国标/T 9711材料屈服极限和压力使用范围的探讨_工程实践

摘要

摘要：为了解决H2S、C02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/T 9711.1-3中的L245和L360等强度等级的材料

摘要：为了解决H₂S、C0₂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/T 9711.1-3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，给设计使用带来了不便。为此，对GB/T 9711与GB 150《钢制压力容器》中σ_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GB/T 9711、GB/T 8163、GB 9948、GB 5310以及GB 6479等进行了对比分析，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 GB 150 GB/T 8163 GB 9948 GB 5310 GB 6479 探讨建议

目前压力容器和压力管道的设计主要执行GB 150《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/T 9711.1-3^[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》^[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/T 9711对屈服极限定义引起的思考与困惑

1.1 GB/T 9711对屈服极限定义引起的思考

传统屈服极限(σ_s)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σ_0.2表示。

1) GB 150《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σ_0.2值作为屈服极限值σ_s，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GB 150《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σ_0.2。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 MP

材料(板材、管材、锻件)	许用应力¹⁾
碳素钢、低合金钢	σ_b/0.3 σ_s/1.6 σ_s^t/1.6 σ^tD/1.5 σ_n^t/1.0
高合金钢	σ_b/0.3 σ_s(σ_0.2)/1.6 σ_s^t(σ_0.2^t)/1.6 σ^tD/1.5 σ_n^t/1.0

注：1)取各值中的较小值为材料的许用应力。

2) GB/T 9711.1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(σ_s)引用，即σ_0.5。

如果把GB/T 9711.1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GB 150《钢制压力容器》中定义的条件屈服极限σ_s等效于σ_0.2，两者在试样标距长度一致的情况下，GB/T 9711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，σ_0.2比σ_0.5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GB 150《钢制压力容器》中对管材的屈服极限定义都是以σ_0.2为基础的，当选用GB/T 9711.1-3标准中的材料时，由于σ_0.2和σ_0.5两者没有等效的依据，σ_0.5对压力管道壁厚计算结果的正确性以及引用σ_0.5后管线材质实际的工作状态将无法确认。

1.2 GB/T 9711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：

δ=pD/(2σ_sFφK_t)+C₁

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；σ_s为管材最低屈服极限，MPa；F为设计因数；φ为管子的纵向焊缝系数；K_t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σ_s的影响，而管材的屈服极限是取σ_0.2还是取σ_0.5将引起下面的困惑：

1) 对于管道设计人员来说，由于σ_0.5的存在，在GB/T 9711中又没有详细说明它与%.。的关系，可能会误导设计人员，误以为σ_0.5等效于σ_0.5，从而引起标准执行混乱。

2) 公式中的σ_s是取σ_0.2还是σ_0.5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σ_0.5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σ_0.2和σ_0.5没有等效的依据，如果说%。时管道处于弹性工作状态，那么取σ_0.5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σ_0.5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) σ_0.5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6B/T 9711正确、合理的使用。

2 GB/T 9711与其他流体管材标准比较

前面探讨了因执行GB/T 9711标准中的氏。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/T 9711中σ_0.5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/T 8163和GB 9948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HG 20581—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GB 5310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HG 20581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GB 6479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HG 20581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。

在GB/T 9711.1标准中，压力试验的压力值虽然与GB/T 8163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/T 9711.2-3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GB 9948和GB 5310。

3 对GB/T 9711材料屈服极限和压力适用范围的使用建议

GB/T 9711这个标准是根据ISO 3183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/T 9711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/T 9711标准规定的管材化学成分，考虑GB/T 9711标准的合理修正；在权威测试数据没有出来以前，建议GB/T 9711.1中的σ_0.5可以作为站场集输及长输管道的壁厚计算公式σ_s而直接引用；GB/T 9711.2-3中的σ_0.5增加一个修正系数愚(k=0.85)，即：σ_s=0.85σ_0.5。

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/T 9711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/T 9711压力适用范围的建议：建议GB/T 9711.1压力适用范围控制在6.4MPa以下，使用温度在0℃以上；建议GB/T 9711.2压力适用范围控制在10MPa以内，温度使用范围符合GB 9948规定；建议GB/T 9711.3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GB 5310规定。

GB 150《钢制压力容器》和HG 20581—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/T 9711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/T 9711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/T 9711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。

参考文献

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[11] 中国国家技术监督局.GB 5310—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.GB 6479—2000高压化肥设备用无缝钢管[S].北京：中国标准出版社，2000.

(本文作者：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)