基于標準的內襯復合鋼管選材及緊密度分析探討

楊勤祥， 廖青云， 謝 挺， 王曉峰

（上海海隆復合鋼管制造有限公司， 上海200949）

0 前 言

內襯復合鋼管的緊密度是衡量其產品質量的一項重要指標。 一般來說， 復合管的緊密度越高， 結合力越大， 可認為產品的質量、 性能越好。 無論是水壓復合， 還是拉拔和旋壓復合， 影響緊密度的因素主要有基襯管材料的彈性模量、力學性能、 復合間隙、 幾何尺寸、 表面缺陷、 復合壓力等。 國內外許多研究成果[1-13]對復合鋼管緊密度的主要影響因素及其產生緊密度的判據已有較多的描述。

分析總結國內外關于復合鋼管的標準， 其中對材料范圍的界定、 緊密度的測量方法和驗收指標各不相同， 衡量指標有的用強度 （MPa）， 有的直接用推出力F （kN 或N）， 有時還需要換算。 國內復合管設計人員也許出于引用標準的不同， 或對標準理解的差異， 又或是由于成本方面的考慮， 往往在制定項目技術文件時對緊密度指標要求不切實際， 盲目追高， 造成制造商在生產中根本無法實現， 以至于產品無法通過驗收。 如何在設計技術文件時制定一個比較合理可行的緊密度指標， 筆者通過對國內外相關標準中規(guī)定的基襯材料性能、 緊密度試驗方法及指標、 計算公式的差異等進行了對比， 以實際生產中應用比較多的L245+316L 復合管為例， 對國內外現存標準中基管選材范圍和緊密度指標方面存在及需要改進的問題進行了分析， 提出了復合鋼管在選材和緊密度指標方面應注意的問題， 希望對標準編制人員、 設計人員和生產技術人員有一定的參考。

1 對國外標準緊密度的分析

目前， 隨著復合鋼管的不斷發(fā)展， 國內外關于復合鋼管的標準逐漸增多。 美國API SPEC 5LD—2015 《內覆或襯里耐腐蝕合金復合鋼管》[14]作為發(fā)布較早又比較系統(tǒng)的內襯和內覆復合鋼管規(guī)范， 被各國石油公司所借鑒、 引用， 并以此進行補充、 修改和完善， 從而形成了各自的企業(yè)標準。 比如挪威船級社DNVVGL-ST-F101 （2017）《海底管道系統(tǒng)》 規(guī)范[15]、 沙特阿美01-SAMSS-04 （2018） 規(guī)范、 TechnipFMC 的OED-GPS-238（2018） 規(guī)范及巴西石油公司技術標準等， 在規(guī)定內襯復合鋼管結合力的指標時都參照了API 5LD 的要求。 API 5LD 標準中對于襯里鋼管的緊密度規(guī)定的是應變片法測量接觸應力， 標準中只規(guī)定了測量的方法， 沒有對衡量指標做具體的規(guī)定， 下面做一些具體分析和比較。

1.1 應片法存在的弊端

API 5LD 測量緊密度推薦做法是應變法測定接觸應力 （gripping force）， 其計算方法見公式 （1）， 即

式中： σy—— 接觸應力；

E——彈性模量；

ν——泊松比；

η——拉力計數量；

εy——環(huán)向拉力；

εx——軸向拉力。

其具體做法是： 從襯里復合鋼管上切取一小段鋼管， 將2～4 個雙軸應變片放置在防腐蝕合金層的內表面； 通過切割基體鋼管使合金層與基體鋼管剝離， 隨后分別測量合金層剝離前和剝離后的環(huán)向應力和軸向應力， 接觸應力σy則由該環(huán)向應力和軸向應力的平均值計算得出。

應變片法的指標除TechnipFMC 規(guī)定 “夾持力不小于CRA 襯墊SMYS 的5%” 以外， 其他標準均由供需雙方協(xié)商確定， 沒有規(guī)定具體的指標。

對于緊密度這一章節(jié)的要求， API 5LD 標準從第一版1998 標準， 歷經2009、 2012、 2015 版修訂， 更改了許多內容， 但始終沒有修訂這方面的內容。

關于API 5LD 推薦的應變片測量緊密度的方法， 在實際操作中存在諸多不確定因素， 容易產生分歧和爭議[16]， 對此， 文獻[17]也提出了新的計算方法。 這些不確定因素包括：

（1） 實際操作時鋸切對應變的影響較大， 基管鋸開瞬間， 測量的襯管應變不一定是最大值。

（2） 應變片布置的位置不同而應變不同。

（3） 貼在襯管內表面的應變片反映的不是基襯管之間的真實應力。

（4） 公式中的接觸應力包含了環(huán)向應力和軸向應力， 但推出法考慮的力應該為環(huán)向正應力，兩者換算時無法準確計算推出力。

由于以上原因， 在項目驗收時， 用戶或客戶及檢測機構之間常常會產生較大意見分歧和爭議。

1.2 對國外標準推出法的對比

由于國外幾個石油天然氣行業(yè)標準中應變法都依據API 5LD 標準， 若以應變法分析各個標準緊密度的差別， 無法直觀區(qū)分。 殼牌、 沙特阿美、 TechnipFMC 等標準在應變法之外， 針對結合力又附加提出了推出法， 并推薦并列選用。 而殼牌公司DEP31.40.20.32 （2011） 《耐蝕合金層內覆或襯里鋼管》 規(guī)范則完全規(guī)定推出法為結合力的唯一測量方法。

以推出法為例， 對以上標準中關于材料范圍的界定及推出法測緊密度的方法和指標進行的對比分析見表1。

表1 國外標準中推出法對緊密度的要求

1.3 選材范圍界定

通過表1 可以看出， 對于基、 襯管的選材，殼牌、 TechnipFMC 基本以API 5LD 或NDVGLST-F101 為基礎。 基管為X42、 X46、 X52、 X56、X60、 X65、 X70 和X80 及其中間鋼級， 最低鋼級X42 （L290）； 襯 管 材 料 為LC1812、 LC2205、LC2506、 LC2242、 LC2262、 UNS S31703。 單 純從基管材料的規(guī)定來看， 以上標準中都規(guī)定基管最低鋼級X42， 未包含L245 鋼級。

基于目前關于內襯復合鋼管結合力判據的理論研究成果， 相關文獻[1-6]表明， 只有在基、 襯管的屈服強度之比≥彈性模量之比時， 兩層之間才能產生結合力。 API 5LD 和以上標準雖然沒有給出基管和襯管的選配原則， 但是從給定范圍內基襯管的力學性能來看， 依據API 5L （2018）[18]，X42 （L290） 的最小屈服強度為290 MPa， 實際屈服強度一般在370 MPa 以上； 依據API 5LC（2017）[18]， 其 中 襯 管LC1812、 LC2242、 UNS S31703 的最小屈服強度分別為207 MPa、 274 MPa和207 MPa， 一般卷管后的實際屈服強度為280～350 MPa， 除最小屈服強度為448 MPa 的LC2205、LC2506 材料和最小屈服強度為414 MPa 的N06625 之外， 無論基管和襯管怎樣選配， 因為基、 襯管材料的彈性模量比接近于1， 所以基、襯管的屈服強度之比都大于彈性模量之比， 符合產生緊密度的力學條件。 而且由于不同鋼級的力學性能不同， 在選擇基、 襯管時， 其屈服強度比值越大， 緊密度越高。

而如果基管最低鋼級選用L245， 其最小屈服強度為245 MPa， 無縫管熱處理后實際屈服強度一般為280～350 MPa， 其基管屈服強度≤襯管屈服強度， 所以基本上不能產生結合力。

同樣， 對于內襯LC2205、 LC2506、 LC2262材料復合管， 由于其本身屈服強度較高， 如果基管選擇X70 以下鋼級， 也產生不了緊密度。

API 5LD 標準只規(guī)定了材料的范圍， 沒有給出材料的匹配原則， 這雖然給設計者提供了一定自由設計的空間， 但在實際設計中， 設計人員或是出于制造成本考慮， 或是只考慮強度和耐腐蝕性， 往往會忽略材料力學性能對緊密度的影響，無論基、 襯管選用什么材料， 緊密度值都規(guī)定同樣的指標， 這是不合理的。

1.4 推出法測量及指標的異同

從表1 可看出， 針對推出法， 各個標準中推出法的取樣長度規(guī)定是不同的， 其中殼牌、TechnipFMC、 沙特阿美規(guī)定試樣最小長度分別為200 mm、 250 mm、 280 mm， 衡量的指標都為推出力F， 推出力的指標也不相同。

如果以推出力為指標， 因為推出力的大小與兩層之間的接觸面積成正比關系， 推出力大小也與樣品的長度成正比關系， 同樣規(guī)格、 同樣材質、 同一工藝生產的復合管， 取樣長度不同， 其推出力也會不同。 把各個標準要求的樣品長度與推出力做橫向對比 （見表2）， 反而發(fā)現， 不同公司之間的緊密度指標與長度不成正比， 長度越大， 反而要求的緊密度值越小。

表2 同一規(guī)格同材料不同標準緊密度

由表1、 表2 可以看出， 各企業(yè)對于內襯復合鋼管的緊密度指標要求不是統(tǒng)一的。 除了試樣長度和指標及其計算方面的差別外， 殼牌和沙特阿美的指標考慮到了管徑的影響， TechnipFMC 標準則沒有對管徑分類。 但是， 即使對于同一規(guī)格復合管， 如果引用不同的標準， 需要達到的推出力也會不同。 因此， 緊密度指標只能作為參考， 實際應用時就不能生搬硬套。

同時， 以上3 個標準中存在的統(tǒng)一不足是對推出力都沒有給出具體定義。 在實際判定時， 也會因測量和計算方法不同導致結果不同。

另外， 相對于其他標準， 殼牌標準還考慮了涂覆和非涂覆狀態(tài)對緊密度指標的影響， 對推出力要求做了更詳細的要求。

如果需要推出力和推出強度的換算， 還應該注意推出力與兩層鋼管之間的摩擦系數正相關的關系， 摩擦系數越大， 需要的推出力越大。 TechnipFMC 標準考慮到了摩擦系數的影響因素， 而其他兩個標準都沒有考慮到摩擦系數的影響。

1.5 依據標準對L245+316L 材料的計算分析

由于其他標準排除了L245 鋼級， 而沙特阿美標準的制定雖然也是基于API 5LD （2015），但是對基管范圍條款更改為符合其內部標準01-SAMSS-035 （2018） 及API 5L -2018 PSL2， 沒有明確基管最低鋼級， 其緊密度的驗收只與管徑有關。 單純以其標準內的定義， 依據其“不小于毫米直徑15N” 的判斷標準， 假設基、 襯管材料配合為L245+316L， 按照沙特阿美標準， 舉例計算不同規(guī)格復合管的緊密度見表3。

表3 不同管徑緊密度計算結果（按沙特阿美指標計算）

由表3 可以看出， 即使允許采用L245 鋼級，規(guī)格為114.3 mm×（8+2） mm 復合管其推出力只有1.5 kN， 規(guī)格為610 mm×（15+3） mm 復合管其推出力只有8.7 kN， 量值很小。 與殼牌標準規(guī)定的50 kN 和TechnipFMC 標準規(guī)定的40 kN 相比， 相差甚遠。

2 對國內標準結合力指標的分析

2.1 國內主要標準中緊密度測量方法和指標的比較

國內對雙金屬復合管研究和應用較晚。 目前制定并升級發(fā)布的主要有石油天然氣行業(yè)標準SY/T 6623—2018 《內覆或襯里耐腐蝕合金復合鋼管》[20]、 SY/T 10037—2010 《海底管道系統(tǒng)》[21]、 國家標準GB/T 37701—2019《石油天然氣行業(yè)用內覆或襯里耐腐蝕合金》[22]和GB/T 31940 2015 《流體輸送用復合鋼管》[23]、 城建標準SY/T 6855—2012 《含H2S/CO2天然氣集輸管網用雙金屬復合管》[24]和CJ/T 192—2017《內襯不銹鋼復合鋼管》[25]等復合鋼管規(guī)范。 其中SY/T 6623、 SY/T 10037 基本是API 5LD 和DNVST-F101 的翻版。 對于緊密度的測量和指標，完全采用應變片法， 指標由供需雙方協(xié)商。GB/T 37001—2019 進一步完善了復合管制造、檢驗及驗收等方面的要求， 但是， 也沒有形成緊密度統(tǒng)一的衡量指標。 國內幾個主要標準對緊密度的具體要求見表4。

表4 國內標準對緊密度的要求

2.2 國內標準中基、 襯管適用范圍

由表4 可以看出， 國內標準對結合力的規(guī)定和描述與國外標準一樣， 對緊密度的定義、 測量方法和指標規(guī)定也不統(tǒng)一。 其中石油天然氣行業(yè)標準SY/T 6855—2012 中對基管材料的規(guī)定， 不同章節(jié)描述甚至互相矛盾。

CJ/T 192—2017 標準適用于工作壓力不大于2.0 MPa， 公稱通徑不大于500 mm， 輸送冷熱水、 飲用凈水、 消防給水、 燃氣、 空氣、 油和蒸汽等低壓流體或其他用途的復合鋼管。

GB/T 31940—2015 標準既適用于石油天然氣輸送、 油井集輸、 化工管道， 還適用于民用建設、 市政建設流體輸送用雙金屬復合耐腐蝕鋼管。 其中石油天然氣輸送、 油井集輸、 化工管道用鋼管的基層牌號為L245～L555。 民用建設、 市政建設用鋼管的基層牌號符合GB/T 700 中Q235、Q275 或GB/T 159—2008 中Q345、 Q390、 Q420、Q460 的規(guī)定。

GB/T 37701—2019 《流體輸送用復合鋼管》則完全規(guī)定了石油天然氣工業(yè)管道輸送系統(tǒng)用內覆和內襯用雙金屬復合鋼管。 基管依照API 5L 2018 PSL2 要求。 如果協(xié)商， 可以采用API 5L 2018 以外的碳鋼和低合金材料。 襯管同樣依照API 5LD 要求。

按照以上各個標準的適用范圍， SY/J 6623—2018 （與API 5LD 2015 完全等同）、 SY/T 6855—2012 和GB/T 37701—2019 都適用于石油天然氣行業(yè)。 唯有CJ/T 192—2017 標準屬于普通工業(yè)低壓流體的輸送， 而GB/T 31940—2015 則既適用于石油天然氣也適用于民用建設和市政建設。

目前， 對于石油天然氣行業(yè)， 設計部門的復合管規(guī)格書要求執(zhí)行的標準基本都是SY/J 6623，SY/T 6855—2012 和GB/T 31940—2015 未見采用， GB/T 37701—2019 還未正式推廣使用。

從以上分析來看， 除SY/J 6623—2018 和SY/T 6855—2012 標準規(guī)定基管最低鋼級X42，GB/T 37701—2019 未提及L245/20 鋼級， 其余的標準對內襯復合鋼管的基管選材都沒有排除L245/20 鋼級。

2.3 依據標準對結合力的分析計算

從 表4 看 出， GB/T 31940—2015 和SY/T 6855—2012 兩個標準都規(guī)定了應變法和推出法兩種測量緊密度的方法， 但是， 對于驗收指標， 都規(guī)定由供需雙方協(xié)商。 CJ/T 192—2017 （7.3.2 條） 規(guī)定對于≤DN250 mm， 結合強度≥0.3 MPa； 對于＞DN250 mm， ≤DN600 mm， 結合強度≥0.3 MPa，并采用應變法測量時不小于20 MPa。 GB/T 37701—2019 （6.10.1 條、 6.10.2 條、 7.9 條） 對D≤273.1 mm， 規(guī)定采用推出法， 驗收指標≥0.2 MPa，如果采用應變法， 指標由供需雙方協(xié)商確定。

暫且不考慮L245 材料的適用性， 依據以上給出推出強度指標的兩個標準， 對規(guī)格為114.3 mm×（8+2）mm 及基、 襯管材料為L245N+316L 復合管，其推出力進行分析測算， 結果見表5。

表5 114.3 mm×（8+2）mm 規(guī)格L245N+316L 復合管推出力計算結果

由表5 計算看出， 按照GB/T 37701—2019 提供的計算公式， L245N+316L 推出法的推出力F≥12.3 kN， 也沒有達到30 kN。 這里需要指出的是雖然GB/T 37701—2019 和SY/T 6855—2012 兩個標準給出了推出力的計算公式， 但是給出的公式中并未考慮基、 襯管之間的摩擦系數， 如果考慮摩擦系數的影響， 計算的推出力會更小。 文獻[7]指明， 碳鋼管+不銹鋼管的摩擦系數μ=0.5～0.577， 甚至有的文獻建議摩擦系數按照0.15 取值。 如果考慮摩擦系數， 這里暫且取最大值0.577， 則F=12.3 kN （不加摩擦系數的值） ×摩擦系數， 按GB/T 37701 計算出的驗收指標應該是≥7.1 kN， 遠遠小于30 kN。

由以上對各類國內標準的分析來看， 國內標準制定方對于內襯復合管基管的材料使用范圍基本沒有考慮材料性能對結合力的影響， 但對于緊密度指標， 與國外標準相比， 已經降低很多。 其中GB/T 31940—2015 和SY/T 6855—2012 則明確規(guī)定由供需雙方確定。

目前， 油氣工程設計院設計的復合管技術規(guī)格書大多依據的還是API 5LD 或SY/J 6623 標準。 該標準中對于復合鋼管的緊密度推薦采用應變法測量接觸應力， 基管的最低鋼級應是X42（L290）。 但設計方在技術規(guī)格書中設計的規(guī)格卻是L245 材料偏多， 而且要求的緊密度值遠大于以上常用標準要求， 見表6。

表6 國內典型項目要求的緊密度值

3 結束語

內襯復合鋼管的緊密度與基襯管材料的彈性模量、 力學性能、 復合壓力值， 原材料的幾何形狀及使用環(huán)境溫度等都有一定的關系， 在實際設計中需要綜合考慮。

復合管使用環(huán)境比較復雜， 如在需要卷曲鋪設的海底管道及鋼管運行溫度較高的場合， 須考慮熱漲冷縮對緊密度的影響， 可以要求緊密度高一些； 對于一般環(huán)境， 如果只為達到耐蝕性目的，按照GB/T 37701—2019 要求的指標執(zhí)行即可。

對于內襯材料為不銹鋼316L 或鎳基合金N08825 的復合鋼管， 外基管材料一般選用API 5L 或GB/T 9711 L360 鋼級以上。 如果設計基管為L245， 就不能要求有較高的結合力， 可以根據項目實際所做緊密度結果協(xié)商許可。 對于內襯材料為N06625 或不銹鋼2205 或更高屈服強度的復合鋼管， 如果對緊密度有要求， 則基管的選擇建議在X80 鋼級以上。