國(guó)標(biāo)/T 9711材料屈服極限和壓力使用范圍的探討

摘 要

摘要：為了解決H2S、C02以及高礦化度(60000～80000mg/L)等的復(fù)合腐蝕問題，某氣田開發(fā)試驗(yàn)區(qū)10×108m3試采地面建設(shè)工程采用了GB/T 9711.1-3中的L245和L360等強(qiáng)度等級(jí)的材料
摘要：為了解決H2S、C02以及高礦化度(60000～80000mg/L)等的復(fù)合腐蝕問題，某氣田開發(fā)試驗(yàn)區(qū)10×108m3試采地面建設(shè)工程采用了GB/T 9711.1-3中的L245和L360等強(qiáng)度等級(jí)的材料。由于這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中定義的屈服極限與GB 150《鋼制壓力容器》和《管道材料專業(yè)培訓(xùn)教材——壓力管道材料》中定義的內(nèi)容相差很大，檢驗(yàn)要求偏低且壓力適用范圍沒有明確，給設(shè)計(jì)使用帶來(lái)了不便。為此，對(duì)GB/T 9711與GB 150《鋼制壓力容器》中σs的定義及其對(duì)長(zhǎng)輸管道計(jì)算的影響進(jìn)行了探討，針對(duì)管道壓力的使用范圍，對(duì)GB/T 9711、GB/T 8163、GB 9948、GB 5310以及GB 6479等進(jìn)行了對(duì)比分析，提出了現(xiàn)階段使用GB/T 9711的建議。該討論結(jié)果對(duì)管道、壓力容器的安全使用具有現(xiàn)實(shí)意義。
關(guān)鍵詞：GB/T 9711  GB 150  GB/T 8163 GB 9948 GB 5310 GB 6479 探討 建議
   目前壓力容器和壓力管道的設(shè)計(jì)主要執(zhí)行GB 150《鋼制壓力容器》[1]和相關(guān)壓力管道設(shè)計(jì)規(guī)定。在參與某氣田開發(fā)試驗(yàn)區(qū)10×108m3試采地面建設(shè)工程HAZOP分析中發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)中為了解決H2S、CO2以及高礦化度(礦化度為60000～80000mg/L)等的復(fù)合腐蝕問題，采用了GB/T 9711.1-3[2～4]中的L245和L360強(qiáng)度等級(jí)的材料。由于這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中定義的屈服極限與GB 150《鋼制壓力容器》和《管道材料專業(yè)培訓(xùn)教材——壓力管道材料》[5]中定義的內(nèi)容相差很大，檢驗(yàn)要求偏低且壓力適用范圍沒有明確，給設(shè)計(jì)使用帶來(lái)了不便，故對(duì)此進(jìn)行了探討，希望能引起讀者重視。
1 GB/T 9711對(duì)屈服極限定義引起的思考與困惑
1.1 GB/T 9711對(duì)屈服極限定義引起的思考
    傳統(tǒng)屈服極限(σs)定義：材料的拉伸應(yīng)力超過(guò)彈性范圍，開始發(fā)生塑性變形時(shí)的應(yīng)力。有些材料的拉伸“應(yīng)力-應(yīng)變”曲線并不出現(xiàn)明顯的屈服平臺(tái)，即不能明確地確定其屈服點(diǎn)。對(duì)于此種情況，工程上規(guī)定取“試樣產(chǎn)生0.2%殘余變形時(shí)”的拉應(yīng)力值作為條件屈服極限，用σ0.2表示。
    1) GB 150《鋼制壓力容器》在第3.6.1條中規(guī)定了材料許用應(yīng)力確定依據(jù)，見表1。
    表1明確了高合金材料是以其σ0.2值作為屈服極限值σs，說(shuō)明這種材料拉伸時(shí)沒有明顯的屈服平臺(tái)。而低合金鋼在拉伸試驗(yàn)時(shí)也通常不會(huì)出現(xiàn)明顯的屈服臺(tái)階，很難準(zhǔn)確地確定其屈服極限；在工程上也往往采用0.2%殘余變形的應(yīng)力值作為屈服極限，這個(gè)屈服極限也就是前面定義中提到的“條件屈服極限”[6]；在低碳鋼的拉伸試驗(yàn)中，當(dāng)超過(guò)材料彈性極限后，在應(yīng)力應(yīng)變曲線上會(huì)出現(xiàn)鋸齒狀漲落臺(tái)階的彈塑性變形，鋸齒的“山峰”為“上屈服點(diǎn)”，鋸齒的“谷底”為“下屈服點(diǎn)”，工程中通常把“下屈服點(diǎn)”作為屈服極限。從拉伸時(shí)材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線看，“下屈服點(diǎn)”是材料剛從彈性進(jìn)入塑性的邊界應(yīng)力值，這個(gè)“下屈服點(diǎn)”值比材料產(chǎn)生0.2%殘余變形時(shí)的拉應(yīng)力值要小。在GB 150《鋼制壓力容器》中碳素鋼是采用下屈服點(diǎn)作為“屈服極限”，而低合金鋼和高合金鋼的屈服極限都是采用的“條件屈服極限”，即σ0.2。下面的論述中僅以“條件屈服極限”作為依據(jù)討論。
表1 材料許用應(yīng)力確定依據(jù)表    MP
材料(板材、管材、鍛件)
許用應(yīng)力1)
碳素鋼、低合金鋼
σb/0.3 σs/1.6 σst/1.6 σtD/1.5 σnt/1.0
高合金鋼
σb/0.3 σs(σ0.2)/1.6 σst(σ0.2t)/1.6 σtD/1.5 σnt/1.0
注：1)取各值中的較小值為材料的許用應(yīng)力。
    2) GB/T 9711.1對(duì)屈服極限的定義：“規(guī)定總伸長(zhǎng)應(yīng)力應(yīng)為試樣標(biāo)距長(zhǎng)度上產(chǎn)生0.5%的總伸長(zhǎng)時(shí)所需的拉應(yīng)力”。這個(gè)“規(guī)定總伸長(zhǎng)應(yīng)力”在某氣田開發(fā)試驗(yàn)區(qū)10×108m3試采地面建設(shè)工程初步設(shè)計(jì)中被作為屈服極限(σs)引用，即σ0.5。
    如果把GB/T 9711.1標(biāo)準(zhǔn)中“規(guī)定總伸長(zhǎng)應(yīng)力”當(dāng)作屈服極限，以L245為例，其“規(guī)定總伸長(zhǎng)應(yīng)力”是245MPa，它是按照“標(biāo)距長(zhǎng)度上產(chǎn)生0.5%的總伸長(zhǎng)時(shí)所需的拉應(yīng)力”來(lái)定義的，這個(gè)定義里包含有“彈性變形+塑性變形”，其中塑性變形量是多少不得而知，由于屈服極限是以“0.5%的總伸長(zhǎng)時(shí)所需的拉應(yīng)力”來(lái)定義的，所以，這個(gè)屈服極限也應(yīng)該是“條件屈服極限”。而GB 150《鋼制壓力容器》中定義的條件屈服極限σs等效于σ0.2，兩者在試樣標(biāo)距長(zhǎng)度一致的情況下，GB/T 9711存在以下兩個(gè)值得思考的問題：①按照材料特性，依據(jù)在彈性極限內(nèi)“應(yīng)力應(yīng)變”成正比的特點(diǎn)，σ0.2比σ0.5需要的拉伸載荷是小還是大，沒有定量指標(biāo)，找不到兩者等效的依據(jù)；②傳統(tǒng)的材料屈服極限定義以及GB 150《鋼制壓力容器》中對(duì)管材的屈服極限定義都是以σ0.2為基礎(chǔ)的，當(dāng)選用GB/T 9711.1-3標(biāo)準(zhǔn)中的材料時(shí)，由于σ0.2和σ0.5兩者沒有等效的依據(jù)，σ0.5對(duì)壓力管道壁厚計(jì)算結(jié)果的正確性以及引用σ0.5后管線材質(zhì)實(shí)際的工作狀態(tài)將無(wú)法確認(rèn)。
1.2 GB/T 9711對(duì)管道計(jì)算帶來(lái)的困惑
    在《天然氣工程手冊(cè)》[7]中站場(chǎng)集輸及長(zhǎng)輸管道的壁厚計(jì)算常用到下述公式：
    δ=pD/(2σsFφKt)+C1
式中：δ為集氣管壁最小計(jì)算厚度，mm；p為集氣管最大工作壓力，MPa；D為集氣管外徑，mm；σs為管材最低屈服極限，MPa；F為設(shè)計(jì)因數(shù)；φ為管子的縱向焊縫系數(shù)；Kt為管材溫度減弱系數(shù)；C1為腐蝕裕量，mm。
    從上式可知，在工藝參數(shù)一定的情況下，管道的計(jì)算壁厚直接受管道材料屈服極限σs的影響，而管材的屈服極限是取σ0.2還是取σ0.5將引起下面的困惑：
    1) 對(duì)于管道設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，由于σ0.5的存在，在GB/T 9711中又沒有詳細(xì)說(shuō)明它與%.。的關(guān)系，可能會(huì)誤導(dǎo)設(shè)計(jì)人員，誤以為σ0.5等效于σ0.5，從而引起標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行混亂。
    2) 公式中的σs是取σ0.2還是σ0.5時(shí)的值，直接影響壓力管道材質(zhì)的變形情況和工作狀態(tài)。
    3) 如用σ0.5作為屈服極限引入計(jì)算，前面管道壁厚計(jì)算公式的計(jì)算結(jié)果可靠性、安全性沒有保證。
    4) 由于σ0.2和σ0.5沒有等效的依據(jù)，如果說(shuō)%。時(shí)管道處于彈性工作狀態(tài)，那么取σ0.5時(shí)管道可能處于彈性狀態(tài)，也可能處于彈塑性狀態(tài)。
    5) 如果當(dāng)σ0.5時(shí)管道是處于彈塑性工作狀態(tài)，那么前面的管道壁厚計(jì)算公式的使用需要商榷。
    6) σ0.5中包含有彈性和塑性兩部分，其產(chǎn)生的塑性變形是否超過(guò)0.2%是決定是否直接引用于前面管道壁厚計(jì)算公式的關(guān)鍵，由于眼下不能解決這個(gè)問題，將直接影響到6B/T 9711正確、合理的使用。
2 GB/T 9711與其他流體管材標(biāo)準(zhǔn)比較
    前面探討了因執(zhí)行GB/T 9711標(biāo)準(zhǔn)中的氏?？赡軒?lái)的困惑，下面仍然以L245等級(jí)為例，依據(jù)各標(biāo)準(zhǔn)中提供的化學(xué)組成、水壓試驗(yàn)及壓力使用范圍與常用的流體管材標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。表2是鋼管材化學(xué)組成比較表，表3是鋼管材水壓試驗(yàn)和適用范圍比較表。
    從表2可以看出，序號(hào)5鋼管材的含碳量稍高于序號(hào)1～4中20號(hào)鋼管材的含碳量，其力學(xué)性能應(yīng)稍高或等于序號(hào)1～4中20號(hào)鋼管材，焊接性能應(yīng)該接近序號(hào)1～4中20號(hào)鋼管材；表中序號(hào)6～7號(hào)鋼管材的含碳量均小于序號(hào)1～4中20號(hào)鋼管材的含碳量，接近序號(hào)1～4中標(biāo)準(zhǔn)的10號(hào)鋼管材的含碳量，假如在規(guī)定“試樣產(chǎn)生0.2%的殘余變形”的測(cè)試條件下進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，表中序號(hào)6～7號(hào)鋼管材的力學(xué)性能應(yīng)該接近序號(hào)1～4中標(biāo)準(zhǔn)的10號(hào)鋼管材，其焊接性能優(yōu)于序號(hào)1～4中標(biāo)準(zhǔn)的20號(hào)鋼管材，KV2應(yīng)該高于序號(hào)1～4中標(biāo)準(zhǔn)的20號(hào)鋼管材，其低溫性能應(yīng)該優(yōu)于序號(hào)1～4中標(biāo)準(zhǔn)的20號(hào)鋼管材而接近10號(hào)鋼管材?；瘜W(xué)組成對(duì)力學(xué)性能影響的分析結(jié)果基本印證了文章前面提出的“GB/T 9711中σ0.5作為管道壁厚計(jì)算的屈服極限時(shí)引起的思考與困惑”。
    從表3可以看出，在GB/T 8163和GB 9948標(biāo)準(zhǔn)中[8～9]，明確了最高試驗(yàn)壓力及穩(wěn)壓時(shí)間和檢驗(yàn)要求，按照HG 20581—1998《鋼制化工容器材料選用規(guī)定》[10]標(biāo)準(zhǔn)和使用經(jīng)驗(yàn)，這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的管材使用壓力范圍控制在10MPa以下；而GB 5310標(biāo)準(zhǔn)中[11]，同樣明確了最高試驗(yàn)壓力及穩(wěn)壓時(shí)間和檢驗(yàn)要求，按照HG 20581標(biāo)準(zhǔn)和使用經(jīng)驗(yàn)，本標(biāo)準(zhǔn)使用壓力范圍控制在10MPa以上，但最大使用壓力不能超過(guò)最大試驗(yàn)壓力的85%；而GB 6479標(biāo)準(zhǔn)中[12]，對(duì)最高試驗(yàn)壓力沒有具體要求，但給出了試驗(yàn)條件及穩(wěn)壓時(shí)間和檢驗(yàn)要求，并規(guī)定了材料低溫沖擊試驗(yàn)要求，按照HG 20581標(biāo)準(zhǔn)和使用經(jīng)驗(yàn)，本標(biāo)準(zhǔn)使用壓力范圍控制在10MPa以上，實(shí)際使用中控制使用壓力不超過(guò)最大試驗(yàn)壓力的85%，但最高不能超過(guò)32MPa。
    在GB/T 9711.1標(biāo)準(zhǔn)中，壓力試驗(yàn)的壓力值雖然與GB/T 8163基本一致，但沒有耐壓時(shí)間及試驗(yàn)后的合格標(biāo)準(zhǔn)；而L290級(jí)以上鋼管的試驗(yàn)壓力規(guī)定值有所提高，但依然沒有耐壓時(shí)間和試驗(yàn)后的合格標(biāo)準(zhǔn)。GB/T 9711.2-3標(biāo)準(zhǔn)中L245NB和L245NC對(duì)最高試驗(yàn)壓力沒有具體要求，雖然給出了試驗(yàn)條件、穩(wěn)壓時(shí)間和檢驗(yàn)要求，但合格標(biāo)準(zhǔn)要求低于GB 9948和GB 5310。
3 對(duì)GB/T 9711材料屈服極限和壓力適用范圍的使用建議
    GB/T 9711這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)ISO 3183標(biāo)準(zhǔn)制定的，在技術(shù)內(nèi)容和編寫規(guī)則上是一致的，主要采用的是ANSI和API相關(guān)內(nèi)容，濃縮了美國(guó)多年來(lái)在管材方面的經(jīng)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)一些從事天然氣開發(fā)設(shè)計(jì)的單位用得比較多，但這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)內(nèi)其他流體管材標(biāo)準(zhǔn)的管材化學(xué)組成、壓力試驗(yàn)和檢驗(yàn)要求差異大。由于GB/T 9711中規(guī)定：“給出的靜水試驗(yàn)壓力為檢驗(yàn)試驗(yàn)壓力，不作為管道設(shè)計(jì)的依據(jù)，且與工作壓力不一定有任何聯(lián)系”，為了保證對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的正確、合理使用，建議如下：
    1) 目前建議參照表3中序號(hào)1～4各管材標(biāo)準(zhǔn)的力學(xué)性能和化學(xué)成分及檢驗(yàn)要求，并結(jié)合GB/T 9711標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的管材化學(xué)成分，考慮GB/T 9711標(biāo)準(zhǔn)的合理修正；在權(quán)威測(cè)試數(shù)據(jù)沒有出來(lái)以前，建議GB/T 9711.1中的σ0.5可以作為站場(chǎng)集輸及長(zhǎng)輸管道的壁厚計(jì)算公式σs而直接引用；GB/T 9711.2-3中的σ0.5增加一個(gè)修正系數(shù)愚(k=0.85)，即：σs=0.85σ0.5。
    2) 建議標(biāo)準(zhǔn)編制單位重新進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，通過(guò)試件確認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)中各種材料在“試件產(chǎn)生0.2%的殘余變形”時(shí)的真實(shí)屈服極限，并修改現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，以保證材料屈服極限定義的統(tǒng)一性。
    3) 對(duì)已經(jīng)執(zhí)行GB/T 9711標(biāo)準(zhǔn)的材料所處的真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)，這樣可以對(duì)已經(jīng)引用該標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的管道的安全進(jìn)行再評(píng)估，對(duì)存在的風(fēng)險(xiǎn)采取必要的應(yīng)對(duì)措施。
    4) 對(duì)GB/T 9711壓力適用范圍的建議：建議GB/T 9711.1壓力適用范圍控制在6.4MPa以下，使用溫度在0℃以上；建議GB/T 9711.2壓力適用范圍控制在10MPa以內(nèi)，溫度使用范圍符合GB 9948規(guī)定；建議GB/T 9711.3壓力適用范圍控制在10MPa以上，最高使用壓力不得超過(guò)最高試驗(yàn)壓力的75%，且不大于15MPa，溫度使用范圍符合GB 5310規(guī)定。
    GB 150《鋼制壓力容器》和HG 20581—1998《鋼制化工容器材料選用規(guī)定》對(duì)表3序號(hào)1～4各管材標(biāo)準(zhǔn)給出了詳細(xì)的使用數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是經(jīng)過(guò)大量實(shí)踐獲得的比較科學(xué)的應(yīng)用成果。由于GB/T 9711與表3中序號(hào)1～4各標(biāo)準(zhǔn)的管材化學(xué)成分、試驗(yàn)、檢驗(yàn)要求差別大，且GB/T 9711標(biāo)準(zhǔn)又沒有可靠的壓力適用范圍經(jīng)驗(yàn)，對(duì)比參考表3序號(hào)1～4各管材標(biāo)準(zhǔn)中的應(yīng)用數(shù)據(jù)可以提高對(duì)GB/T 9711標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)認(rèn)識(shí)，保證其得到正確使用，對(duì)保證壓力容器、壓力管道的安全使用非常必要。
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(本文作者：何茂林1 梁政2 李永生1 1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田西安長(zhǎng)慶科技工程有限責(zé)任公司；2.西南石油大學(xué))