GB_T9711材料屈服极限和压力使用范围的探讨

GB_T9711屈服极限和压力使用范围的探讨 116 天 然 气 工 业 2010 年 4 月 GB/ T 9711 材料屈服极限和压力使用范围的探讨 1 2 1 何茂林 梁政 李永生 1. 中国石油长庆油田西安长庆科 技工程有限公司 2. 西南石油大学 何茂林等. G B/ T 9711 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. 摘 要 为了解决 H 2 S、 2 以及高矿化度 60 000 80 000 mg / L 等的复合腐蚀问 某气田开发试验区 10 CO 10 8 3 m 试采 地面建设工程采用了 GB/ T 9711. 1 3 中的 L 245 和 L 360 等强度等级的材 料。由于这个 标准中定 义的屈服极 限 与 GB 150 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 给使用带来了不便。为此 对 GB/ T 9711 与 GB 150 钢制压力容器 中 s 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 G B/ T 9711、 B/ T 8163、 9948 、 B 5310 以及 GB 6479 等进 G GB G 行了对比分析 提出了现阶段使用 GB/ T 9711 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。 关键词 GB/ T 9711 G B 150 G B/ T 8163 GB 9948 GB 5310 G B 6479 探讨 建议 DOI: 10. 3787/ j. issn. 1000 0976. 2010. 04. 028 目前压力容器 和压力管 道的 设计主 要执行 GB 性范围 开始发生塑性变形时的应力。有些材料的拉 1150 钢制压力容器 和相关压力管道设计规定。在 伸 应力 应变 曲线并不出现明显的屈服平台 即不 8 3参与某气田开发试验区 10 10 m 试采地面建设工 能明确地确定其屈服点。对于此种情况 工程上规定程 H AZOP 分析 中发 计中为 了解决 H 2 S、 2 CO 取 试样产生 0. 2 残余变形时 的拉应力值作现 设 为条件以及高矿化度 矿化度为 60 000 80 000 mg / L 等的 屈服极限 用 0. 2 表示。 2 4复合腐蚀问题 采用了 GB/ T 9711. 1 3 中的 L 245 1 GB 150 钢制压力容器 在第 3. 6. 1 条中规定和 L 360 强度等级的材料。由于这个标准中定义的屈 了材料许用应力确定依据 见表 1。服极限与 GB 150 钢制压力容器 和 管道材料专业培 表 1 明确了高合金材料是以其 0. 2 值作为屈服极 5训教材 压力管道材料 中定义的内容相差很大 限值 s 说明这种 材料拉伸时没有明显的屈 服平台。检验偏低且压力适用范围没有明确 给设计使用带 而低合金钢在拉伸试验时也通常不会出现明显的屈服来了不便 故对此进行了探讨 希望能引起读者重视。 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1 GB/ T 9711 对屈服极限定义引起的 6 极限也就是前面定义中提到的 条件屈服极限 在思考与困惑 低碳钢的拉伸试验中 当超过 材料弹性极限后 在应1. 1 GB/ T 9711 对屈服极限定义引起的思考 力 应变曲线上会出现锯 齿状涨落台阶 的弹塑性变 传 统屈服极限 s 定义: 材料的拉伸应力超过弹 形 锯齿的 山峰 为 上屈服点 锯齿的 谷底 为 下 表1 材料许用应力确定依据表 M Pa 材 管材、 料 板材、 锻件 许用应力 1 低合金钢 碳素钢、 b / 3. 0 s / 1. 6 t s / 1. 6 t D/ 1. 5 t n / 1. 0 高合金钢 b / 3. 0 s 0. 2 / 1. 6 t s t 0. 2 / 1. 6 t D / 1. 5 t n / 1. 0 注: 1 取各值中的较小值为材料的许用应力。 作者简介: 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?形?央区长 庆兴隆园小区长庆大厦 B306。电话: 029 86599275。E mail: hml01 126. co m 第 30 卷第 4 期 加 工 利 用 117屈服点 工程中通常把 下屈服点 作为屈服极限。从 GB/ T 9711 中又没有详细说明它与 0. 2 的关系 可能拉伸时材料应力 应变曲线看 下屈服点 是材料刚 会误导设计人员 误以为 0. 2 等效于 0. 5 从而引起 标从弹性进入塑性的边界应力值 这个 下屈服点 值比 准执行混乱。材料产生 0. 2 残余变形时的拉应力值要小。在 GB 2 公式中的 s 是取 0. 2 还是 0. 5 时的值 直接影响150 钢制压力容器 中碳素钢是采用下屈服点作为 屈 压力管道材质的变形情况和工作状态。服极限 而低合金钢和高合金钢的屈服极限都是采用 3 如用 0. 5 作为屈服极限引入计算 前面管道壁的 条件屈服极限 即 0. 2 。下面的论述中仅以 条件 安全性没有保证。 厚计算公式的计算结果可靠性、屈服极限 作为依据讨论。 4 由于 0. 2 和 0. 5 没有等效的依据 如果说 0. 2 时 2 GB/ T 9711. 1 对屈服极限的定义: 规定总伸 管道处于弹性工作状态 那么取 0. 5 时管道可能处于长应力应为试样标距长度上产生 0. 5 的总伸长时所 弹性状态 也可能处于弹塑性状态。需的拉应力 。这个 规定总伸长应力 在某气田开发 5 如果当 0. 5 时管道是处于弹塑性 工作状态 那试验区 10 108 m 3 试采地面建设工程初步设计中被 么前面的管道壁厚计算公式的使用需要商榷。作为屈服极限 s 引用 即 0. 5 。 6 0. 5 中包含有弹性和塑性两部分 其产生的塑性 如果把 GB/ T 9711. 1 标准中 规定总伸长应力 变 L 245 为例 其 形是否超过 0. 2 是决定是否直接引用于前面管道当作屈服极限 以 规定总伸长应力 是 壁厚计算公式的关键 由于眼下不能解决这个问题 将245 M Pa 它是按照 标距长度上产生 0. 5 的总伸长 合理的使用。 直接影响到 GB/ T 9711 正确、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 2 GB/ T 9711 与其他流体管材标准比较由于屈服极限是以 0. 5 的总伸长时所需的拉应力 前面探讨了因执行 GB/ T 9711 标准中的 0. 5 可能来定义的 所以 这个屈服极限也应该是 条件屈服极 带来的困惑 下面仍然以 L 245 等级为例 依据各标准限 。而 GB 150 钢制压力容器 中定义的条件屈服极 中提供的化学组成、水压试验及压力使用范围与常用限 s 等效于 0. 2 两者在试样标距长度一致的情况下 的流体管材标准进行比较。表 2 是钢管材化学组成比GB/ T 9711 存在以下两个值得思考的问题: 按照材 较表 表 3 是钢管材水压试验和适用范围比较表。料特性 依据在弹性极限内 应力 应变 成正比的特 从表 2 可以看出 序号 5 钢管材的含碳量稍高于点 0. 2 比 0. 5 需要的拉伸载荷是小还是大 没有定量指 序号 1 4 中 20 号钢管材的含碳量 其力学性能应稍标 找不到两者等效的依据 传统的材料屈服极限定 高或等于序号 1 4 中 20 号钢管材 焊接性能应该接义以及 GB 150 钢制压力容器 中对管材的屈服极限 近序号 1 4 中 20 号钢管材 表中序号 6 7 号钢管材定义都是以 0. 2 为基础的 当选用 GB/ T 9711. 1 3 标 的含碳量均小于序号 1 4 中 20 号钢管材的含碳量准中的材料时 由于 0. 2 和 0. 5 两者没有等效的依据 接近序号 1 4 中标准的 10 号钢管材的含碳量 假如0. 5 对压力管道壁厚计算结果的正确性以及引用 0. 5 后 在规定 试样产生 0. 2 的残余变形 的测试条件下进管线材质实际的工作状态将无法确认。 行力学试验 表中序号 6 7 号钢管材的力学性能应该1. 2 GB/ T 9711 对管道计算带来的困惑 接近序号 1 4 中标准的 10 号钢管材 其焊接性能优 7 在 天然气工程手册 中站场集输及长输管道的 于序号 1 4 中标准的 20 号钢管材 KV 2 应该高于序壁厚计算常用到下述公式: 号 1 4 中标准的 20 号钢管材 其低温性能应该优于 pD / 2 s F K t C 1 序号 1 4 中标准的 20 号钢管材而接近 10 号钢管材。式中: 为集气管壁最小计算厚度 m m p 为集气管最 化学组成对力学性能影响的分析结果基本印证了文章大工作压力 M Pa D 为集气管外径 m m s 为管材最 前面提出的 GB/ T 9711 中 0. 5 作为管道壁厚?扑愕牡颓 ?M Pa F 为设计因数 为管子的纵向焊 屈服极限 时引起的思考与困惑 。缝系数 K t 为 管材 温 度减 弱系 数 C 1 为 腐 蚀裕 量 从表 3 可以看出 在 GB/ T 8163 和 GB 9948 标准mm。 中 8 9 明确了最高试 验压力及稳压时间和检验要求 从上式可知 在工艺参数一定的情况下 管道的计 按 照 H G 20581 1998 钢制 化 工 容器 材 料选 用 规算壁厚直接受管道材料屈服 极限 s 的影响 而管材的 定 10 标准和使用经验 这两个标准的管材使用压力屈 服极限是取 0. 2 还是取 0. 5 将引起下面的困惑: 范围控制在 10 M Pa 以下 而 GB 5310 标准 中 11 同 1 对于管道 设计人员来说 由于 0. 5 的存在 在 样明 确了最高试验压力及稳压时间和检验要求 按照 118 天 然 气 工 业 2010 年 4 月 表2 钢管材的化学成分比较表 序 化学成分/ 力学性能 标准代 号 钢号 号 C Mn Si Cr Ni S P1 s / M Pa 1 G B/ T 8163 8 20 0. 17 0. 24 0. 35 0. 65 0. 17 0. 37 0. 25 0. 25 0. 035 0. 035 2451 2 GB 9948 9 20 0. 17 0. 24 0. 35 0. 65 0. 17 0. 37 0. 25 0. 25 0. 030 0. 020 2451 3 G B 5310 11 20 0. 17 0. 24 0. 35 0. 65 0. 17 0. 37 0. 025 0. 015 2451 4 .