對(duì)國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)碳鋼管道在低溫環(huán)境應(yīng)用的差異性分析

鮮 寧 榮 明 馮 敏

1. 中國(guó)石油集團(tuán)管力學(xué)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室四川分室, 四川 成都 610041;2. 中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;3. 中國(guó)石油廣東石化公司， 廣東 揭陽(yáng) 515200

0 前言

隨著中國(guó)石油海外市場(chǎng)的不斷開(kāi)拓發(fā)展,油氣田地面工程設(shè)計(jì)中使用的標(biāo)準(zhǔn)體系也逐漸向多元化方向發(fā)展。單一的國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)已不能滿足發(fā)展需要,國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)體系的應(yīng)用越來(lái)越多。然而,不同標(biāo)準(zhǔn)體系對(duì)材料使用范圍的要求不完全相同,例如:在國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)體系中,碳鋼(本文泛指碳素鋼和碳錳鋼)通常以-20 ℃和-40 ℃為節(jié)點(diǎn);在美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)體系中,碳鋼則主要以-29 ℃和 -46 ℃ 為節(jié)點(diǎn);此外,在低應(yīng)力下允許的使用溫度下限放寬的要求也不盡相同。對(duì)于低溫工況,合理選擇碳鋼會(huì)減少投資成本,選擇不合理則會(huì)帶來(lái)安全隱患,甚至可能造成低溫脆性開(kāi)裂。本文將國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)于碳鋼材料要求和應(yīng)用限制進(jìn)行對(duì)標(biāo),識(shí)別出國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)于碳鋼管道在低溫環(huán)境應(yīng)用的差異性,結(jié)合對(duì)碳鋼管道低溫韌性的認(rèn)識(shí),對(duì)低溫環(huán)境下選擇碳鋼管道提出使用建議,以期為碳鋼管道在低溫工況下的合理應(yīng)用提供參考。

1 工程中常用的碳鋼材料

碳鋼是工程中應(yīng)用最多的材料,隨著溫度不斷降低,碳鋼材料塑性降低,脆性增加,當(dāng)溫度低于材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度時(shí),可能會(huì)導(dǎo)致低溫脆性斷裂,從而造成災(zāi)難性的事故。圖1-a)和圖1-b)分別為GB/T 20801.2—2020《壓力管道規(guī)范工業(yè)管道第2部分材料》(以下簡(jiǎn)稱GB/T 20801.2)與ASME B 31.3—2018《工藝管道》(以下簡(jiǎn)稱ASME B31.3)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中碳鋼材料免除低溫沖擊試驗(yàn)的最低溫度,但圖1未體現(xiàn)一些特殊的放寬要求(如低應(yīng)力工況)。因此,在工程設(shè)計(jì)中,除低溫低應(yīng)力等特殊工況外,碳鋼材料不允許在低于最低溫度下使用。

a)GB/T 20801.2

b)ASME B31.3圖1 碳鋼管道免除低溫沖擊試驗(yàn)的最低溫度圖Fig.1 Minimum temperature without impact testing for carbon steel materials

國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于碳鋼材料最低溫度的表征形式相似,均用溫度值或厚度—溫度曲線進(jìn)行說(shuō)明,但具體的溫度值和厚度—溫度曲線則存在明顯差異。表1列出了工程中常用碳鋼材料在不同設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中允許的最低溫度要求[1-18]。為了更深入地比較兩者差異,對(duì)表1所列碳鋼材料對(duì)應(yīng)的常用國(guó)內(nèi)外材料標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)材料標(biāo)準(zhǔn)對(duì)有害元素S、P的限制通常較ASME材料標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán),以碳鋼材料20和A105為例:NB/T 47008—2017中20鍛件的S≤0.025%、P≤0.010%,ASME A105的S≤0.040%、P≤0.035%。此外,國(guó)內(nèi)材料標(biāo)準(zhǔn)對(duì)沖擊功的要求也比ASME材料標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán),低溫工況用材料標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)制要求進(jìn)行低溫沖擊試驗(yàn),而ASME材料標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于低溫工況用材料標(biāo)準(zhǔn)不總是要求進(jìn)行低溫沖擊試驗(yàn),沖擊試驗(yàn)在部分標(biāo)準(zhǔn)中屬于補(bǔ)充要求,非強(qiáng)制要求,需要選擇才會(huì)進(jìn)行沖擊試驗(yàn),即便都要求進(jìn)行低溫沖擊試驗(yàn),國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中沖擊功要求也往往高于ASME材料標(biāo)準(zhǔn)的沖擊功的要求,以低溫碳鋼材料16 MnD和LF2 class 1為例,前者在-45 ℃下的沖擊功平均值不低于47 J,后者在-46 ℃下的沖擊功平均值則僅要求不低于20 J。

表1 GB/T 20801.2和ASME B31.3中常見(jiàn)碳鋼材料及其最低溫度要求表

結(jié)合材料標(biāo)準(zhǔn)中的低溫沖擊試驗(yàn)要求和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中允許的最低溫度進(jìn)行綜合分析,不難發(fā)現(xiàn):GB/T 20801.2標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于碳鋼材料的最低溫度較ASME B31.3更嚴(yán)。為了掌握國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于碳鋼材料低溫環(huán)境應(yīng)用的差異,后續(xù)將對(duì)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)沖擊韌性要求和特殊設(shè)計(jì)應(yīng)用進(jìn)行對(duì)比分析。

2 不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)碳鋼材料沖擊韌性的對(duì)比分析

對(duì)于工藝管道,GB/T 20801.2和ASME B31.3中都列出了碳鋼材料的使用溫度限制,其溫度下限往往與壁厚相關(guān)。對(duì)于低溫工況,為防止碳鋼材料的脆性開(kāi)裂,通常要求碳鋼材料具備一定的啟裂韌性或者止裂韌性。對(duì)于工藝管道,場(chǎng)站內(nèi)有諸如閥門這種可以起到止裂的管道元件,僅需要考慮啟裂韌性。對(duì)于碳鋼材料的啟裂韌性,常采用沖擊試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行評(píng)估。GB/T 20801.2和ASME B31.3都對(duì)碳鋼材料規(guī)定了沖擊試驗(yàn)要求。

2.1 GB/T 20801.2的沖擊試驗(yàn)要求

GB/T 20801.2對(duì)于碳鋼材料的最低使用溫度列在表A.1中,部分材料列出具體的溫度下限數(shù)值,這部分材料要么材料標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)開(kāi)展過(guò)沖擊試驗(yàn),要么設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求其在所列溫度下開(kāi)展沖擊試驗(yàn),其余材料則需根據(jù)厚度按圖1-a)曲線A、曲線B查閱對(duì)應(yīng)的溫度下限。表2歸納總結(jié)了GB/T 20801.2對(duì)碳鋼材料的沖擊試驗(yàn)要求。除低應(yīng)力工況或小截面試樣外,如果最低使用溫度在圖1-a)中的最低設(shè)計(jì)金屬溫度—厚度曲線上或曲線上方,則不要求進(jìn)行沖擊試驗(yàn),需注意的是曲線B的最低使用溫度>-20 ℃,但不包括-20 ℃。

2.2 ASME B31.3的沖擊試驗(yàn)要求

ASME B31.3對(duì)于碳鋼材料的最低設(shè)計(jì)溫度列在表A-1和A-1M中,對(duì)于材料標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)開(kāi)展過(guò)沖擊試驗(yàn)的碳鋼材料,其溫度下限與材料標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行的沖擊試驗(yàn)溫度基本一致,其余材料按溫度和厚度的組合分為4個(gè)等級(jí):即圖1-b)曲線A、曲線B、曲線C、曲線D。表3歸納總結(jié)了ASME B31.3中323.2節(jié)有關(guān)碳鋼材料的沖擊試驗(yàn)要求。除低應(yīng)力工況或小截面試樣外,如果最低設(shè)計(jì)溫度在圖1-b)中的最低設(shè)計(jì)金屬溫度—厚度曲線上或曲線上方,則不要求進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。

對(duì)比GB/T 20801.2和ASME B31.3可看出，對(duì)于碳鋼材料的沖擊試驗(yàn)要求基本原則一致,但在具體的溫度劃分和放寬條款則存在明顯差異,特別是最低使用溫度放寬規(guī)定。GB/T 20801.2中曲線A和曲線B對(duì)應(yīng)的最低溫度分別為-10 ℃和>-20 ℃;ASME B31.3中曲線A、曲線B、曲線C、曲線D對(duì)應(yīng)的最低溫度分別為-10 ℃、-29 ℃、-46 ℃、-46 ℃,隨著厚度增加,曲線D對(duì)應(yīng)碳鋼材料可使用的溫度較曲線C更低。

3 最低溫度放寬條款的對(duì)比分析

3.1 最低溫度放寬規(guī)定

從斷裂力學(xué)角度出發(fā),裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展與承受的力學(xué)水平相關(guān),即碳鋼材料在相同溫度下,應(yīng)力水平越低,發(fā)生低溫脆斷的風(fēng)險(xiǎn)降低,因此,設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于低應(yīng)力工況規(guī)定了一些特殊的溫度放寬條款。GB/T 20801.2中稱為低溫降應(yīng)力工況和低溫低應(yīng)力工況；ASME B31.3根據(jù)應(yīng)力比的降低,允許碳鋼材料在低于最低使用溫度的工況下應(yīng)用,其本質(zhì)與GB/T 20801.2中的低溫降應(yīng)力和低溫低應(yīng)力工況相同,但具體要求不同。

3.1.1 GB/T 20801.2最低使用溫度放寬規(guī)定

(1)

(2)

(3)

3.1.2 ASME B31.3最低設(shè)計(jì)溫度放寬規(guī)定

(4)

(5)

(6)

圖2 不要求沖擊試驗(yàn)時(shí)最低設(shè)計(jì)金屬溫度的降低值圖Fig.2 Reduction in lowest exemption temperature forsteels without impact testing

盡管GB/T 20801.2和ASME B31.3均允許碳鋼材料在低于列表最低溫度限制的低溫環(huán)境中應(yīng)用,但要應(yīng)用這些放寬條款,兩者都規(guī)定了必須滿足一定的限制要求,這些限制要求存在差異。

3.2 差異性分析

對(duì)標(biāo)GB/T 20801.2和ASME B31.3,對(duì)于低溫低應(yīng)力工況兩標(biāo)準(zhǔn)大致相當(dāng),均為R<0.3,最低溫度可放寬至-104 ℃,但兩者在限制要求上有細(xì)微差異;對(duì)于低溫降應(yīng)力工況,兩者則有較大差異,主要體現(xiàn)在應(yīng)力比、溫度下限、沖擊豁免要求以及應(yīng)用限制要求等方面。

3.2.1 應(yīng)力比

3.1節(jié)列出了GB/T 20801.2和ASME B31.3的R計(jì)算方法,R1和R2的算法基本相同,但R3的算法有細(xì)微差異。在R3的算法中,兩標(biāo)準(zhǔn)考慮的載荷相同(前者的重力包括固定載荷和活動(dòng)載荷),但前者主要考慮是軸向拉應(yīng)力,而后者則強(qiáng)調(diào)各種應(yīng)力的合力。關(guān)于R的計(jì)算,隨著設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的持續(xù)更新,R的計(jì)算不斷完善,以ASME B31.3為例,2014版ASME B31.3對(duì)R3的算法略有調(diào)整,在算法中增加考慮了活動(dòng)載荷的影響,不僅考慮多載荷下的軸向拉應(yīng)力,更強(qiáng)調(diào)總應(yīng)力。

對(duì)低溫降應(yīng)力工況GB/T 20801.2引入的允許R<0.8時(shí),曲線B對(duì)應(yīng)碳鋼材料的溫度放寬至-30 ℃;而ASME B31.3允許應(yīng)力比連續(xù)下降,直至低溫低應(yīng)力工況。此外,對(duì)于沖擊試驗(yàn)的豁免要求上,兩標(biāo)準(zhǔn)也完全不同,前者允許的溫度下降量為11 ℃,這與圖2中R=0.8時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度降低值一致;后者則以-48 ℃為限,當(dāng)最低溫度減去允許的溫度下降量 <-48 ℃ 時(shí),則需要進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。

通過(guò)分析得到:ASME B31.3在進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算時(shí)要求更嚴(yán)；與ASME B31.3相比,GB/T 20801.2的低溫降應(yīng)力工況的放寬應(yīng)用仍較保守。

3.2.2 限制條件

對(duì)于低溫低應(yīng)力工況和低溫降應(yīng)力工況,盡管GB/T 20801.2和ASME B31.3均有免除沖擊試驗(yàn)的規(guī)定,但都需要滿足嚴(yán)格的限制條件。

3.2.2.1 GB/T 20801.2最低溫度放寬限制條件

1)低溫降應(yīng)力工況除了具有低應(yīng)力外,還需要滿足如下限制條件:管道應(yīng)不低于1.5倍設(shè)計(jì)壓力的水壓試驗(yàn),壁厚超過(guò)13 mm的管道,還應(yīng)對(duì)外加載荷有安全防護(hù);GC2級(jí)管道以及環(huán)境氣溫不高于-20 ℃但不低于 -30 ℃ 的GC3級(jí)管道;材料不包括碳素結(jié)構(gòu)鋼或螺栓材料;管道系統(tǒng)中不準(zhǔn)許存在鐵素體與奧氏體的異種金屬焊接接頭。

2)低溫低應(yīng)力工況除了具有低應(yīng)力外,還需要滿足如下限制條件:僅限于GC2級(jí)管道,最低使用溫度不低于-104 ℃;材料不包括碳素結(jié)構(gòu)鋼或螺栓材料;管道系統(tǒng)中不準(zhǔn)許存在鐵素體與奧氏體的異種金屬焊接接頭。

3.2.2.2 ASME B31.3最低溫度放寬限制條件

除了具有低應(yīng)力外,低溫低應(yīng)力工況和低溫降應(yīng)力工況都需要滿足如下限制條件。

1)管道沒(méi)有高溫流體工況。

2)由沖擊載荷或者熱彎曲,或者異種金屬間不同膨脹量(如奧氏體和鐵素體)導(dǎo)致的局部應(yīng)力小于10%的所考慮工況下的許用應(yīng)力。

3)管道對(duì)維護(hù)載荷有安全防護(hù)。

另外,對(duì)于M類流體和高壓流體,不允許使用根據(jù)應(yīng)力比進(jìn)行的溫度放寬條款。

GB/T 20801.2對(duì)于低溫降應(yīng)力的限制條件1)與舊版ASME B31.3的要求相同,隨著設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的持續(xù)更新,2014版ASME B31.3刪除了此條規(guī)定,加強(qiáng)了對(duì)外加載荷(沖擊載荷、熱彎曲以及異種金屬焊接由不同膨脹量導(dǎo)致的局部應(yīng)力)的影響限制,此外,對(duì)于維護(hù)載荷安全防護(hù)的要求也加強(qiáng),變更為上述1)、2)、3)條。

通過(guò)分析得到:

1)兩標(biāo)準(zhǔn)均考慮了各種載荷的影響,ASME B31.3考慮更為全面,綜合應(yīng)力比的計(jì)算要求和附錄F中對(duì)于預(yù)期遭遇沖擊載荷和熱彎曲等的要求,以及對(duì)于應(yīng)力的要求更精細(xì)一些。

2)對(duì)于低溫放寬條款的應(yīng)用,兩標(biāo)準(zhǔn)均會(huì)考慮輸送介質(zhì)和輸送壓力。GB/T 20801.2不允許用于GC1管道,GC1管道劃分考慮了介質(zhì)毒性、火災(zāi)危險(xiǎn)性和壓力;ASME B31.3不允許M類流體和高壓流體,但M類流體主要考慮介質(zhì)毒性,未考慮火災(zāi)危險(xiǎn)性,另外高壓流體的壓力也遠(yuǎn)高于GC1管道的壓力要求。相較而言,GB/T 20801.2對(duì)要求更嚴(yán)。

4 認(rèn)識(shí)

在工程設(shè)計(jì)中,防止材料在低溫環(huán)境的脆性斷裂是一個(gè)十分重要環(huán)節(jié)。根據(jù)材料在低溫工況脆斷的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)[19]:低溫脆性斷裂時(shí)裂紋的擴(kuò)展速度極快,可高達(dá)1 000 ～3 000 m/s,無(wú)法加以制止,而且發(fā)生脆斷時(shí)無(wú)任何預(yù)兆;此外,當(dāng)應(yīng)力狀態(tài)越接近三向應(yīng)力狀態(tài),特別是有沖擊載荷時(shí),在低溫下容易產(chǎn)生低溫低應(yīng)力脆斷。因此,工程設(shè)計(jì)時(shí)需要合理地進(jìn)行材料選擇,防止出現(xiàn)低溫脆性斷裂。

材料的低溫韌性往往受材料的合金元素含量、夾雜物、晶粒度、微觀組織結(jié)構(gòu)、熱處理工藝等因素的影響[19-27]。對(duì)于碳鋼材料,碳含量的增加往往會(huì)導(dǎo)致其冷脆點(diǎn)上升;有害元素增加會(huì)導(dǎo)致夾雜物含量增加,從而降低碳鋼材料的韌性;細(xì)化晶粒,晶界總表面積增加,晶界上雜質(zhì)偏析濃度將會(huì)下降,減少有害影響,但會(huì)提高碳鋼材料的韌性,降低冷脆轉(zhuǎn)變溫度。通常情況下,為了降低碳鋼材料的冷脆溫度,在減少鋼中含碳量的同時(shí),應(yīng)增加鋼中的合金元素(如Mn、Ni)含量,改善冶煉和軋制工藝,采用合理的熱處理工藝。

對(duì)于碳鋼材料,其晶格結(jié)構(gòu)為體心立方,通常溫度在-40～-50 ℃時(shí),普通碳鋼材料會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的冷脆轉(zhuǎn)變,因此,碳鋼材料使用溫度僅到-50 ℃。國(guó)際工程設(shè)計(jì)公司的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也基本遵循這一原則,以殼牌規(guī)定為例:當(dāng)碳鋼材料在-45 ℃進(jìn)行低溫沖擊,且沖擊功>27 J時(shí),允許在-50 ℃使用。

5 建議

基于對(duì)碳鋼材料低溫韌性的認(rèn)識(shí),綜合國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)要求及工程設(shè)計(jì)公司的一些運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),對(duì)碳鋼材料在低溫環(huán)境下的應(yīng)用提出如下建議。

1)當(dāng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用GB/T 20801.2,溫度≤-20 ℃時(shí),宜采用低溫碳鋼;當(dāng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用ASME B31.3,溫度≤-29 ℃時(shí),宜采用低溫碳鋼;除按低溫低應(yīng)力工況進(jìn)行設(shè)計(jì)外,低溫碳鋼的最低使用溫度應(yīng)>-50 ℃。

2)當(dāng)采用ASME標(biāo)準(zhǔn)時(shí),某些材料標(biāo)準(zhǔn)并未強(qiáng)制要求材料進(jìn)行沖擊試驗(yàn),但在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中其最低使用溫度仍允許按曲線C或曲線D進(jìn)行沖擊試驗(yàn),如:ASME A516,ASME A671、ASME A672。對(duì)于低溫工況下輸送具有毒性或火災(zāi)危險(xiǎn)性介質(zhì)的工藝管道,如果使用這些材料時(shí),建議增加沖擊試驗(yàn)要求。