基于應(yīng)變設(shè)計(jì)管道用鋼管技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展*

李為衛(wèi)，韓林生，陳宏遠(yuǎn)，秦長毅，許曉鋒

(1.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710077；2.陜西建工金牛集團(tuán)股份有限公司 陜西 西安 710000)

0 引 言

基于應(yīng)變設(shè)計(jì)(SBD)的概念是歐美國家針對日益惡劣的管道施工和服役環(huán)境，如海洋管道、凍土區(qū)管道、地震活動(dòng)斷層段管道、采空區(qū)段管道、砂土液化滑坡等地段管道等，而提出的新的設(shè)計(jì)方法。SBD是一種管線設(shè)計(jì)方法，其目標(biāo)就是在遭受大的縱向應(yīng)變條件(一般認(rèn)為應(yīng)變大于0.5%)下保證管線的服役和完整性。采用基于應(yīng)變設(shè)計(jì)的管道，提高管道抗應(yīng)變能力的措施有多種，其中主要措施之一就是采用大應(yīng)變鋼管，也稱為大變形鋼管、抗大變形鋼管和抗大應(yīng)變鋼管。根據(jù)中石油企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“油氣管道線路工程基于應(yīng)變設(shè)計(jì)規(guī)范”的規(guī)定，這種具有足夠強(qiáng)度和變形能力的鋼管被稱為大應(yīng)變鋼管[1-3]。大應(yīng)變鋼管能夠承受較大的變形，在組織和拉伸性能上有相應(yīng)的特點(diǎn)。鋼管和焊縫的機(jī)械性能表征及波動(dòng)、鋼管的幾何尺寸不完整性、焊縫缺陷表征等，都會(huì)影響基于應(yīng)變設(shè)計(jì)的各部分工作[4]。

隨著基于應(yīng)變設(shè)計(jì)技術(shù)和鋼管應(yīng)用技術(shù)的日益成熟和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的增多，在工程標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，發(fā)展了石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，近幾年將形成世界通用的ISO、API的基于應(yīng)變設(shè)計(jì)用鋼管標(biāo)準(zhǔn)。本文介紹了大應(yīng)變鋼管技術(shù)指標(biāo)以及相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展。

1 大變形鋼管主要指標(biāo)

基于應(yīng)變設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)至少兩個(gè)極限狀態(tài)：拉伸斷裂和壓縮屈曲。這些極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)必須量化應(yīng)變需求(需用應(yīng)變)和應(yīng)變?nèi)萘?應(yīng)變極限)。為了獲得特定管線的應(yīng)變?nèi)萘?，必須對管線的拉伸應(yīng)變?nèi)萘亢蛪嚎s應(yīng)變?nèi)萘窟M(jìn)行準(zhǔn)確的評價(jià),其中非常重要的研究內(nèi)容就是材料性能對管線應(yīng)變?nèi)萘康挠绊?。與基于應(yīng)變設(shè)計(jì)關(guān)系比較密切的鋼管性能主要包括[5-6]：

1)各向異性 各向異性指環(huán)向和縱向的性能差異，甚至包括厚度方向。已知各向異性會(huì)影響拉伸應(yīng)變?nèi)萘?、壓縮應(yīng)變?nèi)萘亢蛻?yīng)變需求。對于基于應(yīng)變設(shè)計(jì)地區(qū)使用的鋼管來說, 不僅要考慮普通地區(qū)使用鋼管的強(qiáng)度和韌性等要求, 還要對鋼管的縱向變形能力做出規(guī)定, 即對縱向拉伸試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線和塑性變形容量指標(biāo)進(jìn)行規(guī)定。

2)屈強(qiáng)比 在基于應(yīng)變設(shè)計(jì)中，材料的應(yīng)變強(qiáng)化能力被認(rèn)為是一個(gè)關(guān)鍵參量。傳統(tǒng)意義上，管線材料的應(yīng)變強(qiáng)化能力通常用屈強(qiáng)比來表示，但是隨著認(rèn)識的深入，屈強(qiáng)比作為描述材料形變強(qiáng)化容量的指標(biāo)，已經(jīng)不能完全滿足管線基于應(yīng)變設(shè)計(jì)需求。例如，對于拉伸曲線有屈服平臺的材料，研究已經(jīng)證明，其應(yīng)變?nèi)萘棵黠@低于具有連續(xù)屈服特征曲線的材料，但是兩種曲線可能具有相同的屈強(qiáng)比，如圖1所示。

圖1 具有相同屈強(qiáng)比、不同屈服特征的拉伸曲線

3) 應(yīng)力比 管道的局部屈曲應(yīng)變一般和材料特定的流變應(yīng)力比呈現(xiàn)一定的關(guān)系。在定義局部屈曲應(yīng)變時(shí)，可以通過特定的流變應(yīng)力比值(拉伸公稱應(yīng)力應(yīng)變曲線上，特定的應(yīng)變值所對應(yīng)的應(yīng)力之比)來評價(jià)鋼管的應(yīng)變?nèi)萘浚瑫r(shí)這也是一種鋼管材料形變強(qiáng)化容量的工程表達(dá)方式。

4) 均勻延伸率 均勻延伸率是為了保證管道拉伸應(yīng)變?nèi)萘亢秃笄冃文芰ο嚓P(guān)的一個(gè)指標(biāo)，均勻延伸率高的材料，可以保證在發(fā)生較大的變形時(shí)不產(chǎn)生局部徑縮或屈曲失穩(wěn)，從而具有較大的整體協(xié)調(diào)變形能力。

5)應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征 大應(yīng)變鋼管的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變應(yīng)具有如下特征：在屈服點(diǎn)處沒有明顯的屈服平臺；具有較高的形變強(qiáng)化指數(shù)(n)、較大的均勻塑性變形延伸率(δb)、 較低的屈強(qiáng)比(σy/σb),如圖2所示。

圖2 具有兩種變形能力的鋼管拉伸曲線

2 工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

基于應(yīng)變設(shè)計(jì)在國外使用已十多年，主要是在多年凍土地段、不穩(wěn)定邊坡、河流穿越、地震區(qū)和活動(dòng)斷裂帶，例如：Transcanada的Nova Gas Transmission Line，Alyeska Pipeline Service Company的TAPS Fuel Gas Line，ExxonMobil 的Trans Alaska Pipeline System， EXXON NEFTEGAS Limited的Sakhalin 1 Project Phase 1，都使用了大應(yīng)變鋼管，有相應(yīng)的工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其基本框架是在干線管的基礎(chǔ)上，增加特殊性能指標(biāo)。以加拿大ALASKA PIPELINE PROJECT為例，介紹國外基于應(yīng)變工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

Transcanada和Exxonmobil為該工程制定的技術(shù)條件為USAG-TP-RSMLP-000003(2012) “Line Pipe Specification: 48-inch OD, Grade X80”[7]，以API Spec 5L第44版為基礎(chǔ)，適用OD1 219 mm、X80M、PSL-2直縫埋弧焊管，包括Type 1(要求進(jìn)行縱向拉伸試驗(yàn)，而沒有規(guī)定驗(yàn)收指標(biāo)，只提供試驗(yàn)數(shù)據(jù))和type 2(要求進(jìn)行縱向拉伸試驗(yàn)，規(guī)定強(qiáng)度和伸長率)2種類型鋼管。相對于基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)API 5L(44版)，主要是明確了試樣形式，降低了橫向屈曲強(qiáng)度的上限，補(bǔ)充了Type 2鋼管縱向拉伸性能要求，見表1。

表1 USAG-TP-RSMLP-000003鋼管拉伸性能補(bǔ)充要求

注：對Type1全壁厚矩形縱向拉伸只提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

中國石油2009 年在西氣東輸二線管道工程西段建設(shè)過程中，經(jīng)過的20處活動(dòng)斷裂帶地區(qū)采用了基于應(yīng)變設(shè)計(jì)方法和X80 大應(yīng)變鋼管。2012 年在中緬原油天然氣管道工程國內(nèi)段的建設(shè)過程中，經(jīng)過的強(qiáng)震區(qū)和活動(dòng)斷裂帶地區(qū)采用了基于應(yīng)變設(shè)計(jì)方法和X70 大應(yīng)變鋼管。中國石油管道大變形鋼管工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的思路和框架與國外一致， 以西氣東輸二線為例，介紹我國工程大變形鋼管工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

Q/SY GJX 0135—2008 “西氣東輸二線管道工程基于應(yīng)變設(shè)計(jì)地區(qū)使用的直縫埋弧焊管補(bǔ)充技術(shù)”條件[8]，是我國第一個(gè)大應(yīng)變鋼管技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是對主線路鋼管技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)Q/SY GJX 0104—2007“西氣東輸二線管道工程用直縫埋弧焊管技術(shù)條件”進(jìn)行的補(bǔ)充，而Q/SY GJX 0104—2007是以API Spec 5L 第44版為基礎(chǔ)編寫的。該工程技術(shù)條件的主要內(nèi)容就是補(bǔ)充了鋼管的縱向拉伸性能以及時(shí)效后鋼管管體縱向拉伸要求,見表2。

對比USAG-TP-RSMLP-000003和Q/SY GJX 0135可以看出，我國管道工程標(biāo)準(zhǔn)對大應(yīng)變管材的技術(shù)指標(biāo)體系與國外管道工程基本一致，但指標(biāo)更具體和嚴(yán)格。

表2 管體縱向拉伸性能

注：a試樣承受最大載荷時(shí)的延伸率為均勻變形伸長率。

bRt2.0、Rt1.5、Rt1.0和Rt0.5分別對應(yīng)于拉伸總應(yīng)變?yōu)?.0%、1.5%、1.0%和0.5%時(shí)的拉伸應(yīng)力。

3 中國石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

多項(xiàng)工程的成功應(yīng)用，推動(dòng)了技術(shù)進(jìn)步和標(biāo)準(zhǔn)日益成熟，在中國石油企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，石油工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)管材專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)組織制定了石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 7042—2016“基于應(yīng)變設(shè)計(jì)地區(qū)用直縫埋弧焊管”[9]。SY/T 7042—2016是在GB/T 9711/ISO 3183/API Spec 5L的基礎(chǔ)上編制而成，采用PSL-2級鋼管，鋼管類型只有直縫埋弧焊(SAWL)，適用于陸上基于應(yīng)變設(shè)計(jì)地區(qū)油氣管道用。鋼管外徑559～1 219 mm，壁厚10.3～26.4 mm，只有L485/X70和L555/X802個(gè)鋼級與GB/T 9711/ISO 3183/API Spec 5L等基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)相比，SY/T 7042—2016的主要變化：

1) 原材料 增加了制管用鋼板原材料的要求：鋼材應(yīng)采用吹氧轉(zhuǎn)爐或電爐冶煉并經(jīng)真空脫氣、鈣和微鈦處理；鋼材須用熱機(jī)械控軋工藝(TMCP)生產(chǎn)；鋼應(yīng)為細(xì)晶粒鎮(zhèn)靜鋼，晶粒尺寸應(yīng)為10級或更細(xì)；顯微組織宜為鐵素體和貝氏體為主的雙相組織；鋼中A、B、C、D類非金屬夾雜物級別限定≤2.0。

2)化學(xué)成分 相比于一般PSL-2級X70M/L485M、X80M/L555M鋼管，SY/T 7042在化學(xué)成分方面，降低了C、Si、S、P的含量，Nb、V、T除了總量限制外，單個(gè)元素的上限也給出了限制。另外給出了Al、N的上限，降低了碳當(dāng)量Pcm上限，見表3。

表3 中國石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和API標(biāo)準(zhǔn)大應(yīng)變管化學(xué)成分對比表

注：鋼級后面的X字母，代表大應(yīng)變鋼管。

3)力學(xué)性能 相比普通鋼管，SY/T 7042大應(yīng)變管不但要求常規(guī)的橫向拉伸性能，還增加了管體縱向拉伸性能要求，除了屈服、抗拉、屈強(qiáng)比外，增加最小均勻伸長率、最小應(yīng)力比和拉伸曲線形狀要求。根據(jù)應(yīng)變能力的大小，分為HD1、HD2兩種級別，見表4。

除了進(jìn)行正常交貨狀態(tài)的縱向拉伸試驗(yàn)外，還要求進(jìn)行200 ℃±5 ℃溫度下保溫5 min時(shí)效后管體縱向拉伸性能。標(biāo)準(zhǔn)給出了要求測試的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括：屈服強(qiáng)度Rt0.5、最小應(yīng)力比Rt1.5/Rt0.5、Rt2.0/Rt1.0、Rt5.0/Rt1.0，拉伸曲線形狀。

表4 SY大應(yīng)變管管體縱向拉伸要求

4)幾何尺寸 鋼管直徑、不圓度、壁厚、焊縫錯(cuò)邊等尺寸偏差均嚴(yán)于基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。

5)無損探傷 SY/T 7042大應(yīng)變管要求焊縫全長100%RT+100%UT，而普通的PSL-2埋弧焊鋼管只要求進(jìn)行100%UT。另外，管體要求UT分層(覆蓋率大于等于50%)檢驗(yàn)，坡口100%專用超聲波、滲透或磁粉法檢查是否存在延伸到管端面的分層和裂紋，管端100 mm的管體100%UT分層檢驗(yàn)，均嚴(yán)于基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。

6)應(yīng)變量 結(jié)合大量的試驗(yàn)、計(jì)算和典型的工程應(yīng)用，標(biāo)準(zhǔn)在附錄中給出了滿足典型規(guī)格的X70、X80鋼管在不同的壓力下，在壓縮載荷模式下允許的最大屈曲應(yīng)變以及在彎曲載荷模式下允許的最大屈曲應(yīng)變，為設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、檢驗(yàn)提供指導(dǎo)。

7)時(shí)效試驗(yàn)方法 高強(qiáng)度管線鋼對時(shí)效比較敏感，為保證時(shí)效試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性，對時(shí)效試驗(yàn)的方法進(jìn)行規(guī)定，包括對加熱設(shè)備和每個(gè)厚度規(guī)格升溫時(shí)間的標(biāo)定、熱電偶測溫方式、時(shí)效記時(shí)方法、試樣擺放方式等提出了要求。

4 國際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)

中國石油以承擔(dān)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)TC67/SC2“管道輸送系統(tǒng)分技術(shù)委員會(huì)”并行秘書處為契機(jī)，緊密結(jié)合科研成果的工程經(jīng)驗(yàn)，積極參與國際標(biāo)準(zhǔn)化工作，先后向國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO和美國石油學(xué)會(huì)(API)提交提案，經(jīng)過多次討論、論證，并在歐、美、日等國家共同推動(dòng)下，獲得ISO和API的共同立項(xiàng)，制定基于應(yīng)變設(shè)計(jì)用鋼管的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。目前，2018年發(fā)布的最新API 5L標(biāo)準(zhǔn)增加了一個(gè)關(guān)于應(yīng)變設(shè)計(jì)用鋼管的附錄N“PSL 2 pipe ordered for applications requiring longitudinal plastic strain capacity”，規(guī)范基于應(yīng)變設(shè)計(jì)用鋼管的采購和制造[10]。

從API 5L附錄N來看，總體框架與酸性環(huán)境用管和海洋管相同，是在普通PSL-2級鋼管的基礎(chǔ)上補(bǔ)充要求，是一套完整的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，但指標(biāo)不嚴(yán)格，需要結(jié)合工程制定具體的指標(biāo)。鋼管部分鋼級的化學(xué)成分與普通PSL-2鋼管的對比見表3?，F(xiàn)將標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容介紹如下。

1) 總要求 明確了訂貨要求采用PSL-2鋼管，用于要求高縱向應(yīng)變能力的鋼管，對此進(jìn)行了附注說明：不包含對管道承受縱向應(yīng)變(應(yīng)變基礎(chǔ)設(shè)計(jì))設(shè)計(jì)的指導(dǎo)。由于管道的要求和特定的應(yīng)用程序所需的應(yīng)變能力會(huì)有所不同，本附錄不規(guī)定所需性能的具體值，所需的性能是由管道的設(shè)計(jì)者確定的，并由管道的買方指定。

2)制造工藝 要求在工藝評定試驗(yàn)時(shí)，增加焊接性、涂敷過程模擬、拉伸和壓縮應(yīng)變能力、盤卷模擬等試驗(yàn)要求。鋼級最高為X80/L555，鋼的制造方法與PSL-1、-2相同，要求采用吹氧轉(zhuǎn)爐冶煉或電爐冶煉的純鎮(zhèn)靜鋼。

3)化學(xué)成分 與普通PSL-2鋼管不同，C、Mn、S、P、Cr、Mo、V、Nb、V、Ti等元素含量以及碳當(dāng)量CEIIW和CEPcm上限都有所降低，見表3。

4)力學(xué)性能 增加縱向拉伸性能試驗(yàn)要求，并控制屈服強(qiáng)度Rt0.5的上限和下限、抗拉強(qiáng)度Rm的的上限和下限、屈強(qiáng)比Rt0.5/Rm的上限、均勻延伸率UEL的下限，但沒有給出具體值，需要通過協(xié)議，因?yàn)樯婕暗骄唧w管道的參數(shù)?？梢詤f(xié)議要求縱向拉伸曲線的形狀。還可以協(xié)議供貨鋼管縱向拉伸性能屈服強(qiáng)度的波動(dòng)范圍，這是為了保證環(huán)焊縫強(qiáng)度匹配和焊接工藝。CTOD屬于協(xié)議試驗(yàn)項(xiàng)目，要包括母材，焊縫和/或HAZ。

5)表面質(zhì)量及幾何尺寸 表面質(zhì)量及幾何尺寸較普通的PSL-2級鋼管明顯加嚴(yán)。

6)無損探傷 鋼管的無損檢驗(yàn)，執(zhí)行海洋管的要求，按照5L附錄K進(jìn)行。

對比SY/T 7042和API 5L大應(yīng)變管附錄，總體上來講，我國石油行業(yè)大應(yīng)變鋼管在技術(shù)指標(biāo)體系方法與API一致，API 5L包括的管型、鋼級和管徑更多。SY/T 7042在成分、縱向拉伸性能以及其它力學(xué)性能指標(biāo)、時(shí)效性能要求、尺寸精度和無損探傷方面均較API 5L更具體和嚴(yán)格，但在個(gè)別指標(biāo)(如個(gè)別合金元素上限、壁厚偏差下限)低于API 5L要求。

5 結(jié)束語

基于應(yīng)變設(shè)計(jì)管道用鋼管標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，從工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)開始，到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以及積極參與國際標(biāo)準(zhǔn)化，體現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的思路，是科研成果與標(biāo)準(zhǔn)化工作結(jié)合的典范，也在國際標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)化工作中體現(xiàn)了我國的實(shí)力和話語權(quán)。建議：

1)大應(yīng)變管材有許多特殊性能要求，除了應(yīng)力比、均勻延伸率、應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀等指標(biāo)外，還要考慮各向異性、質(zhì)量控制等方面的因素，繼續(xù)加強(qiáng)試驗(yàn)研究，提高技術(shù)指標(biāo)的科學(xué)性。

2)與國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)相比，我國的工程和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求更嚴(yán)格，建議科研和標(biāo)準(zhǔn)化工作緊密結(jié)合，分析工程實(shí)際的需求，提高技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的適用性。

3)繼續(xù)跟蹤研究和參與國際標(biāo)準(zhǔn)化工作，吸收國外先進(jìn)技術(shù)，修訂我國大應(yīng)變鋼管標(biāo)準(zhǔn)，提高管道工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)性、適用性。