美國石油學(xué)會管線管標(biāo)準(zhǔn)化工作熱點(diǎn)議題簡介

許曉鋒，李炎華，呂 華，方 偉，徐 婷

(中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077)

0 引 言

API成立于1919年，是一家代表美國石油和天然氣行業(yè)的非營利性貿(mào)易協(xié)會和標(biāo)準(zhǔn)制定機(jī)構(gòu)[1]。迄今為止，API發(fā)布了700余項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，覆蓋行業(yè)上中下游全領(lǐng)域。盡管發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)總數(shù)不算多，但都是石油行業(yè)的關(guān)鍵、基礎(chǔ)性標(biāo)準(zhǔn)。長期以來，API標(biāo)準(zhǔn)作為國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)在全球廣泛使用。

API 5L管線管標(biāo)準(zhǔn)是API最為重要的標(biāo)準(zhǔn)之一，API于1924年發(fā)布的第一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)就是API 5《石油管材用鋼管和鐵管規(guī)范》，經(jīng)過近一百年的發(fā)展，API 5L已更新到第46版[2]。除標(biāo)準(zhǔn)制修訂工作外，API圍繞標(biāo)準(zhǔn)深入開展認(rèn)證、培訓(xùn)、咨詢和會議等業(yè)務(wù)，控制著全球市場。國內(nèi)通過API會標(biāo)認(rèn)證的企業(yè)占其總數(shù)的大約1/3，比美國本土企業(yè)都多，API標(biāo)準(zhǔn)在我國的影響力不言而喻。

特別是管線管領(lǐng)域，隨著最新版國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 3183:2019《石油天然氣工業(yè) 管道輸送系統(tǒng)用鋼管》做成了API Spec 5L:2018《管線管規(guī)范》(第46版)的補(bǔ)充件，API Spec 5L《管線管規(guī)范》的地位更加鞏固，其制修訂對我國相關(guān)制造企業(yè)、行業(yè)發(fā)展和國際貿(mào)易具有重要影響。

1 議題概況

國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)制修訂過程好比是串聯(lián)線路，通常一個標(biāo)準(zhǔn)1～2 a做完，等到下一復(fù)審周期才可能進(jìn)行再次修訂完善；而API標(biāo)準(zhǔn)制修訂過程好比是并聯(lián)線路，一個新標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布其實(shí)也經(jīng)歷很多年時間，而一旦新標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布后，可能就有多個修訂項(xiàng)目(針對標(biāo)準(zhǔn)其中某一具體指標(biāo)或問題)同時開展，對標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行持續(xù)地修訂完善。

管線管領(lǐng)域正在進(jìn)行的標(biāo)準(zhǔn)化議題不少，大部分都是對單個技術(shù)條款的明確和補(bǔ)充完善，比如API Spec 5L(第46版)“靜水壓試驗(yàn)設(shè)備校準(zhǔn)” 、“無損檢測人員資質(zhì)評定”、 “壓扁試驗(yàn)”和“較小尺寸沖擊試樣取樣”；API RP 5L1和API RP 5LW鋼管運(yùn)輸疲勞公式的重建。也有大一點(diǎn)的修訂議題，例如“酸性環(huán)境用管線管”擬修改完善5L附錄H和附錄K，增加酸性環(huán)境用管線管技術(shù)要求；“硫化物應(yīng)力開裂(SSC)”擬修訂5L標(biāo)準(zhǔn)中SSC試驗(yàn)程序和取樣要求；“高頻焊管焊縫質(zhì)量”擬嚴(yán)格沖擊試驗(yàn)、焊縫熱處理和檢驗(yàn)要求；“管線管焊接性”擬新增環(huán)焊縫焊接性試驗(yàn)要求附錄。完整項(xiàng)目的制修訂包括API 5L8“新管線管現(xiàn)場檢驗(yàn)”和5L3“落錘撕裂試驗(yàn)”修訂和5MT“管道檢驗(yàn)文件的材料可追溯性和電子測試報(bào)告”制定。

2 議題內(nèi)容

2.1 單個技術(shù)條款的修訂完善

2.1.1 靜水壓試驗(yàn)設(shè)備校準(zhǔn)

該議題旨在審查API Spec 5L(第46版)10.2.6.2中關(guān)于靜水壓試驗(yàn)設(shè)備校準(zhǔn)和使用的規(guī)定，使要求更加明確、一致，反映新技術(shù)需求。現(xiàn)有的靜水壓試驗(yàn)壓力測量裝置校準(zhǔn)要求允許不同的解釋和應(yīng)用。此外，考慮到較新的壓力測量裝置的應(yīng)用，這一要求過于嚴(yán)格。

該議題已完成討論和投票，即將納入新版標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)充件。具體修訂為將“使用前4個月內(nèi)校準(zhǔn)”修改為“對于機(jī)械壓力裝置，最大校準(zhǔn)間隔應(yīng)為6個月。對于電子壓力裝置(例如壓力傳感器)，最大校準(zhǔn)間隔應(yīng)為12個月。最大間隔應(yīng)計(jì)算到校準(zhǔn)到期月份的最后1天?！?/p>

2.1.2 無損檢測人員資質(zhì)評定

該議題旨在協(xié)調(diào)統(tǒng)一API 5系列標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于無損檢測人員資質(zhì)評定的要求。

計(jì)劃對API 5L(第46版)附錄E進(jìn)行如下修改：E.1.1中增加“針對標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用的檢測方法、檢測技術(shù)和設(shè)備，制造商或檢測公司應(yīng)有無損檢驗(yàn)人員評定和/或認(rèn)可的培訓(xùn)計(jì)劃?！盓.1.2完善為“無損檢驗(yàn)應(yīng)采用經(jīng)3級人員批準(zhǔn)的程序，由1級、2級或3級人員實(shí)施?！?/p>

2.1.3 壓扁試驗(yàn)

該議題旨在審查API 5L(第46版)9.6 a) 3)中關(guān)于壓扁試驗(yàn)驗(yàn)收極限的要求，認(rèn)為“金屬過燒”不明確。

工作組討論，初步建議借鑒新版API Bulletin 5T1中的概念，將“金屬過燒”替換為“焊縫未熔合、黑色氧化物等”。然而，反對票意見認(rèn)為改變了原有條款的本義，仍然會造成誤解。

2.1.4 較小尺寸沖擊試樣

該議題旨在解決表22中關(guān)于較小尺寸沖擊試驗(yàn)試樣選取的問題。當(dāng)鋼管規(guī)定壁厚接近適用范圍的上限時，例如規(guī)定壁厚12.6 mm、規(guī)定外徑114.3 mm的鋼管，按表22的規(guī)定應(yīng)制備全尺寸試樣，但由于壁厚偏差，實(shí)際壁厚可能落在11.7 mm～<12.6 mm范圍，只能制備3/4尺寸的試樣。現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)條款10.2.3.3沒有考慮到該種情況。

經(jīng)過工作組討論，將補(bǔ)充完善10.2.3.3條款為：如果吸收能預(yù)期會超過沖擊試驗(yàn)機(jī)滿刻度量程的80%或?qū)嶋H壁厚太薄(當(dāng)tactual≤t-0.025 mm)而不能制備對應(yīng)尺寸的試樣時，可采用臨近的較小尺寸試樣，除此之外，試樣的尺寸、方向和試樣的來源應(yīng)按照表22的規(guī)定。

2.1.5 鋼管運(yùn)輸疲勞公式

管線鋼管長途運(yùn)輸過程中，由于上層鋼管或其他貨物重量的靜載荷和運(yùn)輸設(shè)備運(yùn)動所產(chǎn)生的循環(huán)載荷綜合作用，容易產(chǎn)生疲勞損傷。

該議題旨在優(yōu)化、統(tǒng)一API RP 5L1《管線鋼管運(yùn)輸 第1部分：鐵路運(yùn)輸》和API RP 5LW《管線鋼管運(yùn)輸 第2部分：內(nèi)陸及海上船舶運(yùn)輸》中應(yīng)力計(jì)算公式。最新API開展的有限元模擬和PRCI(國際管道研究協(xié)會)開展的試驗(yàn)都表明現(xiàn)有公式低估了某些影響因素的影響。

項(xiàng)目已完成第二階段海上運(yùn)輸相關(guān)數(shù)據(jù)的收集，下一步將進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和模型整合。

2.1.6 API會標(biāo)附錄

API將成立新工作組，負(fù)責(zé)產(chǎn)品和Q1標(biāo)準(zhǔn)中會標(biāo)要求的協(xié)調(diào)一致，計(jì)劃刪除產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于會標(biāo)的附錄，統(tǒng)一引用Q1標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。

2.2 重大修訂和補(bǔ)充

2.2.1 酸性環(huán)境用管線管

鑒于在中度或酸性環(huán)境中服役的管線管需求越來越多，該議題擬修改完善5L附錄H和附錄K，增加酸性環(huán)境用管線管技術(shù)要求。

2013年起，API和EPRG(歐洲管線研究組織)啟動了相關(guān)研究工作。弱酸性環(huán)境下，管材腐蝕速率很低，按已有的試驗(yàn)方法很難建立判定準(zhǔn)則[3]。工作組研究采用了新的試驗(yàn)方法，針對如下材料和試驗(yàn)條件開展了氫致開裂(HIC)試驗(yàn)：

鋼管(813 mm×39 mm X65鋼管和1 414 mm×34.6 mm X70鋼管)；

環(huán)境(3%H2S/pH3.5，7%H2S/pH4，10%H2S/pH4.5)；

時間(4 d、7 d、10 d、14 d)。

試驗(yàn)已取得階段性成果，標(biāo)準(zhǔn)修改稿將提交投票，相關(guān)研究成果計(jì)劃作為技術(shù)報(bào)告發(fā)布。

2.2.2 硫化物應(yīng)力開裂(SSC)

該議題旨在處理熱機(jī)械軋制(TMCP)鋼酸性環(huán)境下易發(fā)生硫化物應(yīng)力開裂(SSC)失效的問題。2013年，Kashagan管道由于局部硬化區(qū)(LHZ)的存在發(fā)生了SSC失效，影響了TMCP鋼在酸性服役環(huán)境下的應(yīng)用。研究建議修訂5L標(biāo)準(zhǔn)中SSC試驗(yàn)程序和取樣要求有助于降低管道失效風(fēng)險(xiǎn)。

工作組將從如下方面對5L進(jìn)行完善：一般程序上，參照NACE TM0316《石油和天然氣行業(yè)用材料四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)》、MR-0175《油田設(shè)備用金屬材料硫化物應(yīng)力開裂抗力》等基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)改進(jìn)試驗(yàn)執(zhí)行和試驗(yàn)后的分析；具體針對TMCP鋼，改進(jìn)試樣的選取和試樣表面加工條件；同時根據(jù)討論情況同步完善附錄K“酸性、海上和/或要求縱向塑性應(yīng)變能力服役條件下的鋼管無損檢驗(yàn)”等相關(guān)附錄的要求。

2.2.3 高頻焊管焊縫質(zhì)量

高頻焊鋼管焊接速度高、產(chǎn)品尺寸精度好，在石油行業(yè)有良好應(yīng)用前景，然而，由于焊縫質(zhì)量控制的問題，嚴(yán)重制約了高頻焊鋼管在石油行業(yè)的大規(guī)模推廣應(yīng)用。經(jīng)過十余年技術(shù)發(fā)展和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的積累，國內(nèi)高頻焊管的質(zhì)量控制水平和穩(wěn)定性顯著提高。于建國等[4]對143批次X70高頻焊管的力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，焊縫的強(qiáng)度和韌性略低于管體，但各項(xiàng)性能指標(biāo)均高于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，鋼管質(zhì)量良好。焊縫熱處理影響區(qū)和熱影響區(qū)軟化是導(dǎo)致強(qiáng)度和疲勞抗力降低的主要原因。提高正火溫度有助于改善和提高X70高頻焊管焊縫的性能和服役安全性。胡松林等[5]認(rèn)為焊縫熔合線的辨識和控制對最終產(chǎn)品質(zhì)量起到?jīng)Q定性作用，研究確定了某規(guī)格3個鋼級(B/X52/X60)高頻焊管最優(yōu)的熔合線尺寸。聶向暉等[6]開展的某焊管泄漏失效分析表明，焊管的化學(xué)成分、力學(xué)性能等符合標(biāo)準(zhǔn)要求，焊管外表面涂層破損是焊管發(fā)生泄漏的主要原因。

API針對高頻焊管焊縫質(zhì)量問題，于2018年組建了工作組，工作組經(jīng)過多年研究討論認(rèn)為應(yīng)從如下幾個方面對API 5L進(jìn)行完善：

高頻焊管夏比沖擊試驗(yàn)應(yīng)為強(qiáng)制性要求；

加強(qiáng)對焊縫熱處理的控制；

夏比沖擊試樣缺口位置和焊縫的距離應(yīng)嚴(yán)格控制；

優(yōu)化復(fù)驗(yàn)程序。

目前，初步的修改意見包括：

1)8.8.2中明確沒有經(jīng)過淬火和回火工藝的各鋼級鋼管，焊縫和熱影響區(qū)應(yīng)進(jìn)行熱處理，以模擬正火熱處理。這種熱處理應(yīng)使熱處理區(qū)域穿透整個壁厚，并有足夠的寬度完全覆蓋焊縫和熱影響區(qū)。制造商應(yīng)通過顯微組織結(jié)構(gòu)評估來驗(yàn)證熱處理的有效性。焊縫熱處理設(shè)備出現(xiàn)故障或異常時，應(yīng)觸發(fā)警報(bào)，并應(yīng)對受影響管段開展符合性評估或去除。所有加熱單元應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測，至少應(yīng)監(jiān)測和記錄最終加熱單元的輸出溫度。

2)9.8.3中增加高頻焊管最低沖擊吸收能為20 J。

3)表18中增加了高頻焊管焊縫宏觀金相檢驗(yàn)頻次。

4)10.2.3.3中明確夏比沖擊試樣缺口位置偏離焊縫不應(yīng)超過0.25 mm。

5)10.2.12.6中修改了復(fù)驗(yàn)程序，當(dāng)一組夏比沖擊試樣的試驗(yàn)結(jié)果不符合驗(yàn)收極限時，制造商應(yīng)對失效鋼管前后生產(chǎn)的鋼管進(jìn)行測試。如這兩個新試驗(yàn)結(jié)果滿足驗(yàn)收加極限，則除初始取樣的鋼管外，該試驗(yàn)批中的所有鋼管應(yīng)判為符合要求。如果這兩個新試驗(yàn)中任意一個試驗(yàn)結(jié)果不符合規(guī)定要求，除非購方同意對該試驗(yàn)批中剩余的鋼管逐根進(jìn)行試驗(yàn)和驗(yàn)收，則該試驗(yàn)批判廢。

2.2.4 管線管焊接性

近年來，管道環(huán)焊縫失效問題得到高度關(guān)注，文獻(xiàn)[7-8]對管道失效案例的原因進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)環(huán)焊縫斷裂主要與焊縫沖擊韌性低、焊縫缺陷、應(yīng)力集中、未嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝等相關(guān)。何小東等[9]研究了X80鋼管采用自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊(FCAW-S)和熔化極氣體保護(hù)焊(GMAW)的環(huán)焊縫接頭組織和關(guān)鍵力學(xué)性能，從強(qiáng)度設(shè)計(jì)、焊接工藝評定和現(xiàn)場施工等方面對加強(qiáng)環(huán)焊縫焊接質(zhì)量控制給出了建議。王曉香等[10]回顧了近年來國內(nèi)外管道失效事故，介紹了應(yīng)對環(huán)焊縫失效的技術(shù)措施和標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)，分析了我國管道制造技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)并給出了建議。

API于2020年啟動了環(huán)焊縫焊接性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的編制工作，計(jì)劃為5L新增一個附錄。工作組完成了草案初稿，對焊接性試驗(yàn)材料、焊縫質(zhì)量、檢驗(yàn)規(guī)則、力學(xué)性能試驗(yàn)方法、無損檢測和報(bào)告等方面進(jìn)行了規(guī)定。篇幅限制，另有文章詳細(xì)介紹。目前，工作組正對收集的180余條評論意見逐條進(jìn)行討論，計(jì)劃2021年完成工作組草案的協(xié)商一致。

2.3 完整項(xiàng)目制修訂

2.3.1 API 5L8“新管線管現(xiàn)場檢驗(yàn)”

API RP 5L8《新管線管現(xiàn)場檢驗(yàn)推薦做法》現(xiàn)行有效版本為1996年出版的第二版，對應(yīng)當(dāng)時的API 5L第41版。API 5L已更新多個版本，有了很大變化[2]，API 5L8本次修訂將依據(jù)新版API 5L(第46版)，重點(diǎn)做如下方面的修改：

產(chǎn)品分級。PSL1級提供標(biāo)準(zhǔn)的管線管質(zhì)量水平，PSL2級包括附加的化學(xué)成分、缺口韌性、強(qiáng)度性能和補(bǔ)充NDT的強(qiáng)制性要求。

特殊用途附加要求。針對酸性服役條件訂購的PSL2鋼管、“直通過油管”用鋼管和海洋服役條件訂購的PSL2鋼管等，提供了這些特殊用途的各種選用附加要求。

2.3.2 5L3“落錘撕裂試驗(yàn)”

高強(qiáng)度管線鋼落錘撕裂試驗(yàn)出現(xiàn)異常斷口(韌性起裂)的問題得到行業(yè)高度關(guān)注，促進(jìn)了API RP 5L3《管線管落錘撕裂試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)的修改完善[11]?，F(xiàn)行有效版本為2014年發(fā)布的第四版，與上一版本相比最大的變化是，認(rèn)識到異常斷口可能造成標(biāo)準(zhǔn)的不適用，因此在標(biāo)準(zhǔn)中增加了一個注：“對于上平臺沖擊吸收能大于200 J的鋼管落錘試驗(yàn)常導(dǎo)致無效試驗(yàn)，本方法不適用?！?/p>

該版本的出臺比較倉促，沒有真正解決異常斷口標(biāo)準(zhǔn)評判的問題。經(jīng)過幾年的試驗(yàn)驗(yàn)證，標(biāo)準(zhǔn)修訂有了新進(jìn)展。2020年對標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了確認(rèn)，同時發(fā)布了一個增補(bǔ)，在7.1中明確“對于上平臺沖擊吸收能大于200 J的鋼管，韌性起裂應(yīng)被接受?！蓖品酥暗囊?guī)定。標(biāo)準(zhǔn)修訂過程中，還提出擬新增一個測量總吸收能的可選方案，待進(jìn)一步研究確定。

增補(bǔ)中，同時對API 5L3中表1和表2的數(shù)據(jù)范圍進(jìn)行了修改明確，見表1和表2。

表1 試驗(yàn)溫度的降低量

表2 試樣在液體介質(zhì)中最短的到溫保持時間

2.3.3 材料測試報(bào)告(MTR)數(shù)據(jù)傳輸

美國聯(lián)邦法規(guī)要求運(yùn)營商擁有可追蹤、可驗(yàn)證和完整的材料可追溯性記錄(TVC)，而記錄材料關(guān)鍵力學(xué)性能和化學(xué)性質(zhì)的MTR是TVC記錄的重要組成部分。目前的記錄形式有多種，包括紙質(zhì)紀(jì)錄、掃描紙質(zhì)紀(jì)錄和電子紀(jì)錄。紙質(zhì)和掃描記錄可能不正確、不完整或難以閱讀。電子記錄有各種格式和交換方式，且某些記錄需要使用定制軟件讀取。因此，急需對MTR電子數(shù)據(jù)交換協(xié)議進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

為滿足如上需求，工作組負(fù)責(zé)編制了一項(xiàng)新的標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)劃的編號和名稱是API 5MT《管道檢驗(yàn)文件的材料可追溯性和電子測試報(bào)告》。該標(biāo)準(zhǔn)將界定MTR應(yīng)包括的最低限度的數(shù)據(jù)要素，為選定的數(shù)據(jù)交換方法提供具體的數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，這些數(shù)據(jù)交換方法，可能包括Web服務(wù)、應(yīng)用程序編程接口和區(qū)塊鏈等。該標(biāo)準(zhǔn)將為MTR提供行業(yè)指導(dǎo)和要求，使管道制造商和運(yùn)營商有一個共同的數(shù)據(jù)模型，以支持MTR數(shù)據(jù)的簡化交換。

3 結(jié)束語

目前，API管線管標(biāo)準(zhǔn)化工作圍繞5L“酸性環(huán)境用管線管” 、“高頻焊管質(zhì)量控制”、“管道環(huán)焊縫焊接性試驗(yàn)”、5L1和5LW“鋼管運(yùn)輸疲勞公式”、5L3“落錘撕裂試驗(yàn)”、5L8“新管線管現(xiàn)場檢驗(yàn)”等議題開展了大量深入細(xì)致的工作，部分已完成討論待出版，更多的還在研究討論過程中，為我國相關(guān)企業(yè)提供了重要參考。

特別是獲得API認(rèn)證和涉足國際貿(mào)易的企業(yè)，應(yīng)及時跟蹤了解API標(biāo)準(zhǔn)的更新和變化，做好檢測技術(shù)更新、人員能力提升和裝備改造升級等方面的應(yīng)對措施。同時，應(yīng)更加積極地參與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制修訂工作中，使API標(biāo)準(zhǔn)也能反映我國行業(yè)需求，切實(shí)維護(hù)自身利益。