GB/T9711材料屈服极限和压力使用范围的探讨

何茂林梁政李永生

1.中国石油长庆油田西安长庆科技工程有限责任公司 2.西南石油大学

GB/T9711材料屈服极限和压力使用范围的探讨

何茂林1梁政2李永生1

1.中国石油长庆油田西安长庆科技工程有限责任公司 2.西南石油大学

何茂林等.GB/T9711材料屈服极限和压力使用范围的探讨.天然气工业,2010,30(4):116-119.

为了解决 H2S、CO2以及高矿化度(60000～80000mg/L)等的复合腐蚀问题,某气田开发试验区10×108m3试采地面建设工程采用了 GB/T9711.1-3中的L245和L360等强度等级的材料。由于这个标准中定义的屈服极限与GB150《钢制压力容器》和《管道材料专业培训教材——压力管道材料》中定义的内容相差很大,检验要求偏低且压力适用范围没有明确,给设计使用带来了不便。为此,对GB/T9711与GB150《钢制压力容器》中σs的定义及其对长输管道计算的影响进行了探讨,针对管道压力的使用范围,对GB/T9711、GB/T8163、GB9948、GB5310以及GB6479等进行了对比分析,提出了现阶段使用GB/T9711的建议。该讨论结果对管道、压力容器的安全使用具有现实意义。

GB/T9711 GB150 GB/T8163 GB9948 GB5310 GB6479 探讨 建议

目前压力容器和压力管道的设计主要执行 GB150《钢制压力容器》[1]和相关压力管道设计规定。在参与某气田开发试验区10×108m3试采地面建设工程HAZOP分析中发现,设计中为了解决 H2S、CO2以及高矿化度(矿化度为60000～80000mg/L)等的复合腐蚀问题,采用了 GB/T9711.1-3[2-4]中的L245和L360强度等级的材料。由于这个标准中定义的屈服极限与GB150《钢制压力容器》和《管道材料专业培训教材——压力管道材料》[5]中定义的内容相差很大,检验要求偏低且压力适用范围没有明确,给设计使用带来了不便,故对此进行了探讨,希望能引起读者重视。

1 GB/T9711对屈服极限定义引起的思考与困惑

1.1 GB/T9711对屈服极限定义引起的思考

传统屈服极限(σs)定义:材料的拉伸应力超过弹性范围,开始发生塑性变形时的应力。有些材料的拉伸“应力—应变”曲线并不出现明显的屈服平台,即不能明确地确定其屈服点。对于此种情况,工程上规定取“试样产生0.2%残余变形时”的拉应力值作为条件屈服极限,用σ0.2表示。

1)GB150《钢制压力容器》在第3.6.1条中规定了材料许用应力确定依据,见表1。

表1明确了高合金材料是以其σ0.2值作为屈服极限值σs,说明这种材料拉伸时没有明显的屈服平台。而低合金钢在拉伸试验时也通常不会出现明显的屈服台阶,很难准确地确定其屈服极限,在工程上也往往采用0.2%残余变形的应力值作为屈服极限,这个屈服极限也就是前面定义中提到的“条件屈服极限”[6];在低碳钢的拉伸试验中,当超过材料弹性极限后,在应力—应变曲线上会出现锯齿状涨落台阶的弹塑性变形,锯齿的“山峰”为“上屈服点”,锯齿的“谷底”为“下屈服点”,工程中通常把“下屈服点”作为屈服极限。从拉伸时材料应力—应变曲线看,“下屈服点”是材料刚从弹性进入塑性的边界应力值,这个“下屈服点”值比材料产生0.2%残余变形时的拉应力值要小。在 GB150《钢制压力容器》中碳素钢是采用下屈服点作为“屈服极限”,而低合金钢和高合金钢的屈服极限都是采用的“条件屈服极限”,即σ0.2。下面的论述中仅以“条件屈服极限”作为依据讨论。

表1 材料许用应力确定依据表 MPa

2)GB/T9711.1对屈服极限的定义:“规定总伸长应力应为试样标距长度上产生0.5%的总伸长时所需的拉应力”。这个“规定总伸长应力”在某气田开发试验区10×108m3试采地面建设工程初步设计中被作为屈服极限(σs)引用,即σ0.5。

如果把 GB/T9711.1标准中“规定总伸长应力”当作屈服极限,以L245为例,其“规定总伸长应力”是245MPa,它是按照“标距长度上产生0.5%的总伸长时所需的拉应力”来定义的,这个定义里包含有“弹性变形+塑性变形”,其中塑性变形量是多少不得而知,由于屈服极限是以“0.5%的总伸长时所需的拉应力”来定义的,所以,这个屈服极限也应该是“条件屈服极限”。而GB150《钢制压力容器》中定义的条件屈服极限σs等效于σ0.2,两者在试样标距长度一致的情况下, GB/T9711存在以下两个值得思考的问题:①按照材料特性,依据在弹性极限内“应力—应变”成正比的特点,σ0.2比σ0.5需要的拉伸载荷是小还是大,没有定量指标,找不到两者等效的依据;②传统的材料屈服极限定义以及GB150《钢制压力容器》中对管材的屈服极限定义都是以σ0.2为基础的,当选用 GB/T9711.1-3标准中的材料时,由于σ0.2和σ0.5两者没有等效的依据, σ0.5对压力管道壁厚计算结果的正确性以及引用σ0.5后管线材质实际的工作状态将无法确认。

1.2 GB/T9711对管道计算带来的困惑

在《天然气工程手册》[7]中站场集输及长输管道的壁厚计算常用到下述公式:

式中:δ为集气管壁最小计算厚度,mm;p为集气管最大工作压力,MPa;D为集气管外径,mm;σs为管材最低屈服极限,MPa;F为设计因数;<为管子的纵向焊缝系数;Kt为管材温度减弱系数;C1为腐蚀裕量, mm。

从上式可知,在工艺参数一定的情况下,管道的计算壁厚直接受管道材料屈服极限σs的影响,而管材的屈服极限是取σ0.2还是取σ0.5将引起下面的困惑:

1)对于管道设计人员来说,由于σ0.5的存在,在 GB/T9711中又没有详细说明它与σ0.2的关系,可能会误导设计人员,误以为σ0.2等效于σ0.5,从而引起标准执行混乱。

2)公式中的σs是取σ0.2还是σ0.5时的值,直接影响压力管道材质的变形情况和工作状态。

3)如用σ0.5作为屈服极限引入计算,前面管道壁厚计算公式的计算结果可靠性、安全性没有保证。

4)由于σ0.2和σ0.5没有等效的依据,如果说σ0.2时管道处于弹性工作状态,那么取σ0.5时管道可能处于弹性状态,也可能处于弹塑性状态。

5)如果当σ0.5时管道是处于弹塑性工作状态,那么前面的管道壁厚计算公式的使用需要商榷。

6)σ0.5中包含有弹性和塑性两部分,其产生的塑性变形是否超过0.2%是决定是否直接引用于前面管道壁厚计算公式的关键,由于眼下不能解决这个问题,将直接影响到GB/T9711正确、合理的使用。

2 GB/T9711与其他流体管材标准比较

前面探讨了因执行GB/T9711标准中的σ0.5可能带来的困惑,下面仍然以L245等级为例,依据各标准中提供的化学组成、水压试验及压力使用范围与常用的流体管材标准进行比较。表2是钢管材化学组成比较表,表3是钢管材水压试验和适用范围比较表。

从表2可以看出,序号5钢管材的含碳量稍高于序号1～4中20号钢管材的含碳量,其力学性能应稍高或等于序号1～4中20号钢管材,焊接性能应该接近序号1～4中20号钢管材;表中序号6～7号钢管材的含碳量均小于序号1～4中20号钢管材的含碳量,接近序号1～4中标准的10号钢管材的含碳量,假如在规定“试样产生0.2%的残余变形”的测试条件下进行力学试验,表中序号6～7号钢管材的力学性能应该接近序号1～4中标准的10号钢管材,其焊接性能优于序号1～4中标准的20号钢管材,KV2应该高于序号1～4中标准的20号钢管材,其低温性能应该优于序号1～4中标准的20号钢管材而接近10号钢管材。化学组成对力学性能影响的分析结果基本印证了文章前面提出的“GB/T9711中σ0.5作为管道壁厚计算的屈服极限时引起的思考与困惑”。

从表3可以看出,在GB/T8163和GB9948标准中[8-9],明确了最高试验压力及稳压时间和检验要求,按照 HG20581—1998《钢制化工容器材料选用规定》[10]标准和使用经验,这两个标准的管材使用压力范围控制在10MPa以下;而 GB5310标准中[11],同样明确了最高试验压力及稳压时间和检验要求,按照HG20581标准和使用经验,本标准使用压力范围控制在10MPa以上,但最大使用压力不能超过最大试验压力的85%;而 GB6479标准中[12],对最高试验压力没有具体要求,但给出了试验条件及稳压时间和检验要求,并规定了材料低温冲击试验要求,按照 HG20581标准和使用经验,本标准使用压力范围控制在10MPa以上,实际使用中控制使用压力不超过最大试验压力的85%,但最高不能超过32MPa。

表2 钢管材的化学成分比较表

表3 钢管材水压试验和适用范围比较表

在GB/T9711.1标准中,压力试验的压力值虽然与GB/T8163基本一致,但没有耐压时间及试验后的合格标准;而L290级以上钢管的试验压力规定值有所提高,但依然没有耐压时间和试验后的合格标准。GB/T9711.223标准中L245NB和L245NC对最高试验压力没有具体要求,虽然给出了试验条件、稳压时间和检验要求,但合格标准要求低于 GB9948和 GB5310。

3 对 GB/T9711材料屈服极限和压力适用范围的使用建议

GB/T9711这个标准是根据ISO3183标准制定的,在技术内容和编写规则上是一致的,主要采用的是ANSI和API相关内容,浓缩了美国多年来在管材方面的经验,国内一些从事天然气开发设计的单位用得比较多,但这个标准与国内其他流体管材标准的管材化学组成、压力试验和检验要求差异大。由于 GB/T9711中规定:“给出的静水试验压力为检验试验压力,不作为管道设计的依据,且与工作压力不一定有任何联系”,为了保证对标准的正确、合理使用,建议如下:

1)目前建议参照表3中序号1～4各管材标准的力学性能和化学成分及检验要求,并结合 GB/T9711标准规定的管材化学成分,考虑GB/T9711标准的合理修正;在权威测试数据没有出来以前,建议 GB/T9711.1中的σ0.5可以作为站场集输及长输管道的壁厚计算公式σs而直接引用;GB/T9711.2-3中的σ0.5增加一个修正系数 k(k=0.85),即:σs=0.85σ0.5。

2)建议标准编制单位重新进行力学试验,通过试件确认标准中各种材料在“试件产生0.2%的残余变形”时的真实屈服极限,并修改现行标准,以保证材料屈服极限定义的统一性。

3)对已经执行 GB/T9711标准的材料所处的真实应力状态进行确认,这样可以对已经引用该标准设计的管道的安全进行再评估,对存在的风险采取必要的应对措施。

4)对 GB/T9711压力适用范围的建议:建议GB/T9711.1压力适用范围控制在6.4MPa以下,使用温度在0℃以上;建议GB/T9711.2压力适用范围控制在10MPa以内,温度使用范围符合 GB9948规定;建议GB/T9711.3压力适用范围控制在10MPa以上,最高使用压力不得超过最高试验压力的75%,且不大于15MPa,温度使用范围符合GB5310规定。

GB150《钢制压力容器》和 HG20581—1998《钢制化工容器材料选用规定》对表3序号1～4各管材标准给出了详细的使用数据,这些数据是经过大量实践获得的比较科学的应用成果。由于GB/T9711与表3中序号1～4各标准的管材化学成分、试验、检验要求差别大,且GB/T9711标准又没有可靠的压力适用范围经验,对比参考表3序号1～4各管材标准中的应用数据可以提高对GB/T9711标准的科学认识,保证其得到正确使用,对保证压力容器、压力管道的安全使用非常必要。

[1]中国国家技术监督局.GB150—1998钢制压力容器[S].北京:中国标准出版社,1998.

[2]中国国家技术监督局.GB/T9711.1—1997石油天然气工业输送钢管交货技术条件——第1部分:A级钢管[S].北京:中国标准出版社,1997.

[3]中国国家技术监督局.GB/T9711.2—1999石油天然气工业输送钢管交货技术条件——第2部分:B级钢管[S].北京:中国标准出版社,1999.

[4]中国国家技术监督局.GB/T9711.3—2005石油天然气工业输送钢管交货技术条——第3部分:C级钢管[S].北京:中国标准出版社,2005.

[5]中国石化工程建设公司.管道材料专业培训教材——压力管道材料[R].北京:中国石化工程建设公司,2006.

[6]王致祥,孙国模,文启鼎,等.管道应力分析与计算[M].北京:水利电力出版社,1983:16-17.

[7]四川石油管理局.天然气工程手册[M].北京:石油工业出版社,1982.

[8]中国国家技术监督局.B/T8163—2008输送流体用无缝钢管[S].北京:中国标准出版社,2008.

[9]中国国家技术监督局.GB9948—2006石油裂化用无缝钢管[S].北京:中国标准出版社,2006.

[10]国家石油和化学工业局.HG20581—1998钢制化工容器材料选用规定[S].北京:中国标准出版社,1998.

[11]中国国家技术监督局.GB5310—2008高压锅炉用无缝钢管[S].北京:中国标准出版社,2008.

[12]中国国家技术监督局.GB6479—2000高压化肥设备用无缝钢管[S].北京:中国标准出版社,2000.

(修改回稿日期 2010-02-06 编辑 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,高级工程师,博士;主要从事油田科研产品开发工作。地址:(710018)陕西省西安市未央区长庆兴隆园小区长庆大厦B306。电话:(029)86599275。E-mail:hml01@126.com