적절하나 SSC 의방지를위해서는적용불가. Section 8 : Special Componets 8.1 General instrumentaion, control device, seal, bearing, spring 등의 special component 의재료는 sour environment 에직접노출된다면정상적인운전중에이 section 의요구조건을만족해야함.

9 8.2 Bearing sour environment 에직접노출되는 bearing 은 section 3 과 4의재료로제작되어야함 Ni-Cr-Mo-Ti-W alloy UNS N10276 bearing pin 즉, core roll pin 은 HRC 45 의 cold worked 조건에서사용가능 다른재료로제작된 bearing 은 paragraph 의경우를제외하고는 sour envrionment 에서사용부적합. 8.3 Springs sour environment 에직접노출되는 spring은 section 3 과 4의재료로제작되어야함 Co-Ni-Cr-Mo alloy UNS R30003 은 cold worked & age-hardened condition(hrc 60) 의 spring 에대해서사용가능. UNS R30035 는 648 이하의온도에서최소 4 시간동안 aging 할경우 cold worked & age-hardened condition(hrc 55) 의 spring 에대해서사용가능 Ni-Cr alloy UNS N07750 spring 은 cold worked & age-hardened condition(hrc 50) 에서사용가능 UNS N07090 은 cold worked & age-hardened condition(hrc 50) 에서 compressor valve 의 spring 으로사용가능 8.4 Insrumentation and Control Device sour environment 에직접노출되는 instrumetation과 control device component 는 section 3 부터 8에나타난재료로제작되어야함 paragraph 은 AISI Type 316 sus compression fitting 과 instrument tubing 의사용을배제하기위한것은아님.( 비록 AISI Type 316 sus 가 paragraph 의요구조건을만족못하더라도 ) Diaphrams, Pressure-Measuring Device, and Pressure Seals sour environment 에직접노출되는 Diaphrams, Pressure-Measuring Device, and Pressure Seals 은 section 과 4의재료로제작되어야함 Co-Ni-Cr-Mo alloy UNS R30003 과 UNS R30004 는 Diaphrams, Pressure-Measuring Device, and Pressure Seals 에대해서 HRC 60 까지는사용가능 Co-Ni-Cr-Mo-W alloy UNS R30260 Diaphrams, Pressure-Measuring Device, and Pressure Seals 에대해서 HRC 52 까지는사용가능 pressure seal 은 section 3 과 4 그리고 Table 1 과 2의요구조건을만족해야하고 wrought products 의 longitudianl 이나 rolling 방향에평행한 primary load-baering 이나 pressue-containing 의 wrought Co-Cr-Ni-Mo alloy UNS R30159(HRC 53) 로제작되어야한다. 8.5 Seal Rings sour environment 에직접노출되는 Seal Rings 은 section3 과 4의재료로제작되어야함 원심주조 ASTM A351 Grade DF8 이나 CF8M 의화학조성으로제작된 sus API compression seal ring 은 as-cast 나 solution-annealed condition(160hb, 83HRB) 에서적용가능

10 8.6 Snap Rings sour environment 에직접노출되는 snap ring 은 section3 과 4 의재료로제작되어야함.(paragraph 에설명된경우를제외하고 ) RH950 solution-annealed & aged condition 에서 precipitation-hardening sus UNS S15700 snap ring 은다음과같이 30~32 HRC 로열처리한다면사용가능 Heat Treatment Procedures(3 step Process) 1) 4시간 15 분동안 620 에서 temper 하고대기중에서상온으로냉각. 2) 4시간 15 분동안 620 에서 retemper 하고대기중에서상온으로냉각. 3) 4시간 15 분동안 560 에서 temper 하고대기중에서상온으로냉각. 8.7 Bearings Pins HRC 45 의 cold woked condition 에서 UNS N10276 으로제작된 bearing pin 즉, core roll pin 은사용가능. 8.8 Duplex Stainless Steel for Wellhead Componets Cast duplex sus UNS J93345 는 HB223 을초과하지않는다면 solution-treated condition 에서사용가능. 이재료는다음과같은경우에만사용됨.: valve component, compressor component, casting & tubing head(mandrel hanger 를제외하고 ), spool, side entry cap, tail piece, hammer cap, spider cap. SSC 에대한 duplex sus 의감수성은 ferrite 함량에의존. 사용자는각사용조건에맞게주어진 ferrite 함량의 duplex sus 의적용가능성을결정해야함. Section 9 : Valves and Chokes 9.1 General 9.1.1sour environment 에노출된다면이 section 의요구조건을만족하는재료를사용해야함 valve 와 choke 는 section 3 부터 8에나타난재료를사용해야함. 9.2 Shafts, Stems, and Pins Shafts, Stems, and Pins 은 section 3 부터 8에나타난재료를사용해야함 austenitic sus UNS S20910 은 annealing 후의 cold worked condition 에서 HRC 35 에서 valve shaft, stem, pin 에대해서사용가능.

Alloy Group Material Al 1000,,, Cu Mg 2000 ( 2219 ) Rivet, Mn 3000 Al,,, Si 4000 Mg 5000 Mg Si 6000, Zn 7000, Mg Table 2 Al (%

Alloy Group Material Al 1000,,, Cu Mg 2000 ( 2219 ) Rivet, Mn 3000 Al,,, Si 4000 Mg 5000 Mg Si 6000, Zn 7000, Mg Table 2 Al (% http://wwwtechnonetcokr (Aluminum & Aluminum BasedAlloy) : LG 1 Aluminum Table 1, 2 1000 7000 4 Al 990% Al 1XXX AlCu 2XXX AlMn 3XXX AlSi 4XXX AlMg 5XXX AlMgSi 6XXX AlZn(Mg, Cu) 7XXX 8XXX ( ) 9XXX Fig 1