Как определить допустимое напряжение для труб из углеродистой стали?

Вы беспокоитесь о том, что поломка трубы может разрушить бюджет и график вашего проекта? Выбор неправильных спецификаций материалов может привести к катастрофическим утечкам или дорогостоящему избыточному проектированию. Я здесь, чтобы упростить для вас правила ASME. Допустимое напряжение для труб из углеродистой стали определяется стандартами ASME B31.3. Для температур ниже диапазона ползучести оно обычно составляет наименьшее значение из 1/3 предела прочности на разрыв или 2/3 предела текучести. Этот расчет гарантирует, что ваша трубопроводная система останется безопасной под рабочим давлением. 

Понимание этих цифр жизненно важно для безопасности. Если вы их проигнорируете, труба может лопнуть. Если вы будете следовать им слепо, не понимая сути, вы можете купить дорогие трубы, которые вам не нужны. Давайте разберемся в деталях.

Каковы основные правила ASME B31.3?

Чтение инженерных кодов часто ощущается как чтение на другом языке. Это плотный и сложный для восприятия текст. Но вам необходимо понять раздел 302.3.2 (d), чтобы закупать правильные трубы. ASME B31.3 устанавливает пределы проектирования. Для стандартных металлов кодекс сравнивает предел прочности на разрыв и предел текучести. Допустимое напряжение — это наименьшее полученное значение. Это обеспечивает запас прочности до того, как металл необратимо деформируется или сломается. 

Я хочу объяснить логику этих правил. Кодекс делит требования на две основные категории в зависимости от температуры. У нас есть "упругая область" и "область ползучести". Для нормальных температур (ниже области ползучести) мы смотрим на два основных числа. Во-первых, мы берем 1/3 от предела прочности на разрыв (ST). Во-вторых, мы берем 2/3 от предела текучести (SY). Мы сравниваем их. Побеждает меньшее число. Это и есть допустимое напряжение. Существует особое правило для аустенитной нержавеющей стали и никелевых сплавов. Для этих материалов мы иногда можем доходить до 90% предела текучести. Но для углеродистой стали мы придерживаемся более строгого правила 2/3. Когда температура становится очень высокой, мы входим в "область ползучести". Ползучесть означает, что металл медленно растягивается со временем под воздействием тепла и давления. Здесь правила меняются. Мы смотрим, какое напряжение вызывает растяжение на 0,01% за 1000 часов. Или мы смотрим на напряжение, вызывающее разрыв через 100 000 часов. Мы берем проценты от этих чисел (67% или 80%). Цель — предсказать долгосрочную безопасность. В Centerway Steel мы гарантируем, что наши трубы соответствуют этим строгим критериям, прежде чем отправить их на ваш объект.

Как рассчитать это для трубы A106 Grade B?

Вы можете видеть формулу, но как она работает для реального продукта? Многие закупщики пытаются применить математику к реальным сертификатам ASTM, которые они получают. Давайте рассмотрим конкретный пример с использованием ASTM A106 Grade B. Это распространенная бесшовная труба. Мы вычисляем 1/3 от ее предела прочности (60 ksi) и 2/3 от ее предела текучести (35 ksi), чтобы найти безопасный предел. 

Я проведу вас через расчет. Это поможет, когда вы будете проверять допустимое напряжение для труб из углеродистой стали в вашем следующем проекте. Сначала посмотрите на свойства материала в таблице A-1 кодекса. Для ASTM A106 Grade B минимальный предел прочности на разрыв (ST) составляет 60 ksi. Минимальный предел текучести (SY) составляет 35 ksi. Теперь займемся математикой:

1. Возьмите 1/3 от предела прочности: 60 разделить на 3 равно 20 ksi.

2. Возьмите 2/3 от предела текучести: 35 умножить на 0.66 равно 23.3 ksi. Правило 1 дает нам 20 ksi. Правило 2 дает нам 23.3 ksi. Правило гласит, что мы должны выбрать меньшее значение. Таким образом, допустимое напряжение составляет 20 ksi. Этот результат говорит нам кое-что интересное о коэффициентах запаса прочности. Поскольку предел основан на пределе прочности (20 ksi — это 1/3 от 60 ksi), мы фактически имеем коэффициент запаса прочности 3. Это очень консервативный подход. Давайте сравним это с нержавеющей сталью (ASTM A312 TP316).

· Предел прочности (ST): 75 ksi.

· Предел текучести (SY): 30 ksi.

· Лимит: Меньшее из (2/3 * 30 = 20 ksi) или (90% * 30 = 27 ksi).

· Результат: 20 ksi. Вот таблица, чтобы сделать это понятным:

Как высокая температура влияет на пределы?

Трубы редко остаются при комнатной температуре на промышленном заводе. Остается ли допустимое напряжение для труб из углеродистой стали неизменным, когда становится жарко? Нет, пределы напряжения падают по мере повышения температуры. Для углеродистой стали допустимое напряжение остается стабильным до 400°F (204°C). Выше этого значения оно резко падает. Как только вы переходите за 700°F (371°C), ползучесть становится основным фактором, и материал становится намного слабее. 

Температура — враг прочности стали. Когда я поставляю трубы для нефтеперерабатывающих заводов, я всегда спрашиваю о рабочей температуре. Вот почему. Для ASTM A106 Grade B допустимое напряжение держится на уровне 20 ksi от комнатной температуры до 400°F. Это "безопасная зона". Между 400°F и 700°F правила меняются. Предел текучести при этой конкретной температуре становится важным. Вы увидите уменьшение значения допустимого напряжения. Оно регулируется 2/3 предела текучести при данном нагреве. Как только вы поднимаетесь выше 700°F, допустимое напряжение для труб из углеродистой стали падает как с обрыва. Именно здесь вступают в силу "свойства ползучести". Наклон на графике становится очень крутым. Металл не просто гнется; он медленно деформируется со временем. Сравните это с никелевым сплавом (UNS N06625). Он остается прочным при гораздо более высоких температурах. Его кривая более пологая. Но с углеродистой сталью вы должны быть очень осторожны выше 700°F. Если ваш проект работает при таких высоких температурах, вам может потребоваться другой материал. Centerway Steel может помочь вам перейти с углеродистой стали на легированную сталь, если пределы напряжения станут слишком низкими. Мы хотим убедиться, что ваша конструкция безопасна в долгосрочной перспективе.

Заключение

Расчет допустимого напряжения для труб из углеродистой стали защищает ваш проект. Вы должны использовать меньшее значение из 1/3 предела прочности или 2/3 предела текучести. Следите за высокими температурами. Centerway Steel готова поставить для вас подходящие безопасные материалы.