基于应变设计管道用钢管技术标准的发展*

2019-08-24李为卫韩林生陈宏远秦长毅许晓锋

石油管材与仪器 2019年4期

李为卫，韩林生，陈宏远，秦长毅，许晓锋

(1.中国石油集团石油管工程技术研究院，石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室陕西西安 710077；2.陕西建工金牛集团股份有限公司陕西西安 710000)

0 引言

基于应变设计(SBD)的概念是欧美国家针对日益恶劣的管道施工和服役环境，如海洋管道、冻土区管道、地震活动断层段管道、采空区段管道、砂土液化滑坡等地段管道等，而提出的新的设计方法。SBD是一种管线设计方法，其目标就是在遭受大的纵向应变条件(一般认为应变大于0.5%)下保证管线的服役和完整性。采用基于应变设计的管道，提高管道抗应变能力的措施有多种，其中主要措施之一就是采用大应变钢管，也称为大变形钢管、抗大变形钢管和抗大应变钢管。根据中石油企业标准“油气管道线路工程基于应变设计规范”的规定，这种具有足够强度和变形能力的钢管被称为大应变钢管[1-3]。大应变钢管能够承受较大的变形，在组织和拉伸性能上有相应的特点。钢管和焊缝的机械性能表征及波动、钢管的几何尺寸不完整性、焊缝缺陷表征等，都会影响基于应变设计的各部分工作[4]。

随着基于应变设计技术和钢管应用技术的日益成熟和应用经验的增多，在工程标准基础上，发展了石油行业标准，近几年将形成世界通用的ISO、API的基于应变设计用钢管标准。本文介绍了大应变钢管技术指标以及相关技术标准的发展。

1 大变形钢管主要指标

基于应变设计强调至少两个极限状态：拉伸断裂和压缩屈曲。这些极限状态的设计必须量化应变需求(需用应变)和应变容量(应变极限)。为了获得特定管线的应变容量，必须对管线的拉伸应变容量和压缩应变容量进行准确的评价,其中非常重要的研究内容就是材料性能对管线应变容量的影响。与基于应变设计关系比较密切的钢管性能主要包括[5-6]：

1)各向异性各向异性指环向和纵向的性能差异，甚至包括厚度方向。已知各向异性会影响拉伸应变容量、压缩应变容量和应变需求。对于基于应变设计地区使用的钢管来说, 不仅要考虑普通地区使用钢管的强度和韧性等要求, 还要对钢管的纵向变形能力做出规定, 即对纵向拉伸试验的应力应变曲线和塑性变形容量指标进行规定。

2)屈强比在基于应变设计中，材料的应变强化能力被认为是一个关键参量。传统意义上，管线材料的应变强化能力通常用屈强比来表示，但是随着认识的深入，屈强比作为描述材料形变强化容量的指标，已经不能完全满足管线基于应变设计需求。例如，对于拉伸曲线有屈服平台的材料，研究已经证明，其应变容量明显低于具有连续屈服特征曲线的材料，但是两种曲线可能具有相同的屈强比，如图1所示。

图1 具有相同屈强比、不同屈服特征的拉伸曲线

3) 应力比管道的局部屈曲应变一般和材料特定的流变应力比呈现一定的关系。在定义局部屈曲应变时，可以通过特定的流变应力比值(拉伸公称应力应变曲线上，特定的应变值所对应的应力之比)来评价钢管的应变容量，同时这也是一种钢管材料形变强化容量的工程表达方式。

4) 均匀延伸率均匀延伸率是为了保证管道拉伸应变容量和后屈曲变形能力相关的一个指标，均匀延伸率高的材料，可以保证在发生较大的变形时不产生局部径缩或屈曲失稳，从而具有较大的整体协调变形能力。

5)应力-应变曲线特征大应变钢管的拉伸应力-应变应具有如下特征：在屈服点处没有明显的屈服平台；具有较高的形变强化指数(n)、较大的均匀塑性变形延伸率(δb)、较低的屈强比(σy/σb),如图2所示。

图2 具有两种变形能力的钢管拉伸曲线

2 工程技术标准

基于应变设计在国外使用已十多年，主要是在多年冻土地段、不稳定边坡、河流穿越、地震区和活动断裂带，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，都使用了大应变钢管，有相应的工程技术标准，其基本框架是在干线管的基础上，增加特殊性能指标。以加拿大ALASKA PIPELINE PROJECT为例，介绍国外基于应变工程技术标准。

Transcanada和Exxonmobil为该工程制定的技术条件为USAG-TP-RSMLP-000003(2012) “Line Pipe Specification: 48-inch OD, Grade X80”[7]，以API Spec 5L第44版为基础，适用OD1 219 mm、X80M、PSL-2直缝埋弧焊管，包括Type 1(要求进行纵向拉伸试验，而没有规定验收指标，只提供试验数据)和type 2(要求进行纵向拉伸试验，规定强度和伸长率)2种类型钢管。相对于基础标准API 5L(44版)，主要是明确了试样形式，降低了横向屈曲强度的上限，补充了Type 2钢管纵向拉伸性能要求，见表1。

表1 USAG-TP-RSMLP-000003钢管拉伸性能补充要求

注：对Type1全壁厚矩形纵向拉伸只提供试验数据。

中国石油2009 年在西气东输二线管道工程西段建设过程中，经过的20处活动断裂带地区采用了基于应变设计方法和X80 大应变钢管。2012 年在中缅原油天然气管道工程国内段的建设过程中，经过的强震区和活动断裂带地区采用了基于应变设计方法和X70 大应变钢管。中国石油管道大变形钢管工程技术标准的思路和框架与国外一致，以西气东输二线为例，介绍我国工程大变形钢管工程技术标准。

Q/SY GJX 0135—2008 “西气东输二线管道工程基于应变设计地区使用的直缝埋弧焊管补充技术”条件[8]，是我国第一个大应变钢管技术标准，是对主线路钢管技术标准Q/SY GJX 0104—2007“西气东输二线管道工程用直缝埋弧焊管技术条件”进行的补充，而Q/SY GJX 0104—2007是以API Spec 5L 第44版为基础编写的。该工程技术条件的主要内容就是补充了钢管的纵向拉伸性能以及时效后钢管管体纵向拉伸要求,见表2。

对比USAG-TP-RSMLP-000003和Q/SY GJX 0135可以看出，我国管道工程标准对大应变管材的技术指标体系与国外管道工程基本一致，但指标更具体和严格。

表2 管体纵向拉伸性能

注：a试样承受最大载荷时的延伸率为均匀变形伸长率。

bRt2.0、Rt1.5、Rt1.0和Rt0.5分别对应于拉伸总应变为2.0%、1.5%、1.0%和0.5%时的拉伸应力。

3 中国石油行业标准

多项工程的成功应用，推动了技术进步和标准日益成熟，在中国石油企业标准基础上，石油工业标准化技术委员会管材专业标准化委员会组织制定了石油行业标准SY/T 7042—2016“基于应变设计地区用直缝埋弧焊管”[9]。SY/T 7042—2016是在GB/T 9711/ISO 3183/API Spec 5L的基础上编制而成，采用PSL-2级钢管，钢管类型只有直缝埋弧焊(SAWL)，适用于陆上基于应变设计地区油气管道用。钢管外径559～1 219 mm，壁厚10.3～26.4 mm，只有L485/X70和L555/X802个钢级与GB/T 9711/ISO 3183/API Spec 5L等基础标准相比，SY/T 7042—2016的主要变化：

1) 原材料增加了制管用钢板原材料的要求：钢材应采用吹氧转炉或电炉冶炼并经真空脱气、钙和微钛处理；钢材须用热机械控轧工艺(TMCP)生产；钢应为细晶粒镇静钢，晶粒尺寸应为10级或更细；显微组织宜为铁素体和贝氏体为主的双相组织；钢中A、B、C、D类非金属夹杂物级别限定≤2.0。

2)化学成分相比于一般PSL-2级X70M/L485M、X80M/L555M钢管，SY/T 7042在化学成分方面，降低了C、Si、S、P的含量，Nb、V、T除了总量限制外，单个元素的上限也给出了限制。另外给出了Al、N的上限，降低了碳当量Pcm上限，见表3。

表3 中国石油行业标准和API标准大应变管化学成分对比表

注：钢级后面的X字母，代表大应变钢管。

3)力学性能相比普通钢管，SY/T 7042大应变管不但要求常规的横向拉伸性能，还增加了管体纵向拉伸性能要求，除了屈服、抗拉、屈强比外，增加最小均匀伸长率、最小应力比和拉伸曲线形状要求。根据应变能力的大小，分为HD1、HD2两种级别，见表4。

除了进行正常交货状态的纵向拉伸试验外，还要求进行200 ℃±5 ℃温度下保温5 min时效后管体纵向拉伸性能。标准给出了要求测试的试验数据，包括：屈服强度Rt0.5、最小应力比Rt1.5/Rt0.5、Rt2.0/Rt1.0、Rt5.0/Rt1.0，拉伸曲线形状。

表4 SY大应变管管体纵向拉伸要求

4)几何尺寸钢管直径、不圆度、壁厚、焊缝错边等尺寸偏差均严于基础标准。

5)无损探伤 SY/T 7042大应变管要求焊缝全长100%RT+100%UT，而普通的PSL-2埋弧焊钢管只要求进行100%UT。另外，管体要求UT分层(覆盖率大于等于50%)检验，坡口100%专用超声波、渗透或磁粉法检查是否存在延伸到管端面的分层和裂纹，管端100 mm的管体100%UT分层检验，均严于基础标准。

6)应变量结合大量的试验、计算和典型的工程应用，标准在附录中给出了满足典型规格的X70、X80钢管在不同的压力下，在压缩载荷模式下允许的最大屈曲应变以及在弯曲载荷模式下允许的最大屈曲应变，为设计、生产、检验提供指导。

7)时效试验方法高强度管线钢对时效比较敏感，为保证时效试验数据的准确性和一致性，对时效试验的方法进行规定，包括对加热设备和每个厚度规格升温时间的标定、热电偶测温方式、时效记时方法、试样摆放方式等提出了要求。

4 国际先进标准

中国石油以承担国际标准化组织(ISO)TC67/SC2“管道输送系统分技术委员会”并行秘书处为契机，紧密结合科研成果的工程经验，积极参与国际标准化工作，先后向国际标准化组织ISO和美国石油学会(API)提交提案，经过多次讨论、论证，并在欧、美、日等国家共同推动下，获得ISO和API的共同立项，制定基于应变设计用钢管的技术标准。目前，2018年发布的最新API 5L标准增加了一个关于应变设计用钢管的附录N“PSL 2 pipe ordered for applications requiring longitudinal plastic strain capacity”，规范基于应变设计用钢管的采购和制造[10]。

从API 5L附录N来看，总体框架与酸性环境用管和海洋管相同，是在普通PSL-2级钢管的基础上补充要求，是一套完整的产品标准，但指标不严格，需要结合工程制定具体的指标。钢管部分钢级的化学成分与普通PSL-2钢管的对比见表3。现将标准的主要内容介绍如下。

1) 总要求明确了订货要求采用PSL-2钢管，用于要求高纵向应变能力的钢管，对此进行了附注说明：不包含对管道承受纵向应变(应变基础设计)设计的指导。由于管道的要求和特定的应用程序所需的应变能力会有所不同，本附录不规定所需性能的具体值，所需的性能是由管道的设计者确定的，并由管道的买方指定。

2)制造工艺要求在工艺评定试验时，增加焊接性、涂敷过程模拟、拉伸和压缩应变能力、盘卷模拟等试验要求。钢级最高为X80/L555，钢的制造方法与PSL-1、-2相同，要求采用吹氧转炉冶炼或电炉冶炼的纯镇静钢。

3)化学成分与普通PSL-2钢管不同，C、Mn、S、P、Cr、Mo、V、Nb、V、Ti等元素含量以及碳当量CEIIW和CEPcm上限都有所降低，见表3。

4)力学性能增加纵向拉伸性能试验要求，并控制屈服强度Rt0.5的上限和下限、抗拉强度Rm的的上限和下限、屈强比Rt0.5/Rm的上限、均匀延伸率UEL的下限，但没有给出具体值，需要通过协议，因为涉及到具体管道的参数。可以协议要求纵向拉伸曲线的形状。还可以协议供货钢管纵向拉伸性能屈服强度的波动范围，这是为了保证环焊缝强度匹配和焊接工艺。CTOD属于协议试验项目，要包括母材，焊缝和/或HAZ。

5)表面质量及几何尺寸表面质量及几何尺寸较普通的PSL-2级钢管明显加严。

6)无损探伤钢管的无损检验，执行海洋管的要求，按照5L附录K进行。

对比SY/T 7042和API 5L大应变管附录，总体上来讲，我国石油行业大应变钢管在技术指标体系方法与API一致，API 5L包括的管型、钢级和管径更多。SY/T 7042在成分、纵向拉伸性能以及其它力学性能指标、时效性能要求、尺寸精度和无损探伤方面均较API 5L更具体和严格，但在个别指标(如个别合金元素上限、壁厚偏差下限)低于API 5L要求。