何茂林梁政李永生

1.中國石油長慶油田西安長慶科技工程有限責任公司 2.西南石油大學

GB/T9711材料屈服極限和壓力使用范圍的探討

何茂林1梁政2李永生1

1.中國石油長慶油田西安長慶科技工程有限責任公司 2.西南石油大學

何茂林等.GB/T9711材料屈服極限和壓力使用范圍的探討.天然氣工業(yè),2010,30(4):116-119.

為了解決 H2S、CO2以及高礦化度(60000～80000mg/L)等的復合腐蝕問題,某氣田開發(fā)試驗區(qū)10×108m3試采地面建設(shè)工程采用了 GB/T9711.1-3中的L245和L360等強度等級的材料。由于這個標準中定義的屈服極限與GB150《鋼制壓力容器》和《管道材料專業(yè)培訓教材——壓力管道材料》中定義的內(nèi)容相差很大,檢驗要求偏低且壓力適用范圍沒有明確,給設(shè)計使用帶來了不便。為此,對GB/T9711與GB150《鋼制壓力容器》中σs的定義及其對長輸管道計算的影響進行了探討,針對管道壓力的使用范圍,對GB/T9711、GB/T8163、GB9948、GB5310以及GB6479等進行了對比分析,提出了現(xiàn)階段使用GB/T9711的建議。該討論結(jié)果對管道、壓力容器的安全使用具有現(xiàn)實意義。

GB/T9711 GB150 GB/T8163 GB9948 GB5310 GB6479 探討 建議

目前壓力容器和壓力管道的設(shè)計主要執(zhí)行 GB150《鋼制壓力容器》[1]和相關(guān)壓力管道設(shè)計規(guī)定。在參與某氣田開發(fā)試驗區(qū)10×108m3試采地面建設(shè)工程HAZOP分析中發(fā)現(xiàn),設(shè)計中為了解決 H2S、CO2以及高礦化度(礦化度為60000～80000mg/L)等的復合腐蝕問題,采用了 GB/T9711.1-3[2-4]中的L245和L360強度等級的材料。由于這個標準中定義的屈服極限與GB150《鋼制壓力容器》和《管道材料專業(yè)培訓教材——壓力管道材料》[5]中定義的內(nèi)容相差很大,檢驗要求偏低且壓力適用范圍沒有明確,給設(shè)計使用帶來了不便,故對此進行了探討,希望能引起讀者重視。

1 GB/T9711對屈服極限定義引起的思考與困惑

1.1 GB/T9711對屈服極限定義引起的思考

傳統(tǒng)屈服極限(σs)定義:材料的拉伸應力超過彈性范圍,開始發(fā)生塑性變形時的應力。有些材料的拉伸“應力—應變”曲線并不出現(xiàn)明顯的屈服平臺,即不能明確地確定其屈服點。對于此種情況,工程上規(guī)定取“試樣產(chǎn)生0.2%殘余變形時”的拉應力值作為條件屈服極限,用σ0.2表示。

1)GB150《鋼制壓力容器》在第3.6.1條中規(guī)定了材料許用應力確定依據(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,說明這種材料拉伸時沒有明顯的屈服平臺。而低合金鋼在拉伸試驗時也通常不會出現(xiàn)明顯的屈服臺階,很難準確地確定其屈服極限,在工程上也往往采用0.2%殘余變形的應力值作為屈服極限,這個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中,當超過材料彈性極限后,在應力—應變曲線上會出現(xiàn)鋸齒狀漲落臺階的彈塑性變形,鋸齒的“山峰”為“上屈服點”,鋸齒的“谷底”為“下屈服點”,工程中通常把“下屈服點”作為屈服極限。從拉伸時材料應力—應變曲線看,“下屈服點”是材料剛從彈性進入塑性的邊界應力值,這個“下屈服點”值比材料產(chǎn)生0.2%殘余變形時的拉應力值要小。在 GB150《鋼制壓力容器》中碳素鋼是采用下屈服點作為“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 材料許用應力確定依據(jù)表 MPa

2)GB/T9711.1對屈服極限的定義:“規(guī)定總伸長應力應為試樣標距長度上產(chǎn)生0.5%的總伸長時所需的拉應力”。這個“規(guī)定總伸長應力”在某氣田開發(fā)試驗區(qū)10×108m3試采地面建設(shè)工程初步設(shè)計中被作為屈服極限(σs)引用,即σ0.5。

如果把 GB/T9711.1標準中“規(guī)定總伸長應力”當作屈服極限,以L245為例,其“規(guī)定總伸長應力”是245MPa,它是按照“標距長度上產(chǎn)生0.5%的總伸長時所需的拉應力”來定義的,這個定義里包含有“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%的總伸長時所需的拉應力”來定義的,所以,這個屈服極限也應該是“條件屈服極限”。而GB150《鋼制壓力容器》中定義的條件屈服極限σs等效于σ0.2,兩者在試樣標距長度一致的情況下, GB/T9711存在以下兩個值得思考的問題:①按照材料特性,依據(jù)在彈性極限內(nèi)“應力—應變”成正比的特點,σ0.2比σ0.5需要的拉伸載荷是小還是大,沒有定量指標,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GB150《鋼制壓力容器》中對管材的屈服極限定義都是以σ0.2為基礎(chǔ)的,當選用 GB/T9711.1-3標準中的材料時,由于σ0.2和σ0.5兩者沒有等效的依據(jù), σ0.5對壓力管道壁厚計算結(jié)果的正確性以及引用σ0.5后管線材質(zhì)實際的工作狀態(tài)將無法確認。

1.2 GB/T9711對管道計算帶來的困惑

在《天然氣工程手冊》[7]中站場集輸及長輸管道的壁厚計算常用到下述公式:

式中:δ為集氣管壁最小計算厚度,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)計因數(shù);<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)對于管道設(shè)計人員來說,由于σ0.5的存在,在 GB/T9711中又沒有詳細說明它與σ0.2的關(guān)系,可能會誤導設(shè)計人員,誤以為σ0.2等效于σ0.5,從而引起標準執(zhí)行混亂。

2)公式中的σs是取σ0.2還是σ0.5時的值,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算,前面管道壁厚計算公式的計算結(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σ0.2時管道處于彈性工作狀態(tài),那么取σ0.5時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σ0.5時管道是處于彈塑性工作狀態(tài),那么前面的管道壁厚計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0.2%是決定是否直接引用于前面管道壁厚計算公式的關(guān)鍵,由于眼下不能解決這個問題,將直接影響到GB/T9711正確、合理的使用。

2 GB/T9711與其他流體管材標準比較

前面探討了因執(zhí)行GB/T9711標準中的σ0.5可能帶來的困惑,下面仍然以L245等級為例,依據(jù)各標準中提供的化學組成、水壓試驗及壓力使用范圍與常用的流體管材標準進行比較。表2是鋼管材化學組成比較表,表3是鋼管材水壓試驗和適用范圍比較表。

從表2可以看出,序號5鋼管材的含碳量稍高于序號1～4中20號鋼管材的含碳量,其力學性能應稍高或等于序號1～4中20號鋼管材,焊接性能應該接近序號1～4中20號鋼管材;表中序號6～7號鋼管材的含碳量均小于序號1～4中20號鋼管材的含碳量,接近序號1～4中標準的10號鋼管材的含碳量,假如在規(guī)定“試樣產(chǎn)生0.2%的殘余變形”的測試條件下進行力學試驗,表中序號6～7號鋼管材的力學性能應該接近序號1～4中標準的10號鋼管材,其焊接性能優(yōu)于序號1～4中標準的20號鋼管材,KV2應該高于序號1～4中標準的20號鋼管材,其低溫性能應該優(yōu)于序號1～4中標準的20號鋼管材而接近10號鋼管材?；瘜W組成對力學性能影響的分析結(jié)果基本印證了文章前面提出的“GB/T9711中σ0.5作為管道壁厚計算的屈服極限時引起的思考與困惑”。

從表3可以看出,在GB/T8163和GB9948標準中[8-9],明確了最高試驗壓力及穩(wěn)壓時間和檢驗要求,按照 HG20581—1998《鋼制化工容器材料選用規(guī)定》[10]標準和使用經(jīng)驗,這兩個標準的管材使用壓力范圍控制在10MPa以下;而 GB5310標準中[11],同樣明確了最高試驗壓力及穩(wěn)壓時間和檢驗要求,按照HG20581標準和使用經(jīng)驗,本標準使用壓力范圍控制在10MPa以上,但最大使用壓力不能超過最大試驗壓力的85%;而 GB6479標準中[12],對最高試驗壓力沒有具體要求,但給出了試驗條件及穩(wěn)壓時間和檢驗要求,并規(guī)定了材料低溫沖擊試驗要求,按照 HG20581標準和使用經(jīng)驗,本標準使用壓力范圍控制在10MPa以上,實際使用中控制使用壓力不超過最大試驗壓力的85%,但最高不能超過32MPa。

表2 鋼管材的化學成分比較表

表3 鋼管材水壓試驗和適用范圍比較表

在GB/T9711.1標準中,壓力試驗的壓力值雖然與GB/T8163基本一致,但沒有耐壓時間及試驗后的合格標準;而L290級以上鋼管的試驗壓力規(guī)定值有所提高,但依然沒有耐壓時間和試驗后的合格標準。GB/T9711.223標準中L245NB和L245NC對最高試驗壓力沒有具體要求,雖然給出了試驗條件、穩(wěn)壓時間和檢驗要求,但合格標準要求低于 GB9948和 GB5310。

3 對 GB/T9711材料屈服極限和壓力適用范圍的使用建議

GB/T9711這個標準是根據(jù)ISO3183標準制定的,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,濃縮了美國多年來在管材方面的經(jīng)驗,國內(nèi)一些從事天然氣開發(fā)設(shè)計的單位用得比較多,但這個標準與國內(nèi)其他流體管材標準的管材化學組成、壓力試驗和檢驗要求差異大。由于 GB/T9711中規(guī)定:“給出的靜水試驗壓力為檢驗試驗壓力,不作為管道設(shè)計的依據(jù),且與工作壓力不一定有任何聯(lián)系”,為了保證對標準的正確、合理使用,建議如下:

1)目前建議參照表3中序號1～4各管材標準的力學性能和化學成分及檢驗要求,并結(jié)合 GB/T9711標準規(guī)定的管材化學成分,考慮GB/T9711標準的合理修正;在權(quán)威測試數(shù)據(jù)沒有出來以前,建議 GB/T9711.1中的σ0.5可以作為站場集輸及長輸管道的壁厚計算公式σs而直接引用;GB/T9711.2-3中的σ0.5增加一個修正系數(shù) k(k=0.85),即:σs=0.85σ0.5。

2)建議標準編制單位重新進行力學試驗,通過試件確認標準中各種材料在“試件產(chǎn)生0.2%的殘余變形”時的真實屈服極限,并修改現(xiàn)行標準,以保證材料屈服極限定義的統(tǒng)一性。

3)對已經(jīng)執(zhí)行 GB/T9711標準的材料所處的真實應力狀態(tài)進行確認,這樣可以對已經(jīng)引用該標準設(shè)計的管道的安全進行再評估,對存在的風險采取必要的應對措施。

4)對 GB/T9711壓力適用范圍的建議:建議GB/T9711.1壓力適用范圍控制在6.4MPa以下,使用溫度在0℃以上;建議GB/T9711.2壓力適用范圍控制在10MPa以內(nèi),溫度使用范圍符合 GB9948規(guī)定;建議GB/T9711.3壓力適用范圍控制在10MPa以上,最高使用壓力不得超過最高試驗壓力的75%,且不大于15MPa,溫度使用范圍符合GB5310規(guī)定。

GB150《鋼制壓力容器》和 HG20581—1998《鋼制化工容器材料選用規(guī)定》對表3序號1～4各管材標準給出了詳細的使用數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)是經(jīng)過大量實踐獲得的比較科學的應用成果。由于GB/T9711與表3中序號1～4各標準的管材化學成分、試驗、檢驗要求差別大,且GB/T9711標準又沒有可靠的壓力適用范圍經(jīng)驗,對比參考表3序號1～4各管材標準中的應用數(shù)據(jù)可以提高對GB/T9711標準的科學認識,保證其得到正確使用,對保證壓力容器、壓力管道的安全使用非常必要。

[1]中國國家技術(shù)監(jiān)督局.GB150—1998鋼制壓力容器[S].北京:中國標準出版社,1998.

[2]中國國家技術(shù)監(jiān)督局.GB/T9711.1—1997石油天然氣工業(yè)輸送鋼管交貨技術(shù)條件——第1部分:A級鋼管[S].北京:中國標準出版社,1997.

[3]中國國家技術(shù)監(jiān)督局.GB/T9711.2—1999石油天然氣工業(yè)輸送鋼管交貨技術(shù)條件——第2部分:B級鋼管[S].北京:中國標準出版社,1999.

[4]中國國家技術(shù)監(jiān)督局.GB/T9711.3—2005石油天然氣工業(yè)輸送鋼管交貨技術(shù)條——第3部分:C級鋼管[S].北京:中國標準出版社,2005.

[5]中國石化工程建設(shè)公司.管道材料專業(yè)培訓教材——壓力管道材料[R].北京:中國石化工程建設(shè)公司,2006.

[6]王致祥,孫國模,文啟鼎,等.管道應力分析與計算[M].北京:水利電力出版社,1983:16-17.

[7]四川石油管理局.天然氣工程手冊[M].北京:石油工業(yè)出版社,1982.

[8]中國國家技術(shù)監(jiān)督局.B/T8163—2008輸送流體用無縫鋼管[S].北京:中國標準出版社,2008.

[9]中國國家技術(shù)監(jiān)督局.GB9948—2006石油裂化用無縫鋼管[S].北京:中國標準出版社,2006.

[10]國家石油和化學工業(yè)局.HG20581—1998鋼制化工容器材料選用規(guī)定[S].北京:中國標準出版社,1998.

[11]中國國家技術(shù)監(jiān)督局.GB5310—2008高壓鍋爐用無縫鋼管[S].北京:中國標準出版社,2008.

[12]中國國家技術(shù)監(jiān)督局.GB6479—2000高壓化肥設(shè)備用無縫鋼管[S].北京:中國標準出版社,2000.

(修改回稿日期 2010-02-06 編輯 何 明)

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.04.028

He Maolin,senior engineer,was born in1958.He holds a Ph.D degree,being mainly engaged in studying and developing scientific and technological products in oil fields.

Add:Room B306,Changqing Building,Xinglongyuan Residential Area,Changqing,Weiyang District,Xi’an,Shaanxi710018,P.R. China

Tel:+86-29-86599275 E-mail:hml01@126.com

A discussion on the yield limit and bearing stress range of materials in the GB/T9711

He Maolin1,Liang Zhen2,Li Yongsheng1
(1.Changqing Science&Technology Engineering Co.,L td.,Changqing Oilf ield Company,PetroChina,Xi’an,S haanxi710018,China;2.Southwest Petroleum University,Chengdu,Sichuan610500,China)

NATUR.GAS IND.VOLUME30,ISSUE4,pp.116-119,4/25/2010.(ISSN1000-0976;In Chinese)

In order to solve the problem of compound corrosion in the condition with H2S,CO2and high salinity,the materials with the same strength and same grade of L245and L360listed in the GB/T9711.1-3were selected for ground surface construction in apilot exploitation zone with the annual productivity of1bcm in the X gas field.However,this also brought inconvenience for the project designers because in the GB/T9711the definition of the yield limit is very different from that either in the GB150’sSteel Pressure Vesselsor the book ofPipeline Material Training-Pressure Pipe Materials,the requirement for inspection is relatively low,and the pressure applicable scope is not clearly described.Therefore,a discussion was made on the definition ofσsin the GB/ T9711and the GB150’sSteel Pressure Vesselsand its influence on the calculation of long-distance pipelines.In view of the applicable pressure scope of tubular materials,a comparative analysis was made among GB/T9711,GB/T8163,GB/T9948,GB5310and GB6479,and some positive proposals were presented here for the present use of GB/T9711.This discussion is of great practical value in practical use of tubular materials and pressure vessels in natural gas pipeline projects.

GB/T9711,GB150,GB/T8163,GB/T9948,GB5310,GB6479,discussion,recommendation

book=116,ebook=418

10.3787/j.issn.1000-0976.2010.04.028

何茂林,1958年生,高級工程師,博士;主要從事油田科研產(chǎn)品開發(fā)工作。地址:(710018)陜西省西安市未央?yún)^(qū)長慶興隆園小區(qū)長慶大廈B306。電話:(029)86599275。E-mail:hml01@126.com