關(guān)于將均勻延伸率納入管線鋼管技術(shù)指標(biāo)的探討

李記科，楊紅兵，梁明華

（1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，陜西西安710077；2.西安三環(huán)科技開(kāi)發(fā)總公司，陜西西安710077；3.北京隆盛泰科石油管科技有限公司，北京100101）

關(guān)于將均勻延伸率納入管線鋼管技術(shù)指標(biāo)的探討

李記科1，2，楊紅兵1，3，梁明華1

（1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，陜西西安710077；2.西安三環(huán)科技開(kāi)發(fā)總公司，陜西西安710077；3.北京隆盛泰科石油管科技有限公司，北京100101）

針對(duì)APISpec 5L—2012標(biāo)準(zhǔn)10.2.4條對(duì)拉伸試驗(yàn)要求不嚴(yán)密，Oliver伸長(zhǎng)率換算公式不適用于高鋼級(jí)管線鋼管的問(wèn)題，探討了將均勻延伸率（即最大力總延伸率）納入管線鋼管技術(shù)指標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)。分析認(rèn)為：均勻延伸率與試樣的形式、尺寸沒(méi)有關(guān)系；將均勻延伸率作為管線鋼管的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行要求，可以避開(kāi)不同類(lèi)型尺寸拉伸試樣斷后伸長(zhǎng)率的換算問(wèn)題。建議將均勻延伸率納入管線鋼管技術(shù)指標(biāo)。

管線鋼管；拉伸試驗(yàn)；伸長(zhǎng)率；均勻延伸率；斷后伸長(zhǎng)率

1 管線鋼管與APISpec 5L標(biāo)準(zhǔn)

管線鋼管是用于油氣長(zhǎng)輸管道建設(shè)用的鋼管。由于輸送的油、氣介質(zhì)的易燃易爆性質(zhì)，管線鋼管比一般低壓流體輸送用鋼管的質(zhì)量水平要求高。目前，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的管線鋼管技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是APISpec 5L《管線鋼管規(guī)范》。APISpec 5L最新的有效版本為APISpec 5L—2012（45版）。與之相應(yīng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織管線鋼管的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為ISO 3183—2012《石油與天然氣工業(yè)管道輸送系統(tǒng)用鋼管》［1］，與APISpec 5L—2012的技術(shù)要求一致。國(guó)內(nèi)管線鋼管標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 9711—2011《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》，對(duì)應(yīng)的是ISO 3183—2007。GB/T 9711—2011與APISpec 5L—2007（44版）、ISO 3183—2007的技術(shù)要求一致，API Spec 5L—2007（44版）與ISO 3183—2007為完全相同文本，采用同一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)由API和ISO共同署名標(biāo)志方式。

文獻(xiàn)［2］指出：APISpec 5L—2012（45版）10.2.4試驗(yàn)方法中有關(guān)拉伸試驗(yàn)“應(yīng)報(bào)告標(biāo)距長(zhǎng)度為50mm（2 in）試樣的斷后伸長(zhǎng)率。試樣標(biāo)距長(zhǎng)度小于50 mm試樣，應(yīng)按照ISO 2566-1［3］或ASTM A 370［4］，將斷裂后測(cè)得的伸長(zhǎng)率轉(zhuǎn)換為50 mm長(zhǎng)度上的伸長(zhǎng)率”，這一要求不嚴(yán)密，Oliver伸長(zhǎng)率換算公式不適用于高鋼級(jí)管線鋼管。這一問(wèn)題在ISO 3183—2012、GB/T 9711—2011中同樣存在。

就此高鋼級(jí)管線鋼管伸長(zhǎng)率遇到的問(wèn)題，本文認(rèn)為ASTM E 8/E 8M—2015a《金屬材料拉伸試驗(yàn)方法》中均勻延伸率（GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》［5］稱(chēng)為最大力總延伸率）指標(biāo)具有易獲得，工程含義明確，易于相互比較的特點(diǎn)。將均勻延伸率納入管線鋼管技術(shù)指標(biāo)具有實(shí)際意義。

2 伸長(zhǎng)率是管線鋼管重要技術(shù)指標(biāo)

伸長(zhǎng)率是反映管線鋼管塑性的重要指標(biāo)，在APISpec 5L—2012（45版）及以前版本中曾有相當(dāng)大篇幅專(zhuān)門(mén)羅列對(duì)鋼管伸長(zhǎng)率的要求值。例如，APISpec 5L—2012（45版）標(biāo)準(zhǔn)（含附錄）共155頁(yè)，其中的附錄D就有3頁(yè)，以表格形式專(zhuān)門(mén)列出了對(duì)不同規(guī)格鋼管采用不同拉伸試樣時(shí)伸長(zhǎng)率的要求值。可見(jiàn)，APISpec 5L對(duì)伸長(zhǎng)率非常重視。API Spec 5L—2004（43版）及以前版本中有關(guān)伸長(zhǎng)率要求的描述是明確、清楚的；但從API Spec 5L—2007（44版）開(kāi)始，ISO 3183—2012、GB/T 9711—2011對(duì)伸長(zhǎng)率的要求均存在可能產(chǎn)生矛盾的描述。

3 斷后伸長(zhǎng)率和均勻延伸率

APISpec 5L及其他技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中要求的伸長(zhǎng)率，其實(shí)質(zhì)是對(duì)鋼管材料塑性的一種要求。塑性是材料在某種給定載荷下，產(chǎn)生永久變形的材料特性。伸長(zhǎng)率可以表征材料塑性；此外，表征材料塑性還可用其他指標(biāo)，比如斷面收縮率、形變硬化指數(shù)等，屈強(qiáng)比在一定程度上也能反映出材料塑性。但伸長(zhǎng)率也可分為斷后伸長(zhǎng)率、均勻延伸率、塑性均勻延伸率（GB/T 228.1—2010中的最大力塑性延伸率）等。目前APISpec 5L及其他技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中要求的伸長(zhǎng)率為斷后伸長(zhǎng)率。

斷后伸長(zhǎng)率指拉伸試樣受拉力作用斷裂時(shí)，試樣伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度與原來(lái)長(zhǎng)度的百分比。計(jì)算公式為：

式中Lu——最終標(biāo)距長(zhǎng)度，試件斷裂后將斷裂部分仔細(xì)地對(duì)合在一起使之處于同一直線上的標(biāo)距長(zhǎng)度，mm；

L0——試件變形前的標(biāo)距長(zhǎng)度，mm。

斷后伸長(zhǎng)率在試樣拉斷后的實(shí)物試樣上測(cè)量，不需要借助拉伸曲線，且簡(jiǎn)便易行，APISpec 5L及其他技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中長(zhǎng)期將斷后伸長(zhǎng)率作為其重要指標(biāo)的一個(gè)原因恐怕也與此有關(guān)?，F(xiàn)在隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用、信息采集技術(shù)的發(fā)展，普通鋼管企業(yè)在進(jìn)行鋼管拉伸試驗(yàn)時(shí)，也很容易得到拉伸試驗(yàn)曲線。鋼管的拉伸曲線與特征參數(shù)如圖1所示。從圖1可以明確最大力總延伸率、最大力塑性延伸率的概念及確定方法?？傃由炻手傅氖亲畲罅r(shí)原始標(biāo)距的總延伸（彈性延伸+塑性延伸）與引伸計(jì)標(biāo)距Le之比的百分率。最大力塑性延伸率是最大力時(shí)原始標(biāo)距的塑性延伸與引伸計(jì)標(biāo)距Le之比的百分率。

圖1 鋼管的拉伸曲線與特征參數(shù)

4 均勻延伸率指標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)

管道基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)對(duì)管線鋼管最重要的技術(shù)指標(biāo)要求就是均勻延伸率，只是指的是其縱向的均勻延伸率，表征著鋼管抵御縱向（軸向）變形的能力。將均勻延伸率（橫向）作為對(duì)管線鋼管的技術(shù)指標(biāo)，均勻延伸率（橫向）當(dāng)然也能表征鋼管抵御橫向（周向）變形的能力。

從上述對(duì)拉伸變形的討論中可以看出，均勻延伸率是材料未完全破壞（發(fā)生局部變形）前測(cè)得的指標(biāo)，存在將這一指標(biāo)用于管道設(shè)計(jì)的可能性。例如，在評(píng)價(jià)鋼管局部過(guò)壓造成鋼管脹管、評(píng)價(jià)局部脹管鋼管是否適用情況下也具有實(shí)際意義。

在大直徑用高強(qiáng)高韌輸送管的延性止裂研究中，依照Battle雙曲線預(yù)測(cè)的夏比沖擊吸收功值與全尺寸爆破試驗(yàn)得到的止裂夏比沖擊吸收功值存在較大偏差。文獻(xiàn)［6-7］指出，大直徑高強(qiáng)高韌輸送管裂紋的延性擴(kuò)展與裂紋擴(kuò)展前端的塑性塌陷（ductile collapse）有關(guān)，塑性指標(biāo)在評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)輸送管裂紋的延性擴(kuò)展/止裂中具有重要意義，均勻延伸率是表征高強(qiáng)高韌輸送管塑性的重要指標(biāo)。

在輸送管拉伸試驗(yàn)中納入均勻延伸率指標(biāo)要求，再加上通常拉伸試驗(yàn)中要求的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率，這些參數(shù)可以體現(xiàn)出完整拉伸曲線上的特征點(diǎn)，這對(duì)后期在役管道的評(píng)價(jià)，可以直接獲得材料的一些特征性能指標(biāo)，減少估算值帶來(lái)的誤差，具有重要意義。

Barba公式指出：拉伸試樣斷后的絕對(duì)伸長(zhǎng)ΔL由均勻塑性伸長(zhǎng)ΔLB和局部頸縮伸長(zhǎng)ΔLU兩部分組成；ΔLB與L0成正比，即ΔLB=βL0；局部頸縮伸長(zhǎng)ΔLU與試樣截面積S0的平方根成正比，即ΔLU=。則絕對(duì)伸長(zhǎng)ΔL為：式中β、γ——材料參數(shù)。

斷后伸長(zhǎng)率為：

可見(jiàn)，同一材料只要保持試樣比例系數(shù)K相同，不管試樣截面積大小，所測(cè)得的斷后伸長(zhǎng)率均相同。各K值相同的試樣稱(chēng)為比例試樣，公式（4）是比例試樣伸長(zhǎng)率具有可比性的理論根據(jù)。同時(shí)，從公式（4）的推導(dǎo)過(guò)程可以看出，斷后伸長(zhǎng)率同樣由均勻塑性伸長(zhǎng)率和局部頸縮伸長(zhǎng)率兩部分組成，前一部分與試樣類(lèi)型尺寸沒(méi)有關(guān)系，后一部分與試樣類(lèi)型尺寸有關(guān)系。

由GB/T 228.1—2010可知，最大力總延伸率Agt與抗拉強(qiáng)度Rm對(duì)應(yīng)，是從均勻塑變向集中塑變過(guò)渡的臨界點(diǎn)，表征材料的最大均勻塑性變形能力，測(cè)量在沒(méi)形成頸縮前的均勻延伸階段完成，因而其大小應(yīng)與試樣標(biāo)距尺寸無(wú)關(guān)［8］。最大力總延伸率Agt包含兩部分，分別為最大力塑性延伸率和最大力彈性延伸率。從Barba公式可知，試樣的最大力塑性延伸率是材料固有特性，與試樣的截面無(wú)關(guān)。從圖1可以看出，最大力彈性延伸率僅與試樣的抗拉強(qiáng)度和彈性模量相關(guān)。因此，最大力塑性延伸率和最大力彈性延伸率均為材料的固有特性，與試樣的截面無(wú)關(guān)?？梢?jiàn)，最大力總延伸率包含的兩部分均為材料的固有特性，與試樣的截面無(wú)關(guān)。

從公式（4）的推導(dǎo)可以看出，相比斷后伸長(zhǎng)率，最大力總延伸率舍棄了與試樣類(lèi)型尺寸相關(guān)的部分，所對(duì)應(yīng)的是與試樣類(lèi)型尺寸沒(méi)有關(guān)系的部分。均勻延伸率最可貴的特點(diǎn)是與試樣的形式、尺寸沒(méi)有關(guān)系。將最大力總延伸率作為管線鋼管的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行要求，可以避開(kāi)不同類(lèi)型尺寸拉伸試樣斷后伸長(zhǎng)率間要不要換算、能不能換算的問(wèn)題。

以現(xiàn)在試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)很容易得到拉伸試驗(yàn)曲線，從拉伸曲線很容易獲得最大力總延伸率（即均勻延伸率）。

建議將均勻延伸率納入管線鋼管技術(shù)指標(biāo)。

5 結(jié)語(yǔ)

均勻延伸率指標(biāo)具有工程含義明確、易于獲得，不受試樣類(lèi)型尺寸影響而易于相互比較的特點(diǎn)，且均勻延伸率指標(biāo)在后續(xù)的安全評(píng)價(jià)中有一定的工程意義。建議將均勻延伸率納入高鋼級(jí)管線鋼管的技術(shù)指標(biāo)。

6參考文獻(xiàn)

［1］ISO 3183—2012石油與天然氣工業(yè)管道輸送系統(tǒng)用鋼管［S］.2012.

［2］李記科，梁明華.Oliver伸長(zhǎng)率換算公式在X80管線鋼中的適用性探討［J］.鋼管，2016，45（4）：71-73.

［3］ISO 2566-1—1984鋼伸長(zhǎng)率換算第1部分：碳鋼和低合金鋼［S］.1984.

［4］ASTM A 370—2015鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和定義［S］.2015.

［5］中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 228.1—2010金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法［S］.2010.

［6］Zhu Xiankui.Review of fracture control technology for gas transmission pipelines［C］//Proceedings of IPC Ineternational Pipeline Conference 2014.

［7］Lei B N.A lternative view of fracture propagation in pipelines［C］//Proceedings of the 6th International Pipeline Technology Conference 2013.

［8］羅五四.冷軋薄鋼板拉伸試樣尺寸對(duì)斷后伸長(zhǎng)率和最大力總伸長(zhǎng)率影響的對(duì)比［J］.理化檢驗(yàn)（物理分冊(cè)），2011，47（8）：469-475.

Discussion on Fitting Uniform Elongation into Technica l Spec ification of Steel Linep ipe

LIJike1，2，YANG Hongbing1，3，LIANGMinghua1
（1.CNPC Tubular Goods Research Institute，Xi’an 710077，China；2.Xi’an Tri-circle Technology Development Co.，Xi’an 710077，China；3.Beijing Longshine Oil Tubular Science&Technology Co.，Ltd.，Beijing 100101，China）

The requirement for the tensile test as specified under Article 10.2.4 of APISpec 5L—2012 is not strict，while the conversion equation for Oliver elongation rate is not applicable to the high grade steel linepipe. Addressing the problems，here in the essay the advantages as possibly to be brought about by fitting the uniform elongation rate（i.e.，themaximum force general elongation rate）into the technical specification for the steel linepipe are analyzed.As a result，the conclusion ismade as follows.The uniform elongation rate has nothing to do with the shape and size of the specimen.And if the uniform elongation rate is taken as a technical target，and specified under app licable technical specification for the steel linepipe，it is possible to avoid any trouble caused by conversion of the elongation rate as resulting from breaking of tensile test specimenswith different sizes.Therefore it is suggested to fit the uniform elongation rate into applicable technical specification for the steel linepipe.

steel linepipe；tensile test；elongation rate；uniform elongation rate；after-break elongation rate

TG115.5+2

B

1001-2311（2016）06-0074-03

2016-09-26）

李記科（1965-），男，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事石油管工程技術(shù)研究和石油管材質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)工作。