Lái xe cứng vs. Lái xe về nhà: Hướng dẫn lựa chọn cấp thép cho kỹ sư già gắt gỏng (API 5L & ASTM A252)

Nhìn, Tôi đã làm việc này từ trước khi một số bạn được sinh ra. Tôi đã từng thấy những cọc gỗ gãy như cành cây vì một người quản lý dự án ở một văn phòng sạch sẽ muốn tiết kiệm 20 đô la một tấn thép. Tôi cũng đã chứng kiến ​​các giàn khoan hoạt động liên tục hàng giờ liền, rung chuyển hàng xóm’ nhà ở, bởi vì loại được chỉ định cứng hơn miếng bít tết hai đô la và không nhúc nhích.

Chúng ta đang nói về cọc ống. Cụ thể, mác thép như thế nào—con số nhỏ đó trên giấy chứng nhận của nhà máy như Lớp 2, Cấp 3, hoặc thậm chí API 5L X70 cường độ cao—ảnh hưởng đến cuộc chiến cốt lõi của kỹ thuật nền móng: Liệu chúng ta có thể đưa nó xuống độ sâu cần thiết mà không phá hủy nó không, và một khi nó bị hỏng, nó có thể chịu tải được không?

Nếu bạn đang tìm kiếm một câu trả lời đơn giản trong sách giáo khoa có nội dung “cấp cao hơn = tốt hơn,” bạn đang kinh doanh sai lầm. Bây giờ bạn cũng có thể thu dọn giàn khoan của mình. Đây không chỉ là về đường cong căng thẳng; đó là về ban nhạc rock dưới phố, tảng đá ẩn sâu ba feet, và vẻ mặt của người thợ hàn khi nhìn thấy thành phần hóa học của chiếc ống đó.

Súp bảng chữ cái của tiêu chuẩn (ASTM A252 so với. API 5L)

Đầu tiên, hãy giải quyết thủ tục giấy tờ một cách thẳng thắn. Tôi vẫn thấy thông số kỹ thuật kêu gọi “ASTM A252 lớp 3,” và sau đó trong đoạn tiếp theo, họ tham khảo “API 5L X42.” Nó xảy ra mọi lúc. Họ đang hôn anh em họ, nhưng không phải sinh đôi.

• ASTM A252: Đây chính là ông tổ của tiêu chuẩn cọc ống. Nó rộng. Thật là tha thứ. Nó được viết riêng cho việc đóng cọc. Họ quan tâm đến đường kính, độ dày của tường, và độ bền kéo. Nhưng đây là điều mà người xưa biết: A252 gây ra một số sai sót trong quá trình sản xuất. Tính chất hóa học không chặt chẽ như API. Nó có nghĩa là được đưa xuống đất, không nhất thiết phải giữ áp lực.

• API 5L: Đây là thép đường ống. Nó có nghĩa là để giữ khí tự nhiên ở áp suất cao. Luyện kim chặt chẽ hơn. Lượng cacbon tương đương (CE) thường được kiểm soát nhiều hơn vì đôi khi bạn phải hàn nó tại hiện trường mà không cần làm nóng trước. Khi chúng tôi sử dụng API 5L để đóng cọc (điều này xảy ra rất nhiều khi có đường ống dư thừa hoặc yêu cầu cấp độ cụ thể), về cơ bản chúng tôi đang sử dụng một chiếc Cadillac làm máy kéo.

Bàn 1: Tương đương cấp phổ biến và sức mạnh năng suất

Chỉ định	Tối thiểu được chỉ định. Sức mạnh năng suất (SMYS)	Tư duy ứng dụng điển hình	Ghi chú trường cá nhân của tôi
Lớp ASTM A252 2	35,000 psi (241 MPa)	“Người trung thành cũ”	Uốn cong trước khi nó gãy. Tuyệt vời cho đá. Thợ hàn thích nó.
Lớp ASTM A252 3	45,000 psi (310 MPa)	“con ngựa làm việc”	Tiêu chuẩn ngành. Cân bằng tốt, nhưng cứng nhắc.
API 5L X42	42,000 psi (290 MPa)	“sự lai tạo”	Tương tự với Lớp 3, nhưng khả năng hàn tốt hơn do lượng carbon thấp hơn.
API 5L x52	52,000 psi (359 MPa)	“cơ bắp”	Bạn cảm thấy điều này trong chiếc búa. Công suất cao, nhưng dễ gãy nếu bạn bất cẩn.
API 5L x70	70,000 psi (483 MPa)	“Chuyên gia”	Hiếm khi đóng cọc. Cần xử lý găng tay trẻ em. Một cú đánh tệ và nó thành phế liệu.

Sự đánh đổi cốt lõi: Cấu trúc Fy vs. Khả năng lái xe

Tại sao chúng ta quan tâm đến điểm số? Nó dẫn đến hai phương trình mà tất cả chúng ta đều mắc kẹt bên trong chiếc mũ bảo hiểm của mình.

1. Năng lực kết cấu (Các “Tại sao nó giữ”)

Đối với cọc chịu lực thuần túy, tải trọng cho phép phần lớn là một hàm số của giới hạn chảy của thép.

$$P_{\mathrm{Một}\mathrm{tôi}\mathrm{tôi}ồw}=0.5\times F_y\times {\mathrm{MỘT}}_{Stee\mathrm{tôi}}$$Pallow​=0,5×Fy​×Asteel​(Ghi chú: tôi sử dụng 0.5 đối với hệ số an toàn thô. Đừng @ tôi với các yếu tố phi LRFD; đây là bài toán về khăn ăn.)

Nếu bạn có một ống có đường kính 12,75 inch với thành 0,375 inch (đó là thứ tiêu chuẩn của bạn), diện tích mặt cắt ngang của thép là khoảng 14.5 inch vuông.

• Cấp 2 (35 ksi): Công suất = 0.5 * 35,000 * 14.5 = ~254 kip

• Cấp 3 (45 ksi): Công suất = 0.5 * 45,000 * 14.5 = ~326 kip

Đó là một 28% tăng khả năng tải chỉ bằng cách thay đổi giấy trên vật liệu. Ống trông giống nhau. Nó nặng như nhau. Nhưng đột nhiên, một đống có thể làm công việc 1.28 cọc. Dành cho người quản lý dự án đang xem xét giá thầu trọn gói, đó là vàng nguyên chất. Ít cọc hơn, mũ rẻ hơn, lịch trình nhanh hơn.

2. Căng thẳng khi lái xe (Các “Tại sao nó bị hỏng”)

Đây là nơi cao su gặp đường—theo nghĩa đen. Khi bạn đập một đống gỗ bằng búa diesel, bạn gửi một làn sóng ứng suất xuống thép. Ứng suất nén tối đa trong quá trình truyền động có thể được tính gần đúng (rất đại khái) qua:

$${\mathrm{Một}}_{dyN\mathrm{Một}m\mathrm{Tôi}c}=\sqrt{2\times E\times KE\mathrm{/}(\mathrm{MỘT}\times L)}$$σ động​=2×E×KE/(A×L)​

…nhưng trong thế giới thực, chúng tôi sử dụng phân tích phương trình sóng. Nhưng quy tắc kiểm tra ruột tôi sử dụng? Bạn không muốn vượt quá 90% về sức mạnh năng suất trong quá trình lái xe nếu bạn coi trọng sự tỉnh táo của mình.

Thép cao cấp (như x70) có năng suất cao, vậy về mặt lý thuyết, bạn có thể đánh nó mạnh hơn. Nhưng đây chính là cái bẫy bẫy các kỹ sư trẻ: Độ dẻo vs. độ giòn.

Cấp 2 thép giống như kẹo bơ cứng. Nếu bạn gặp vật cản, đường ống có thể “nấm” ở đầu. Nó có thể uốn cong. Nhưng hiếm khi nó tan vỡ. Cấp 3 cứng hơn. Hợp kim thấp cường độ cao (HSLA) thép như X70? Chúng có cấu trúc hạt mịn hơn nhiều. Họ có ít hơn “đưa cho.” Nếu bạn va vào một tảng đá ở một góc nhỏ bằng ống X70, bạn không uốn cong nó; bạn đang chia nó. Tôi đã thấy chuyện đó xảy ra ở Seattle vào năm 2018. Spec yêu cầu ống cường độ cao để xử lý khoảnh khắc lật nhào do địa chấn. Họ chạm vào một lớp băng giá với những viên sỏi được nhúng vào. Nứt. Cứ như thế. Cọc chia ra một bên cho 20 bàn chân. Chi phí sửa chữa cao hơn cọc.

Giai thoại cá nhân: Thất bại ở bến tàu Louisiana

Để tôi kể cho bạn nghe về công việc ở bến tàu ở Baton Rouge. Đất là đất sét mềm cho 60 bàn chân, sau đó là một lớp cát dày đặc. Chúng tôi cần công suất lớn cho tải trọng cần cẩu. Báo cáo công nghệ địa chất rất chắc chắn. Kỹ sư kết cấu, một đứa trẻ sắc sảo nhưng tươi tắn, API được chỉ định 5L X60. Cường độ cao, nên ít cọc hơn. Nghe có vẻ tuyệt vời.

Chúng tôi thiết lập đống thử nghiệm đầu tiên. 24-đường kính inch, 1-bức tường inch. Đồ nặng. Chúng tôi bắt đầu lái xe. Số lần thổi là 10 thổi mỗi chân vào đất sét. Nhạt nhẽo. Sau đó chúng tôi chạm vào cát. Số lần thổi nhảy tới 100, sau đó 150 đòn mỗi chân. Chúng tôi đang tiếp cận việc từ chối theo Chương trình phân tích phương trình sóng (Vũ khí) kết quả. Chiếc búa đang nảy.

Sau đó, tiếng thịch. Không phải là vòng sắc nhọn của thép trên thép. Tiếng uỵch buồn tẻ đó làm bụng bạn rớt xuống. Chúng tôi kéo búa, nhìn xuống đường ống. Cọc không bị oằn, nhưng người thợ hàn nhận thấy một vết nứt nhỏ ở đường hàn của ống. Kim loại cơ bản có vết nứt nhỏ. Sức mạnh cao, thép tương đương carbon cao đã được rèn mạnh đến mức nó cứng lại và bị gãy ở mức độ vi mô.

Chúng tôi chuyển sang lớp 3 cho phần còn lại của công việc. Công suất mỗi cọc thấp hơn? Đúng. Nhưng chúng tôi đã thêm một đống nữa cho mỗi lần uốn cong. Có tốn nhiều tiền hơn không? Có thể tính theo trọng tải thép. Nhưng chúng tôi không có một vết nứt nào sau đó. Các “lớp thấp hơn” thép hấp thụ sự lạm dụng. Nó bị móp nhẹ ở đầu, nhưng nó không bao giờ bị gãy. Lớp 3 để chúng tôi lái xe “trang chủ” thay vì chỉ lái xe chăm chỉ.

Yếu tố hàn (Thực tế hiện trường)

Chúng ta nói rất nhiều về việc lái xe, nhưng chúng ta chưa nói đủ về gã có ngòi đốt.

Thép cao cấp (X52 trở lên) thường có lượng Carbon tương đương cao hơn (CE). Công thức là:

$$CE=C+\frac{MN}{6}+\frac{(Cr+Mồ+\mathrm{V.})}{5}+\frac{(N\mathrm{Tôi}+C\mathrm{bạn})}{15}$$CE=C+6Mn​+5(Cr+Mo+V)​ +15(Ni+Cu)​Nếu con số đó leo lên trên 0.45, bạn đang ở trong một thế giới đầy tổn thương. Bạn cần làm nóng trước. Bạn cần thanh hydro thấp. Bạn cần kiểm soát nhiệt độ giữa các đường chuyền. Trên một chiếc sà lan vào mùa đông, có gió thổi 20 nút thắt? Chúc may mắn.

Tôi thà lái xe có công suất thấp hơn một chút 2 cọc và biết mối hàn chắc chắn hơn là lái tàu tên lửa 3 đóng cọc và mối nối bị gãy trong quá trình lái xe vì vùng chịu ảnh hưởng nhiệt (Haz) biến thành thủy tinh.

Bàn 2: Các “Kỹ sư gắt gỏng” Ma trận chọn trường

Góc dữ liệu: PDA cho chúng ta biết điều gì

Chúng tôi sử dụng Máy phân tích đóng cọc (PDA) ngày nay để kiểm tra căng thẳng. Đó là một hộp đen cung cấp cho chúng ta những con số mà chúng ta thường đoán.

Tôi đã thực hiện một công việc mà chúng tôi lái chiếc xe hạng 30 inch 2 (35ksi) cọc và lớp 30 inch 3 (45ksi) cọc có cùng chiều dày tường trong cùng một mặt cắt đất.

• Lớp 2: PDA cho thấy ứng suất nén tối đa là 42 ksi trong khi lái xe.

  • Phân tích: Đó là 120% năng suất. Về mặt kỹ thuật, quá căng thẳng. Nhưng chúng tôi đã kiểm tra đống, nhìn thấy một chút “đồng hồ cát” hình gần đầu, nhưng không bị vỡ. Thép sản xuất trong nước, đã hấp thụ năng lượng, và tiếp tục đi.

• Lớp 3: PDA cho thấy ứng suất nén tối đa là 48 ksi trong khi lái xe.

  • Phân tích: Đó là 107% năng suất. Về lý thuyết, an toàn hơn tỷ lệ của Lớp 2. Nhưng đống đó có thể nhìn thấy được “nhẫn” với nó. Nó rung lên như một cái chuông. Đó là năng lượng biến dạng đàn hồi. Khi đống đó cuối cùng đã bị từ chối, sóng ứng suất phản xạ và gây ra vết nứt kéo ở phía trên.

Dữ liệu cho thấy lớp 3 đã từng là “an toàn hơn” trên giấy, nhưng hành vi của Lớp 2 thực sự đã kiên cường hơn. Lớp 2 hy sinh bản thân để cứu đống đổ nát. Lớp 3 giữ nguyên hình dạng nhưng truyền năng lượng hủy diệt.

Giải quyết “cọc giòn” Sự thất bại

Vì thế, Làm cách nào để khắc phục khi lỗi cao cấp?

1. Đệm là vua: Nếu bạn phải sử dụng Lớp 3 hoặc cao hơn ở nơi đất cứng, bạn không thể sử dụng đe thép trần. Bạn cần một đệm micarta hoặc nhôm/đồng trong búa. Bạn cần kéo dài nhịp tim. Bạn cần làm chậm quá trình truyền năng lượng.

2. Gia cố đầu tip: Tôi đã bắt đầu đặt hàng “giày lái xe” cho cọc cao cấp. Vòng thép dày hơn (thường là lớp thấp hơn, Thực ra!) hàn vào đầu. Nó phải chịu sự lạm dụng, biến dạng, và bảo vệ đường ống cao cấp đắt tiền phía trên nó.

3. Khoan trước: Nếu bạn biết có một lớp đá cuội, đừng trở thành anh hùng. Khoan một lỗ thí điểm xuyên qua lớp cứng. Nó tốn thời gian, nhưng nó rẻ hơn so với việc thay một đống.

4. Các “Hai búa” Phương pháp: Bắt đầu với một chiếc búa nhỏ hơn để vượt qua gánh nặng. Đưa đầu nhọn đi qua lớp cứng một cách nhẹ nhàng. Sau đó mang chiếc búa lớn vào để đóng nó đến độ xuyên thấu cuối cùng. Điều này ngăn cản sự quá ứng suất ban đầu gây ra các vết nứt nhỏ.

Xu hướng và Tương lai (Điều vô nghĩa về thép xanh)

Tôi đang thấy một sự thúc đẩy cho “Thép Xanh” Hiện nay. Thép làm bằng lò hồ quang điện và hàm lượng phế liệu cao hơn. Hóa học đôi khi ở khắp mọi nơi. Sức mạnh năng suất có thể đạt mốc, nhưng các phần tử còn sót lại (đồng, thiếc) có thể gây ra vấn đề trong khi lái xe—điều gì đó được gọi là “nóng bức” nếu bạn cần thực hiện cắt ngọn lửa.

Xu hướng mới nhất trong 2024 là chuyển trở lại API 5L X42 để đóng cọc tiêu chuẩn. Đó là một phương tiện hạnh phúc. Nó có năng suất gần với lớp 3 (42ksi vs 45ksi) nhưng với tính chất hóa học được kiểm soát của thép đường ống, nghĩa là nó hàn tốt hơn và có độ dẻo dai tốt hơn. Tôi thấy rất nhiều bảng thông số kỹ thuật ở Texas và Florida đã loại bỏ hoàn toàn A252 và chỉ gọi API 5L X42 với độ dày thành cụ thể. Họ đang trả nhiều hơn một chút cho thép, nhưng tiết kiệm chi phí kiểm tra và sửa chữa.

Phần kết luận: Đừng trở thành anh hùng

Nếu bạn rút ra được một điều từ sự lan man này, hãy để nó như thế này: Đừng để máy tính của kỹ sư kết cấu bắt nạt búa đóng cọc.

Thép cao cấp (Cấp 3, X52, X70) cung cấp cho bạn những con số trên tờ giấy cất cánh. Nó làm cho việc tính toán trở nên dễ dàng. Nhưng mặt đất không đọc được phép toán. Mặt đất đập trở lại.

Tôi đã học cách nhìn vào địa chất địa phương trước tiên, chọn lớp có thể sống sót sau ổ đĩa, rồi tính công suất. Nếu điều đó có nghĩa là tôi cần thêm vài đống Lớp 2, vậy thôi. Tôi ngủ ngon hơn khi biết đống cọc thực sự đã nguyên vẹn ở dưới kia, chứ không phải là một ống có độ bền cao vỡ vụn rò rỉ ruột của nó vào mực nước ngầm.

Chọn loại thép có thể chịu được cú đấm, không chỉ là cái trông đẹp trên bảng tính. Đó là sự đánh đổi. Đó là công việc.