Ostra jazda vs. Jazda do domu: Przewodnik zrzędliwego starego inżyniera dotyczący wyboru gatunku stali (API 5L & ASTM A252)

Patrzeć, Robiłem to jeszcze zanim niektórzy z was się urodzili. Widziałem stosy łamane jak gałązki, ponieważ jakiś kierownik projektu w czystym biurze chciał zaoszczędzić dwadzieścia dolców na tonie stali. Widziałem też, jak wiertnice wbijały się godzinami, potrząsając sąsiadami’ domy, ponieważ określony gatunek był twardszy niż stek za dwa dolary i nie ustąpił.

Mówimy o stosach rur. Swoiście, jaki gatunek stali — ta mała liczba na certyfikacie huty, np. gatunek 2, Stopień 3, lub nawet wysokowytrzymały API 5L X70 – wpływa na istotę inżynierii fundamentów: Czy możemy go sprowadzić na potrzebną głębokość, nie niszcząc go?, i kiedy już opadnie, czy wytrzyma obciążenie?

Jeśli szukasz prostej, podręcznikowej odpowiedzi, która mówi “wyższa ocena = lepsza,” jesteś w złym biznesie. Równie dobrze możesz teraz spakować swój sprzęt. Nie chodzi tu tylko o krzywe naprężenia i odkształcenia; chodzi o zespół rockowy z ulicy, ukryty głaz trzy stopy w dół, i wyraz twarzy spawacza, gdy widzi skład chemiczny tej rury.

Alfabetowa zupa standardów (ASTM A252 w porównaniu z ASTM A252. API 5L)

Pierwszy, uporządkujmy formalności. Wciąż widzę specyfikacje, które mnie wzywają “ASTM A252 klasa 3,” a następnie w następnym akapicie, odwołują się “API5LX42.” To się dzieje cały czas. Całują się z kuzynami, ale nie bliźniaki.

• ASTM A252: To jest dziadek standardów stosów rur. Jest szeroki. To wybacza. Został napisany specjalnie do palowania. Dbają o średnicę, grubość ściany, i wytrzymałość na rozciąganie. Ale oto rzecz, o której wiedzą starsi ludzie: A252 pozwala na pewne błędy w produkcji. Chemia nie jest tak ścisła jak API. Ma być wbity w ziemię, niekoniecznie do utrzymywania ciśnienia.

• API 5L: To jest stal rurociągowa. Ma za zadanie utrzymywać gaz ziemny pod wysokim ciśnieniem. Metalurgia jest mocniejsza. Ekwiwalent węgla (Ce) jest zwykle bardziej kontrolowany, ponieważ czasami trzeba go spawać w terenie bez wstępnego podgrzewania. Kiedy używamy API 5L do palowania (co zdarza się często, gdy występuje nadwyżka rur lub wymagania dotyczące określonego gatunku), zasadniczo używamy Cadillaca jako ciągnika.

Tabela 1: Wspólne odpowiedniki gatunków i granica plastyczności

Oznaczenie	Określone min. Siła plonu (SMYS)	Typowy sposób myślenia dotyczący aplikacji	Moja osobista notatka terenowa
Klasa ASTM A252 2	35,000 psi (241 Mpa)	“Stary Wierny”	Ugina się, zanim się złamie. Świetne do rocka. Spawacze to uwielbiają.
Klasa ASTM A252 3	45,000 psi (310 Mpa)	“Koń roboczy”	Standard branżowy. Dobra równowaga, ale sztywny.
API5LX42	42,000 psi (290 Mpa)	“Hybryda”	Podobny do Grade 3, ale lepsza spawalność ze względu na niższą zawartość węgla.
API 5L x52	52,000 psi (359 Mpa)	“Mięsień”	Czujesz to w młotku. Wysoka pojemność, ale kruche, jeśli jesteś nieostrożny.
API 5L x70	70,000 psi (483 Mpa)	“Specjalista”	Rzadkie do palowania. Wymaga obsługi w rękawiczkach dziecięcych. Jedno złe trafienie i złom.

Podstawowy kompromis: Strukturalny Fy vs. Właściwości jezdne

Dlaczego zależy nam na ocenie? Sprowadza się to do dwóch równań, które wszyscy mamy w dupie.

1. Zdolność strukturalna (The “Dlaczego to obowiązuje”)

Dla pala z czystym łożyskiem końcowym, dopuszczalne obciążenie jest w dużej mierze funkcją granicy plastyczności stali.

$$P_{Allow}=0.5\times F_y\times A_{Steel}$$Pallow​=0,5×Fy×Astal​(Notatka: używam 0.5 dla przybliżonego współczynnika bezpieczeństwa. Nie krzycz na mnie czynnikami phi LRFD; to jest matematyka serwetkowa.)

Jeśli masz rurę o średnicy 12,75 cala i ściankę o grubości 0,375 cala (to twoje standardowe rzeczy), pole przekroju poprzecznego stali jest w przybliżeniu 14.5 cale kwadratowe.

• Stopień 2 (35 ksi): Pojemność = 0.5 * 35,000 * 14.5 = ~254 kipów

• Stopień 3 (45 ksi): Pojemność = 0.5 * 45,000 * 14.5 = ~326 kipów

To jest 28% zwiększenie ładowności poprzez samą zmianę papieru na materiał. Rura wygląda tak samo. Waży tyle samo. Ale nagle, jeden stos może wykonać całą pracę 1.28 hemoroidy. Dla kierownika projektu rozważającego ofertę ryczałtową, to jest czyste złoto. Mniej stosów, tańsza czapka, szybszy harmonogram.

2. Stres podczas jazdy (The “Dlaczego się psuje”)

Tutaj guma styka się z drogą – dosłownie. Kiedy uderzysz w stos młotkiem z silnikiem wysokoprężnym, wysyłasz falę naprężeń w dół stali. Można w przybliżeniu oszacować maksymalne naprężenie ściskające podczas jazdy (bardzo z grubsza) przez:

$$A_{dyNAMIC}=\sqrt{2\times \mathrm{mi}\times K\mathrm{mi}\mathrm{/}(A\times L)}$$σdynamiczny​=2×E×KE/(A×L)​

…ale w realnym świecie, używamy analizy równań falowych. Ale stosuję zasadę sprawdzania intuicji? Nie chcesz przekroczyć 90% granicy plastyczności podczas jazdy, jeśli cenisz swój zdrowy rozsądek.

Wysokiej jakości stal (Jak X70) ma wysoki plon, tak teoretycznie, możesz uderzyć mocniej. Ale tu jest pułapka, która łapie młodych inżynierów: Plastyczność vs. Kruchość.

Stopień 2 stal jest jak toffi. Jeśli uderzysz w przeszkodę, rura może “grzyb” na końcu. Może się wygiąć. Ale rzadko kiedy po prostu się rozpada. Stopień 3 jest sztywniejszy. Niskostopowy o wysokiej wytrzymałości (HSLA) stale takie jak X70? Mają znacznie delikatniejszą strukturę ziaren. Mają mniej “dawać.” Jeśli uderzysz rurą X70 w głaz pod niewielkim kątem, nie naginasz tego; dzielisz to. Widziałem, jak to się działo w Seattle w 2018. Specyfikacja wymagała rur o dużej wytrzymałości, które wytrzymają momenty wywracające sejsmiczne. Uderzyli w warstwę gliny lodowcowej z osadzonym brukiem. Pękać. Właśnie tak. Stos rozdzielił bok 20 stopy. Naprawa kosztowała więcej niż kupa.

Anegdota osobista: Fiasko doków w Luizjanie

Opowiem ci o pracy w doku w Baton Rouge. Gleba była miękka glina 60 stopy, następnie gęsta warstwa piasku. Potrzebowaliśmy dużej wydajności dla ładunków dźwigu. Raport geotechniczny był solidny. Inżynier konstrukcji, bystry dzieciak, ale świeży, Specyfikacja API 5L X60. Wysoka wytrzymałość, więc mniej stosów. Brzmiało świetnie.

Ułożyliśmy pierwszy stos testowy. 24-średnica cala, 1-calowa ściana. Ciężka rzecz. Zaczynamy jeździć. Liczba ciosów jest 10 uderzeń na stopę w glinie. Nudny. Następnie uderzyliśmy w piasek. Liczba ciosów przeskakuje do 100, Następnie 150 ciosów na stopę. Zbliżamy się do odmowy zgodnie z Programem Analizy Równań Falowych (Broń) wyniki. Młotek odbija się.

Następnie, walić. Nie ostry pierścień stali o stali. Ten głuchy odgłos, od którego ściska się żołądek. Wyciągamy młotek, spójrz w dół rury. Stos się nie wyginał, ale spawacz zauważa włoskowate pęknięcie na spoinie samej rury. Metal nieszlachetny miał mikropęknięcia. Wysoka wytrzymałość, stal o wysokiej zawartości węgla została młotkowana tak mocno, że utwardziła się i pękła przy mikroskopijnych wtrąceniach.

Przeszliśmy do klasy 3 na resztę pracy. Mniejsza pojemność na stos? Tak. Ale dodaliśmy jeszcze jeden stos na zagięcie. Czy to kosztowało więcej? Może w tonażu stali. Ale potem nie mieliśmy ani jednego pęknięcia. The “niższy stopień” stal zaabsorbowała nadużycia. Lekko wgniecił się na końcówce, ale nigdy się nie złamał. Stopień 3 pozwól nam prowadzić “dom” zamiast po prostu ostro jeździć.

Współczynnik spawalności (Rzeczywistość polowa)

Dużo rozmawiamy o prowadzeniu samochodu, ale za mało mówimy o gościu z żądłem.

Wysokiej jakości stal (X52 i nowsze) często ma wyższy równoważnik węgla (Ce). Formuła jest:

$$C\mathrm{mi}=C+\frac{MN}{6}+\frac{(CR+Mo+V)}{5}+\frac{(NI+C\mathrm{ty})}{15}$$CE=C+6Mn+5(Cr+Mo+V)+15(Ni+Cu)​Jeśli liczba ta wzrośnie powyżej 0.45, jesteś w świecie bólu. Potrzebujesz rozgrzania. Potrzebujesz prętów o niskiej zawartości wodoru. Musisz kontrolować temperaturę międzyściegową. Zimą na barce, z wiejącym wiatrem 20 węzły? Powodzenia.

Wolałbym jeździć Grade o nieco mniejszej pojemności 2 stos i wiedząc, że spoina jest solidna, niż jeździć statkiem rakietowym 3 układać w stos i zatrzaskiwać łączniki podczas jazdy ze względu na strefę wpływu ciepła (Haz) zamienił się w szkło.

Tabela 2: The “Zrzędliwy inżynier” Macierz wyboru pola

Kącik Danych: Co nam mówi PDA

Korzystamy z analizatora wbijania pali (PDA) obecnie, aby sprawdzić naprężenia. To czarna skrzynka, która podaje nam liczby, które zwykliśmy zgadywać.

Prowadziłem pracę, w której jeździliśmy 30-calowym Grade 2 (35ksi) stos i 30-calowy gatunek 3 (45ksi) stos o tej samej grubości ścianki w tym samym profilu gruntowym.

• Stopień 2: PDA wykazało maksymalne naprężenie ściskające wynoszące 42 ksi podczas jazdy.

  • Analiza: To jest 120% plonu. Technicznie, przeciążony. Ale sprawdziliśmy stos, widziałem lekko “klepsydra” kształt w pobliżu końcówki, ale bez pęknięcia. Stal lokalnie ustąpiła, pochłonął energię, i jechał dalej.

• Stopień 3: PDA wykazało maksymalne naprężenie ściskające wynoszące 48 ksi podczas jazdy.

  • Analiza: To jest 107% plonu. Teoretycznie, bezpieczniejszy niż odsetek stopnia 2. Ale stos był widoczny “pierścień” do tego. Dzwoniło jak dzwon. To jest energia odkształcenia sprężystego. Kiedy ten stos w końcu osiągnął odmowę, fala naprężeń odbiła się i spowodowała pęknięcie przy rozciąganiu u góry.

Dane pokazały stopień 3 był “bezpieczniejsze” na papierze, ale zachowanie klasy 2 faktycznie był bardziej wytrzymały. Stopień 2 poświęcił się, żeby ocalić stos. Stopień 3 zachował swój kształt, ale przekazał niszczycielską energię.

Rozwiązanie “Kruchy stos” Awaria

Więc, jak to naprawić, gdy zawodzi wysoka jakość?

1. Amortyzacja jest królem: Jeśli musisz użyć Grade 3 lub wyżej w trudnym terenie, nie można używać gołego kowadła stalowego. Do młotka potrzebna jest poduszka z micarty lub aluminium/brązu. Trzeba wydłużyć puls. Musisz spowolnić transfer energii.

2. Wzmocnienie końcówki: Zacząłem zamawiać “buty do jazdy” do pali wysokiej jakości. Grubszy pierścień ze stali (często niższy stopień, Właściwie!) przyspawany do końcówki. To wymaga nadużyć, deformuje się, i chroni znajdującą się nad nim kosztowną, wysokiej jakości rurę.

3. Wstępne wiercenie: Jeśli wiesz, że jest warstwa głazów, nie bądź bohaterem. Wywiercić otwór pilotujący w twardej warstwie. To kosztuje czas, ale to tańsze niż wymiana stosu.

4. The “Dwa młoty” Metoda: Zacznij od mniejszego młotka, aby przebić się przez nadkład. Delikatnie umieść końcówkę obok twardej warstwy. Następnie przynieś duży młotek, aby doprowadzić go do ostatecznej penetracji. Zapobiega to początkowemu przeprężeniu, które powoduje mikropęknięcia.

Trendy i przyszłość (Nonsens zielonej stali)

Widzę zachętę do “Zielona stal” Teraz. Stal wytwarzana w elektrycznych piecach łukowych i wyższej zawartości złomu. Czasami chemia jest wszędzie. Granica plastyczności może osiągnąć cel, ale pozostałe elementy (miedź, cyna) może powodować problemy podczas jazdy – coś, co nazywa się “gorąca krótkość” jeśli kiedykolwiek będziesz musiał wykonać cięcie płomieniem.

Najnowszy trend w 2024 to powrót do standardu API 5L X42 w przypadku palowania standardowego. To szczęśliwy środek. Ma wydajność zbliżoną do Grade 3 (42ksi vs 45ksi) ale z kontrolowanym składem chemicznym stali rurociągowej, co oznacza, że ​​lepiej się spawa i ma lepszą wytrzymałość. Widzę, że w Teksasie i na Florydzie wiele arkuszy specyfikacji całkowicie odchodzi od A252 i po prostu określa API 5L X42 o określonej grubości ścianki. Za stal płacą nieco więcej, ale oszczędzając na przeglądach i naprawach.

Wniosek: Nie bądź bohaterem

Jeśli odjąć jedną rzecz od tego bełkotu, niech to będzie to: Nie pozwól, aby kalkulator inżyniera budowlanego znęcał się nad młotem do palowania.

Wysokiej jakości stal (Stopień 3, X52, Płyta X70) podaje numery na arkuszu startowym. Dzięki temu matematyka staje się łatwa. Ale ziemia nie czyta matematyki. Ziemia uderza z powrotem.

Nauczyłem się najpierw przyglądać się lokalnej geologii, wybierz klasę, która wytrzyma jazdę, a następnie obliczyć pojemność. Jeśli to oznacza, że ​​potrzebuję jeszcze kilku stosów Grade 2, niech tak będzie. Lepiej śpię, wiedząc, że stosy są tam na dole w jednym kawałku, zamiast rozbitej rurki o wysokiej wytrzymałości, która wycieka wnętrznościami do lustra wody.

Wybierz stal, która wytrzyma uderzenie, nie tylko ten, który dobrze wygląda w arkuszu kalkulacyjnym. To jest kompromis. To jest praca.