API 5L-, A106- en A333-buis: kwaliteiten, drukwaarden en tests

Drie normen, drie verschillende banen

Kopers die nieuw zijn bij koolstofstalen buizen behandelen API 5L, ASTM A106 en ASTM A333 vaak als uitwisselbare beschrijvingen van hetzelfde product, omdat ze in één oogopslag naadloze koolstofstalen buizen in een vergelijkbaar groottebereik omvatten. Ze zijn niet uitwisselbaar. Elke norm is geschreven voor een andere dienstomstandigheid, en elke norm regelt de chemie, warmtebehandeling en testen op een manier die bij die dienst past. API 5L is een lijnpijpspecificatie geschreven rond de transmissie van olie en gas en georganiseerd op sterkteklasse met twee productspecificatieniveaus. ASTM A106 is een servicespecificatie voor hoge temperaturen voor naadloze koolstofstalen buizen die worden gebruikt in procesleidingen, waarbij de controlerende eigenschappen de treksterkte bij kamertemperatuur plus de toegestane spanningswaarden zijn die ASME B31.3 bij verhoogde temperatuur toekent. ASTM A333 is een servicespecificatie bij lage temperaturen, waarbij het gehele ontwerp van de serie kwaliteiten wordt bepaald door kerftaaiheid bij temperaturen onder het vriespunt.

Het is belangrijk dat het gezin op de goede weg is, omdat de drie normen verschillende koolstof- en mangaanplafonds, verschillende deoxidatiepraktijken, verschillende testfrequenties en verschillende niet-destructieve onderzoeken accepteren. Een leiding die aan de een voldoet, zal niet automatisch aan de ander voldoen, en een dubbelgecertificeerde leiding moet aan beide tegelijk voldoen. In de onderstaande paragrafen wordt uiteengezet hoe elke standaard het product definieert, hoe de drukbeheersing wordt berekend en wat een koper moet verifiëren voordat hij een partij accepteert.

Drukbeheersing: de berekening die diameter, wand en helling met elkaar verbindt

De interne drukbeheersing wordt berekend met de Barlow-relatie, die de ringspanning in een dunwandige cilinder uitdrukt als de interne druk vermenigvuldigd met de diameter en gedeeld door tweemaal de wanddikte. Herschikt voor het ontwerp: de toegestane druk is tweemaal de toegestane spanning maal de wanddikte gedeeld door de buitendiameter. Elke leiding- en pijpleidingcode voegt modificatoren toe bovenop die basisuitdrukking: ASME B31.8 past een ontwerpfactor toe die afhangt van de bevolkingsdichtheid langs de voorrangsweg plus een gezamenlijke factor en een temperatuurverminderingsfactor, terwijl ASME B31.3 een codefactor toepast en getabuleerde toelaatbare spanningen gebruikt die al een temperatuurafhankelijke reductie omvatten.

Het gevolg voor de aanbesteding is dat dezelfde nominale kwaliteit zeer verschillende drukcapaciteiten oplevert, afhankelijk van welke code en welke ontwerpfactor van toepassing zijn. Een pijp met een buitendiameter van 323,9 mm en een wand van 8 mm in API 5L X52 zal een aanzienlijk hogere ontwerpdruk bevatten onder een transmissielijncode bij een lage ontwerpfactor dan dezelfde pijp die wordt gebruikt als procesleidingen onder een raffinaderijcode die een andere factor toepast en een lagere toegestane verhoogde temperatuur. Kopers moeten daarom de ontwerpdruk, de ontwerptemperatuur, de geldende norm en de toegestane spanningsbasis schriftelijk ontvangen, omdat de wanddikte niet alleen aan de hand van een kwaliteit kan worden geverifieerd.

Er volgen nog twee praktische punten. Ten eerste is de gespecificeerde wanddikte een nominale waarde met een toegestane minustolerantie, en moeten bij drukberekeningen de minimale wand worden gebruikt in plaats van de nominale wand; API 5L staat een minustolerantie op de wanddikte toe die varieert afhankelijk van de productieroute en de maat. Ten tweede wordt de corrosietoeslag opgeteld bij de berekende muur en niet ervan afgetrokken. Een bestelling die zonder rekening wordt geschreven op de berekende muur zal dus een onderdikte hebben voor de ontwerplevensduur bij nat of zuur gebruik.

API 5L: Lijnpijp met sterktegraad en twee kwaliteitsniveaus

API 5L organiseert producten op soortaanduiding, variërend van L175/A25 tot L830/X120, en op productspecificatieniveau. PSL1 is het basisniveau: een gedefinieerde chemietabel, trekproeven, een hydrostatische proef en beperkt niet-destructief onderzoek. PSL2 is het hogere niveau en de verschillen zijn eerder substantieel dan cosmetisch. PSL2 voegt een maximale vloeigrens toe naast het minimum, verplicht Charpy V-notch impacttesten van het lichaam, de las en de door hitte beïnvloede zone, haalt fosfor en zwavel aan, beperkt het koolstofequivalent en vereist niet-destructieve inspectie van de lasnaad voor gelaste producten.

Voor een koper is PSL2 de juiste keuze, waar de lijn ook is ontworpen volgens een transmissiecode met een breukcontroleplan, waar de ontwerptemperatuur onder nul daalt, of waar de pijp natte of zure koolwaterstof zal transporteren. PSL1 blijft zuinig en volledig geschikt voor waterleidingen, slibleidingen, lagedruk nutsvoorzieningen en structurele toepassingen. Het combineren van deze twee in één project is een veel voorkomende bron van verwarring, omdat dezelfde soortnaam, bijvoorbeeld L245/B, een verschillende minimale vloeigrens heeft, afhankelijk van het niveau: minimaal 245 MPa onder PSL1 en een band van 241 tot 448 MPa onder PSL2.

ASTM A106: Naadloos koolstofstaal voor gebruik bij hogere temperaturen

ASTM A106 omvat naadloze koolstofstalen buizen voor gebruik bij hoge temperaturen in drie klassen, A, B en C, en is de werkpaardspecificatie voor procesleidingen, keteltoevoerleidingen, stoomkoppen en hete-oliecircuits. De specificatie is bewust eenvoudig qua structuur en veeleisend qua kwaliteitseisen: de buis moet gemaakt zijn van gehard staal, moet naadloos zijn en moet een trekproef, een buigproef of afplattingsproef, een hydrostatische test en een productanalysecontrole aan de hand van de hitteanalyse doorstaan.

Klasse B domineert de markt omdat het een goede balans biedt tussen sterkte en lasbaarheid. Klasse A wordt gebruikt waar het vormen en lassen ernstig is en een lagere sterkte acceptabel is, en klasse C wordt gekozen waar de hogere treksterkte de verminderde lasbaarheid en de behoefte aan gekwalificeerde procedures en gecontroleerde voorverwarmen rechtvaardigt. Omdat A106 een specificatie voor hoge temperaturen is, zijn de eigenschappen die er het meest toe doen niet simpelweg de trekwaarden bij kamertemperatuur, maar de toelaatbare spanning die de ontwerpcode over het temperatuurbereik toekent, samen met de korrelgroottecontrole die het kruipgedrag op de lange termijn voorspelbaar houdt.

A106 vereist standaard geen impacttests. Dat is een cruciaal onderscheid met API 5L PSL2 en met A333: als de procesleidingen bij lage temperatuur zullen werken, of als de specificatie van de eigenaar eisen aan impact bij lage temperaturen als aanvullende eis vermeldt, moet de koper dit vermelden. Aannemen dat een A106 klasse B-buis een impacttest ondergaat omdat deze een molentestcertificaat draagt, is een vaak voorkomend en duur misverstand.

ASTM A333: De serie voor lage temperaturen

ASTM A333 omvat naadloze en gelaste buizen van koolstof- en gelegeerd staal, bedoeld voor gebruik bij lage temperaturen, en de kwaliteitsstructuur is opgebouwd rond de impacttesttemperatuur. Graad 1 is de basiskwaliteit van koolstofstaal, Graad 6 is de koolstofarme kwaliteit die het meest wordt gebruikt in leidingen voor vloeibaar gas en koude klimaten, en Graad 3 bevat nominaal 3,5 procent nikkel voor gebruik tot ongeveer -100 graden C. Hogere kwaliteiten in de serie breiden het bereik verder uit naar cryogeen gebied met een toenemend nikkelgehalte.

Elke A333-buis moet een warmtebehandeling ondergaan en de specificatie vereist impacttests van elke batch bij de temperatuur die is aangegeven voor de kwaliteit, waarbij de resultaten worden gerapporteerd als geabsorbeerde energie en laterale uitzetting. De warmtebehandeling is normaal gesproken een volledige normalisatie, of een normalisering en tempering, of een quench en tempering, indien overeengekomen. Dit is het structurele verschil tussen A333 en A106: A106 geeft u een materiaal dat bestand is tegen hoge temperaturen, A333 geeft u een vloer met gegarandeerde taaiheid bij een gespecificeerde lage temperatuur, en deze twee kunnen niet worden vervangen zonder een gedocumenteerde technische evaluatie.

De meest voorkomende veldfout in deze familie is het bestellen van A333 klasse 6 voor een dienst bij -45 graden C en het vervolgens accepteren van A106 klasse B omdat de fabriek het op voorraad had en de trekeigenschappen bij kamertemperatuur er gelijkwaardig uitzien. Ze zijn niet gelijkwaardig voor die dienst: A106 klasse B heeft geen Charpy-vereiste, dus het gedrag ervan op de onderste plank is onbekend, en een broze breuk in een koude vloeibaar-gasleiding is eerder een catastrofale dan een progressieve faalwijze.

Chemie en mechanische vergelijking

In de onderstaande tabel worden de eigendommen weergegeven die het vaakst worden vergeleken bij een bodevaluatie. Waarden zijn de standaardvereisten voor de basiskwaliteit; aanvullende eisen, projectspecificaties en dikteafhankelijke regels kunnen deze nog verder aanscherpen.

Als u over de rijen heen leest, wordt de ontwerplogica zichtbaar. A106 klasse B en A333 klasse 6 hebben een zeer vergelijkbare chemie en identieke minimale treksterkte, maar slechts één heeft een gegarandeerde impactenergie bij lage temperaturen. A106 Klasse C koopt 70 MPa extra treksterkte ten koste van een koolstofplafond van 0,35 procent. Daarom hebben lasprocedures voor Klasse C meer voorverwarmingscontrole nodig dan voor Klasse B. De API 5L X42-rij laat zien wat de lijnpijpspecificatie anders doet: een lager koolstofplafond, een breder mangaanvenster voor microlegeringen en een sterkteband in plaats van een enkel minimum.

Taaiheidstesten en acceptatieregels

Impacttests vormen het onderscheid tussen deze specificaties en moeten met dezelfde zorg worden gespecificeerd als de kwaliteit. De essentiële parameters zijn de testtemperatuur, de grootte en oriëntatie van het monster, de minimaal geabsorbeerde energie, de minimale laterale uitzetting en de bemonsteringsfrequentie. Een veel voorkomende fout bij aanschaf is het specificeren van een testtemperatuur zonder te specificeren of deze van toepassing is op het pijplichaam, het lasmetaal en de door hitte beïnvloede zone, aangezien een lijnpijpspecificatie deze op alle drie toepast, terwijl een van een plaat afgeleide specificatie alleen het lichaam mag betreffen.

Voor een pijpleiding in een koud klimaat wordt de testtemperatuur normaal gesproken ingesteld op of onder de laagst verwachte gebruikstemperatuur met een marge, en de acceptatiecriteria zijn doorgaans een minimale gemiddelde geabsorbeerde energie voor een set van drie monsters plus een ondergrens voor elk afzonderlijk monster. Voor kritische toepassingen kan de specificatie een valgewicht-scheurtest toevoegen om de weerstand tegen lopende afschuifbreuk te bevestigen, of een verplaatsingstest bij het openen van een scheur ter ondersteuning van een technische kritische beoordeling van lasfouten. Kopers moeten eisen dat de werkelijke testwaarden op het certificaat worden afgedrukt; een verklaring dat de leiding voldoet is geen vervanging voor een getal.

Niet-destructief onderzoek, hydrostatische test en gezamenlijke efficiëntie

Alle drie de specificaties vereisen een hydrostatische test van elke lengte, gedurende een minimumperiode gedefinieerd door de norm en uitgevoerd bij een druk berekend op basis van de wanddikte en de kwaliteit. Testdrukken zijn een verificatie van de drukdichtheid en structurele integriteit, geen bewijstest voor vernietiging, en de norm definieert een plafond zodat de test zelf de buis niet beschadigt. Ringtestrecords, drukgrafiekrecords en de identificatie van de operator moeten allemaal worden bewaard.

Bij niet-destructief onderzoek van de lasnaad lopen de specificaties het meest uiteen. Naadloze buizen worden onderzocht op lamineringen en longitudinale defecten door middel van ultrasone of fluxlekkagemethoden, afhankelijk van de ordervereisten. Gelaste leidingbuizen onder PSL2 vereisen onderzoek van de naad, en de omvang en methode worden bepaald door de norm en door eventuele aanvullende eisen die de koper inroept. Voor procesleidingen onder een code als ASME B31.3 kan radiografisch of ultrasoon onderzoek van de omtreklassen nodig zijn in plaats van van de pijpnaad, en de verbindingsefficiëntie die wordt gebruikt bij de drukberekening hangt af van het bereikte onderzoeksniveau. Een koper die buizen accepteert op basis van het interne inspectierapport van een leverancier, zonder dat het rapport de methode, de referentiestandaard en de acceptatiecriteria identificeert, kan op geen enkele manier de gezamenlijke efficiëntie controleren die in het ontwerp is aangenomen.

Voor gelaste buizen wordt de verbindingsefficiëntie bij de drukberekening normaal gesproken alleen op 1,0 genomen als de naad is onderzocht op het niveau dat de geldende norm vereist. Elektrisch weerstandsgelaste buis met een goed genormaliseerde naad en volledig onderzoek komt in aanmerking; stompgelaste buizen doen dat niet, en de lagere verbindingsfactor moet worden weerspiegeld in de vereiste wanddikte.

Coating, eindbescherming en langdurige integriteit

Geen van deze drie specificaties heeft betrekking op externe corrosiebescherming, toch bepaalt de keuze van de coating de levensduur van een ondergrondse leiding evenzeer als de staalsoort. Een drielaags polyethyleensysteem aangebracht op een gestraald oppervlak, gespecificeerd in ISO 21809-1 of DIN 30670, samen met een goed ontworpen kathodisch beschermingssysteem volgens NACE SP0169, is de normale basis voor een ontwerplevensduur van meer dan 50 jaar op een ondergrondse koolstofstalen pijpleiding. Fusion-bonded epoxy volgens ISO 21809-2 is de gebruikelijke keuze voor één laag wanneer de bedrijfstemperatuur gematigd is en het risico op mechanische schade laag is.

Buisuiteinden verdienen aparte aandacht. Voor het omtreklassen blijven kale eindbanden over, wat betekent dat de uiteinden het deel van de buis zijn dat het meest wordt blootgesteld aan mechanische schade, ovaliteit en vocht tijdens transport en opslag. Zware schuine beschermers, eindkappen en externe wikkelingen voorkomen de inkepingen en ovaliteit die later hoge-laag verkeerde uitlijning en lasreparaties veroorzaken. Bij opslag moeten de buizen op houten of rubberen steunen rusten, waarbij de coating vrij van de grond is, en de stroppen moeten van breed nylon zijn in plaats van van kettingen.

Specificatiechecklist voor kopers

Voordat u een bestelling plaatst, moet u het volgende schriftelijk bevestigen: de geldende ontwerpcode en ontwerpfactor, de ontwerpdruk en ontwerptemperatuur, de minimale en maximale metaaltemperatuur voor de beoordeling van de taaiheid, de vereiste impacttesttemperatuur en acceptatiewaarden voor het lichaam, de las en de door hitte beïnvloede zone, het productspecificatieniveau voor elk API 5L-item, de vereiste niet-destructieve onderzoeksmethode en acceptatieniveau voor de naad, of een extern inspectiebureau getuige zal zijn van testen, het coatingsysteem met zijn standaard- en dikteklasse, de eindafwerking en afschuiningsdetails, en het documentatiepakket inclusief de inhoud van het molentestcertificaat en de warmtebehandelingsgegevens.

Controleer bij ontvangst of de kwaliteit en eventuele achtervoegsels die op de buis zijn gestempeld, overeenkomen met het certificaat, dat de warmtenummers overeenkomen, dat de chemische en mechanische resultaten binnen de standaardvereisten vallen in plaats van alleen maar te worden gerapporteerd, en dat de impactwaarden zijn verkregen bij de gespecificeerde temperatuur met de gespecificeerde monsteroriëntatie. Wanneer een dubbelgecertificeerde buis wordt aangeboden, bijvoorbeeld een buis die is gecertificeerd volgens zowel API 5L als ASTM A106, controleer dan of de chemie voldoet aan de strengste van de twee limieten en dat het testregime aan de vereisten van beide voldoet, aangezien dubbele certificering alleen waarde toevoegt als het bewijs compleet is.

Veelgestelde vragen

Vraag: Kan ASTM A106 klasse B-buis worden gebruikt voor een gasleiding op lage temperatuur?
Niet zonder een technische evaluatie. A106 vereist geen impacttesten, dus de kerftaaiheid bij temperaturen onder nul wordt niet gekarakteriseerd. Een lijn voor lage temperaturen moet ASTM A333 klasse 6 of een API 5L PSL2-klasse gebruiken met een gespecificeerde impacttesttemperatuur onder de minimale ontwerptemperatuur van het metaal.

Vraag: Is API 5L PSL1-buis van lagere kwaliteit dan ASTM A106 klasse B?
Ze hebben betrekking op verschillende taken in plaats van op verschillende kwaliteitsniveaus. De PSL1-leidingpijp verifieert de sterkte en drukdichtheid voor transmissiediensten, terwijl de A106 de eigenschappen verifieert voor procesdiensten bij hoge temperaturen en waarvoor dood staal vereist is. Welke beter is, hangt af van de ontwerpcode, de temperatuur en de taaiheidseis.

Vraag: Welke kwaliteiten in ASTM A333 zijn geschikt voor de laagste temperaturen?
De reeks breidt zich naar beneden uit naarmate het nikkelgehalte stijgt. Graad 1 en Graad 6 dienen rond de -45 graden C, Graad 3 met nominaal 3,5 procent nikkel bereikt ongeveer -100 graden C, en hogere nikkelkwaliteiten in de serie gaan nog lager, elk met zijn eigen vereiste impacttesttemperatuur.

Vraag: Hoe wordt de maximaal toegestane werkdruk berekend?
Uit de Barlow-relatie, waarbij gebruik wordt gemaakt van de buitendiameter en de minimale wanddikte, met een toegestane spannings- of ontwerpfactor geleverd door de geldende code, plus verbindings- en temperatuurreductiefactoren. Bij de berekening mag nooit de nominale muur worden gebruikt in plaats van de minimale muur.

Vraag: Waarom vertoont dezelfde soort een verschillende vloeigrens onder PSL1 en PSL2?
PSL2 definieert een sterkteband met zowel een vloer als een plafond, dus het nominale minimum wordt aangepast naar een waarde die consistent is met die band, terwijl PSL1 alleen een vloer definieert. De buis is niet verschillend van aard, maar het acceptatievenster en de bijbehorende testen zijn verschillend.

Vraag: Vereisen deze specificaties impacttests van de las en de door hitte beïnvloede zone?
API 5L PSL2 vereist impacttests van het lichaam, de las en de door hitte beïnvloede zone. ASTM A333 vereist impacttests van de buis als product bij lage temperatuur, met details vastgelegd in de specificatie. ASTM A106 vereist geen impacttesten tenzij de koper een aanvullende eis inroept, waarin dan de locaties en acceptatiecriteria moeten worden vermeld.