对国内外标准碳钢管道在低温环境应用的差异性分析

鲜 宁 荣 明 冯 敏

1. 中国石油集团管力学与环境重点实验室四川分室, 四川 成都 610041;2. 中国石油工程建设有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;3. 中国石油广东石化公司， 广东 揭阳 515200

0 前言

随着中国石油海外市场的不断开拓发展,油气田地面工程设计中使用的标准体系也逐渐向多元化方向发展。单一的国内标准已不能满足发展需要,国际标准体系的应用越来越多。然而,不同标准体系对材料使用范围的要求不完全相同,例如:在国标标准体系中,碳钢(本文泛指碳素钢和碳锰钢)通常以-20 ℃和-40 ℃为节点;在美国标准体系中,碳钢则主要以-29 ℃和 -46 ℃ 为节点;此外,在低应力下允许的使用温度下限放宽的要求也不尽相同。对于低温工况,合理选择碳钢会减少投资成本,选择不合理则会带来安全隐患,甚至可能造成低温脆性开裂。本文将国内外标准规范对于碳钢材料要求和应用限制进行对标,识别出国内外标准规范对于碳钢管道在低温环境应用的差异性,结合对碳钢管道低温韧性的认识,对低温环境下选择碳钢管道提出使用建议,以期为碳钢管道在低温工况下的合理应用提供参考。

1 工程中常用的碳钢材料

碳钢是工程中应用最多的材料,随着温度不断降低,碳钢材料塑性降低,脆性增加,当温度低于材料韧脆转变温度时,可能会导致低温脆性断裂,从而造成灾难性的事故。图1-a)和图1-b)分别为GB/T 20801.2—2020《压力管道规范工业管道第2部分材料》(以下简称GB/T 20801.2)与ASME B 31.3—2018《工艺管道》(以下简称ASME B31.3)设计标准中碳钢材料免除低温冲击试验的最低温度,但图1未体现一些特殊的放宽要求(如低应力工况)。因此,在工程设计中,除低温低应力等特殊工况外,碳钢材料不允许在低于最低温度下使用。

a)GB/T 20801.2

b)ASME B31.3图1 碳钢管道免除低温冲击试验的最低温度图Fig.1 Minimum temperature without impact testing for carbon steel materials

国内外设计标准对于碳钢材料最低温度的表征形式相似,均用温度值或厚度—温度曲线进行说明,但具体的温度值和厚度—温度曲线则存在明显差异。表1列出了工程中常用碳钢材料在不同设计标准中允许的最低温度要求[1-18]。为了更深入地比较两者差异,对表1所列碳钢材料对应的常用国内外材料标准进行了对比分析,发现国内材料标准对有害元素S、P的限制通常较ASME材料标准更严,以碳钢材料20和A105为例:NB/T 47008—2017中20锻件的S≤0.025%、P≤0.010%,ASME A105的S≤0.040%、P≤0.035%。此外,国内材料标准对冲击功的要求也比ASME材料标准更严,低温工况用材料标准中强制要求进行低温冲击试验,而ASME材料标准对于低温工况用材料标准不总是要求进行低温冲击试验,冲击试验在部分标准中属于补充要求,非强制要求,需要选择才会进行冲击试验,即便都要求进行低温冲击试验,国内标准中冲击功要求也往往高于ASME材料标准的冲击功的要求,以低温碳钢材料16 MnD和LF2 class 1为例,前者在-45 ℃下的冲击功平均值不低于47 J,后者在-46 ℃下的冲击功平均值则仅要求不低于20 J。

表1 GB/T 20801.2和ASME B31.3中常见碳钢材料及其最低温度要求表

结合材料标准中的低温冲击试验要求和设计标准中允许的最低温度进行综合分析,不难发现:GB/T 20801.2标准对于碳钢材料的最低温度较ASME B31.3更严。为了掌握国内外设计标准对于碳钢材料低温环境应用的差异,后续将对设计标准冲击韧性要求和特殊设计应用进行对比分析。

2 不同标准对碳钢材料冲击韧性的对比分析

对于工艺管道,GB/T 20801.2和ASME B31.3中都列出了碳钢材料的使用温度限制,其温度下限往往与壁厚相关。对于低温工况,为防止碳钢材料的脆性开裂,通常要求碳钢材料具备一定的启裂韧性或者止裂韧性。对于工艺管道,场站内有诸如阀门这种可以起到止裂的管道元件,仅需要考虑启裂韧性。对于碳钢材料的启裂韧性,常采用冲击试验来进行评估。GB/T 20801.2和ASME B31.3都对碳钢材料规定了冲击试验要求。

2.1 GB/T 20801.2的冲击试验要求

GB/T 20801.2对于碳钢材料的最低使用温度列在表A.1中,部分材料列出具体的温度下限数值,这部分材料要么材料标准中已经开展过冲击试验,要么设计标准要求其在所列温度下开展冲击试验,其余材料则需根据厚度按图1-a)曲线A、曲线B查阅对应的温度下限。表2归纳总结了GB/T 20801.2对碳钢材料的冲击试验要求。除低应力工况或小截面试样外,如果最低使用温度在图1-a)中的最低设计金属温度—厚度曲线上或曲线上方,则不要求进行冲击试验,需注意的是曲线B的最低使用温度>-20 ℃,但不包括-20 ℃。

2.2 ASME B31.3的冲击试验要求

ASME B31.3对于碳钢材料的最低设计温度列在表A-1和A-1M中,对于材料标准中已经开展过冲击试验的碳钢材料,其温度下限与材料标准要求进行的冲击试验温度基本一致,其余材料按温度和厚度的组合分为4个等级:即图1-b)曲线A、曲线B、曲线C、曲线D。表3归纳总结了ASME B31.3中323.2节有关碳钢材料的冲击试验要求。除低应力工况或小截面试样外,如果最低设计温度在图1-b)中的最低设计金属温度—厚度曲线上或曲线上方,则不要求进行冲击试验。

对比GB/T 20801.2和ASME B31.3可看出，对于碳钢材料的冲击试验要求基本原则一致,但在具体的温度划分和放宽条款则存在明显差异,特别是最低使用温度放宽规定。GB/T 20801.2中曲线A和曲线B对应的最低温度分别为-10 ℃和>-20 ℃;ASME B31.3中曲线A、曲线B、曲线C、曲线D对应的最低温度分别为-10 ℃、-29 ℃、-46 ℃、-46 ℃,随着厚度增加,曲线D对应碳钢材料可使用的温度较曲线C更低。

3 最低温度放宽条款的对比分析

3.1 最低温度放宽规定

从断裂力学角度出发,裂纹失稳扩展与承受的力学水平相关,即碳钢材料在相同温度下,应力水平越低,发生低温脆断的风险降低,因此,设计标准中对于低应力工况规定了一些特殊的温度放宽条款。GB/T 20801.2中称为低温降应力工况和低温低应力工况；ASME B31.3根据应力比的降低,允许碳钢材料在低于最低使用温度的工况下应用,其本质与GB/T 20801.2中的低温降应力和低温低应力工况相同,但具体要求不同。

3.1.1 GB/T 20801.2最低使用温度放宽规定

(1)

(2)

(3)

3.1.2 ASME B31.3最低设计温度放宽规定

(4)

(5)

(6)

图2 不要求冲击试验时最低设计金属温度的降低值图Fig.2 Reduction in lowest exemption temperature forsteels without impact testing

尽管GB/T 20801.2和ASME B31.3均允许碳钢材料在低于列表最低温度限制的低温环境中应用,但要应用这些放宽条款,两者都规定了必须满足一定的限制要求,这些限制要求存在差异。

3.2 差异性分析

对标GB/T 20801.2和ASME B31.3,对于低温低应力工况两标准大致相当,均为R<0.3,最低温度可放宽至-104 ℃,但两者在限制要求上有细微差异;对于低温降应力工况,两者则有较大差异,主要体现在应力比、温度下限、冲击豁免要求以及应用限制要求等方面。

3.2.1 应力比

3.1节列出了GB/T 20801.2和ASME B31.3的R计算方法,R1和R2的算法基本相同,但R3的算法有细微差异。在R3的算法中,两标准考虑的载荷相同(前者的重力包括固定载荷和活动载荷),但前者主要考虑是轴向拉应力,而后者则强调各种应力的合力。关于R的计算,随着设计标准的持续更新,R的计算不断完善,以ASME B31.3为例,2014版ASME B31.3对R3的算法略有调整,在算法中增加考虑了活动载荷的影响,不仅考虑多载荷下的轴向拉应力,更强调总应力。

对低温降应力工况GB/T 20801.2引入的允许R<0.8时,曲线B对应碳钢材料的温度放宽至-30 ℃;而ASME B31.3允许应力比连续下降,直至低温低应力工况。此外,对于冲击试验的豁免要求上,两标准也完全不同,前者允许的温度下降量为11 ℃,这与图2中R=0.8时对应的温度降低值一致;后者则以-48 ℃为限,当最低温度减去允许的温度下降量 <-48 ℃ 时,则需要进行冲击试验。

通过分析得到:ASME B31.3在进行应力计算时要求更严；与ASME B31.3相比,GB/T 20801.2的低温降应力工况的放宽应用仍较保守。

3.2.2 限制条件

对于低温低应力工况和低温降应力工况,尽管GB/T 20801.2和ASME B31.3均有免除冲击试验的规定,但都需要满足严格的限制条件。

3.2.2.1 GB/T 20801.2最低温度放宽限制条件

1)低温降应力工况除了具有低应力外,还需要满足如下限制条件:管道应不低于1.5倍设计压力的水压试验,壁厚超过13 mm的管道,还应对外加载荷有安全防护;GC2级管道以及环境气温不高于-20 ℃但不低于 -30 ℃ 的GC3级管道;材料不包括碳素结构钢或螺栓材料;管道系统中不准许存在铁素体与奥氏体的异种金属焊接接头。

2)低温低应力工况除了具有低应力外,还需要满足如下限制条件:仅限于GC2级管道,最低使用温度不低于-104 ℃;材料不包括碳素结构钢或螺栓材料;管道系统中不准许存在铁素体与奥氏体的异种金属焊接接头。

3.2.2.2 ASME B31.3最低温度放宽限制条件

除了具有低应力外,低温低应力工况和低温降应力工况都需要满足如下限制条件。

1)管道没有高温流体工况。

2)由冲击载荷或者热弯曲,或者异种金属间不同膨胀量(如奥氏体和铁素体)导致的局部应力小于10%的所考虑工况下的许用应力。

3)管道对维护载荷有安全防护。

另外,对于M类流体和高压流体,不允许使用根据应力比进行的温度放宽条款。

GB/T 20801.2对于低温降应力的限制条件1)与旧版ASME B31.3的要求相同,随着设计标准的持续更新,2014版ASME B31.3删除了此条规定,加强了对外加载荷(冲击载荷、热弯曲以及异种金属焊接由不同膨胀量导致的局部应力)的影响限制,此外,对于维护载荷安全防护的要求也加强,变更为上述1)、2)、3)条。

通过分析得到:

1)两标准均考虑了各种载荷的影响,ASME B31.3考虑更为全面,综合应力比的计算要求和附录F中对于预期遭遇冲击载荷和热弯曲等的要求,以及对于应力的要求更精细一些。

2)对于低温放宽条款的应用,两标准均会考虑输送介质和输送压力。GB/T 20801.2不允许用于GC1管道,GC1管道划分考虑了介质毒性、火灾危险性和压力;ASME B31.3不允许M类流体和高压流体,但M类流体主要考虑介质毒性,未考虑火灾危险性,另外高压流体的压力也远高于GC1管道的压力要求。相较而言,GB/T 20801.2对要求更严。

4 认识

在工程设计中,防止材料在低温环境的脆性断裂是一个十分重要环节。根据材料在低温工况脆断的经验总结[19]:低温脆性断裂时裂纹的扩展速度极快,可高达1 000 ～3 000 m/s,无法加以制止,而且发生脆断时无任何预兆;此外,当应力状态越接近三向应力状态,特别是有冲击载荷时,在低温下容易产生低温低应力脆断。因此,工程设计时需要合理地进行材料选择,防止出现低温脆性断裂。

材料的低温韧性往往受材料的合金元素含量、夹杂物、晶粒度、微观组织结构、热处理工艺等因素的影响[19-27]。对于碳钢材料,碳含量的增加往往会导致其冷脆点上升;有害元素增加会导致夹杂物含量增加,从而降低碳钢材料的韧性;细化晶粒,晶界总表面积增加,晶界上杂质偏析浓度将会下降,减少有害影响,但会提高碳钢材料的韧性,降低冷脆转变温度。通常情况下,为了降低碳钢材料的冷脆温度,在减少钢中含碳量的同时,应增加钢中的合金元素(如Mn、Ni)含量,改善冶炼和轧制工艺,采用合理的热处理工艺。

对于碳钢材料,其晶格结构为体心立方,通常温度在-40～-50 ℃时,普通碳钢材料会出现严重的冷脆转变,因此,碳钢材料使用温度仅到-50 ℃。国际工程设计公司的企业标准也基本遵循这一原则,以壳牌规定为例:当碳钢材料在-45 ℃进行低温冲击,且冲击功>27 J时,允许在-50 ℃使用。

5 建议

基于对碳钢材料低温韧性的认识,综合国内外标准要求及工程设计公司的一些运行经验,对碳钢材料在低温环境下的应用提出如下建议。

1)当设计标准采用GB/T 20801.2,温度≤-20 ℃时,宜采用低温碳钢;当设计标准采用ASME B31.3,温度≤-29 ℃时,宜采用低温碳钢;除按低温低应力工况进行设计外,低温碳钢的最低使用温度应>-50 ℃。

2)当采用ASME标准时,某些材料标准并未强制要求材料进行冲击试验,但在设计标准中其最低使用温度仍允许按曲线C或曲线D进行冲击试验,如:ASME A516,ASME A671、ASME A672。对于低温工况下输送具有毒性或火灾危险性介质的工艺管道,如果使用这些材料时,建议增加冲击试验要求。