李為衛(wèi)，韓林生，陳宏遠，秦長毅，許曉鋒

(1.中國石油集團石油管工程技術研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室 陜西 西安 710077；2.陜西建工金牛集團股份有限公司 陜西 西安 710000)

0 引 言

基于應變設計(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，而提出的新的設計方法。SBD是一種管線設計方法，其目標就是在遭受大的縱向應變條件(一般認為應變大于0.5%)下保證管線的服役和完整性。采用基于應變設計的管道，提高管道抗應變能力的措施有多種，其中主要措施之一就是采用大應變鋼管，也稱為大變形鋼管、抗大變形鋼管和抗大應變鋼管。根據(jù)中石油企業(yè)標準“油氣管道線路工程基于應變設計規(guī)范”的規(guī)定，這種具有足夠強度和變形能力的鋼管被稱為大應變鋼管[1-3]。大應變鋼管能夠承受較大的變形，在組織和拉伸性能上有相應的特點。鋼管和焊縫的機械性能表征及波動、鋼管的幾何尺寸不完整性、焊縫缺陷表征等，都會影響基于應變設計的各部分工作[4]。

隨著基于應變設計技術和鋼管應用技術的日益成熟和應用經(jīng)驗的增多，在工程標準基礎上，發(fā)展了石油行業(yè)標準，近幾年將形成世界通用的ISO、API的基于應變設計用鋼管標準。本文介紹了大應變鋼管技術指標以及相關技術標準的發(fā)展。

1 大變形鋼管主要指標

基于應變設計強調至少兩個極限狀態(tài)：拉伸斷裂和壓縮屈曲。這些極限狀態(tài)的設計必須量化應變需求(需用應變)和應變容量(應變極限)。為了獲得特定管線的應變容量，必須對管線的拉伸應變容量和壓縮應變容量進行準確的評價,其中非常重要的研究內容就是材料性能對管線應變容量的影響。與基于應變設計關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。已知各向異性會影響拉伸應變容量、壓縮應變容量和應變需求。對于基于應變設計地區(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, 即對縱向拉伸試驗的應力應變曲線和塑性變形容量指標進行規(guī)定。

2)屈強比 在基于應變設計中，材料的應變強化能力被認為是一個關鍵參量。傳統(tǒng)意義上，管線材料的應變強化能力通常用屈強比來表示，但是隨著認識的深入，屈強比作為描述材料形變強化容量的指標，已經(jīng)不能完全滿足管線基于應變設計需求。例如，對于拉伸曲線有屈服平臺的材料，研究已經(jīng)證明，其應變容量明顯低于具有連續(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比，如圖1所示。

圖1 具有相同屈強比、不同屈服特征的拉伸曲線

3) 應力比 管道的局部屈曲應變一般和材料特定的流變應力比呈現(xiàn)一定的關系。在定義局部屈曲應變時，可以通過特定的流變應力比值(拉伸公稱應力應變曲線上，特定的應變值所對應的應力之比)來評價鋼管的應變容量，同時這也是一種鋼管材料形變強化容量的工程表達方式。

4) 均勻延伸率 均勻延伸率是為了保證管道拉伸應變容量和后屈曲變形能力相關的一個指標，均勻延伸率高的材料，可以保證在發(fā)生較大的變形時不產(chǎn)生局部徑縮或屈曲失穩(wěn)，從而具有較大的整體協(xié)調變形能力。

5)應力-應變曲線特征 大應變鋼管的拉伸應力-應變應具有如下特征：在屈服點處沒有明顯的屈服平臺；具有較高的形變強化指數(shù)(n)、較大的均勻塑性變形延伸率(δb)、 較低的屈強比(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 工程技術標準

基于應變設計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，都使用了大應變鋼管，有相應的工程技術標準，其基本框架是在干線管的基礎上，增加特殊性能指標。以加拿大ALASKA PIPELINE PROJECT為例，介紹國外基于應變工程技術標準。

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

表1 USAG-TP-RSMLP-000003鋼管拉伸性能補充要求

注：對Type1全壁厚矩形縱向拉伸只提供試驗數(shù)據(jù)。

中國石油2009 年在西氣東輸二線管道工程西段建設過程中，經(jīng)過的20處活動斷裂帶地區(qū)采用了基于應變設計方法和X80 大應變鋼管。2012 年在中緬原油天然氣管道工程國內段的建設過程中，經(jīng)過的強震區(qū)和活動斷裂帶地區(qū)采用了基于應變設計方法和X70 大應變鋼管。中國石油管道大變形鋼管工程技術標準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標準。

Q/SY GJX 0135—2008 “西氣東輸二線管道工程基于應變設計地區(qū)使用的直縫埋弧焊管補充技術”條件[8]，是我國第一個大應變鋼管技術標準，是對主線路鋼管技術標準Q/SY GJX 0104—2007“西氣東輸二線管道工程用直縫埋弧焊管技術條件”進行的補充，而Q/SY GJX 0104—2007是以API Spec 5L 第44版為基礎編寫的。該工程技術條件的主要內容就是補充了鋼管的縱向拉伸性能以及時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，我國管道工程標準對大應變管材的技術指標體系與國外管道工程基本一致，但指標更具體和嚴格。

表2 管體縱向拉伸性能

注：a試樣承受最大載荷時的延伸率為均勻變形伸長率。

bRt2.0、Rt1.5、Rt1.0和Rt0.5分別對應于拉伸總應變?yōu)?.0%、1.5%、1.0%和0.5%時的拉伸應力。

3 中國石油行業(yè)標準

多項工程的成功應用，推動了技術進步和標準日益成熟，在中國石油企業(yè)標準基礎上，石油工業(yè)標準化技術委員會管材專業(yè)標準化委員會組織制定了石油行業(yè)標準SY/T 7042—2016“基于應變設計地區(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)，適用于陸上基于應變設計地區(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個鋼級與GB/T 9711/ISO 3183/API Spec 5L等基礎標準相比，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：鋼材應采用吹氧轉爐或電爐冶煉并經(jīng)真空脫氣、鈣和微鈦處理；鋼材須用熱機械控軋工藝(TMCP)生產(chǎn)；鋼應為細晶粒鎮(zhèn)靜鋼，晶粒尺寸應為10級或更細；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)化學成分 相比于一般PSL-2級X70M/L485M、X80M/L555M鋼管，SY/T 7042在化學成分方面，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，降低了碳當量Pcm上限，見表3。

表3 中國石油行業(yè)標準和API標準大應變管化學成分對比表

注：鋼級后面的X字母，代表大應變鋼管。

3)力學性能 相比普通鋼管，SY/T 7042大應變管不但要求常規(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、屈強比外，增加最小均勻伸長率、最小應力比和拉伸曲線形狀要求。根據(jù)應變能力的大小，分為HD1、HD2兩種級別，見表4。

除了進行正常交貨狀態(tài)的縱向拉伸試驗外，還要求進行200 ℃±5 ℃溫度下保溫5 min時效后管體縱向拉伸性能。標準給出了要求測試的試驗數(shù)據(jù)，包括：屈服強度Rt0.5、最小應力比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、焊縫錯邊等尺寸偏差均嚴于基礎標準。

5)無損探傷 SY/T 7042大應變管要求焊縫全長100%RT+100%UT，而普通的PSL-2埋弧焊鋼管只要求進行100%UT。另外，管體要求UT分層(覆蓋率大于等于50%)檢驗，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，均嚴于基礎標準。

6)應變量 結合大量的試驗、計算和典型的工程應用，標準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變以及在彎曲載荷模式下允許的最大屈曲應變，為設計、生產(chǎn)、檢驗提供指導。

7)時效試驗方法 高強度管線鋼對時效比較敏感，為保證時效試驗數(shù)據(jù)的準確性和一致性，對時效試驗的方法進行規(guī)定，包括對加熱設備和每個厚度規(guī)格升溫時間的標定、熱電偶測溫方式、時效記時方法、試樣擺放方式等提出了要求。

4 國際先進標準

中國石油以承擔國際標準化組織(ISO)TC67/SC2“管道輸送系統(tǒng)分技術委員會”并行秘書處為契機，緊密結合科研成果的工程經(jīng)驗，積極參與國際標準化工作，先后向國際標準化組織ISO和美國石油學會(API)提交提案，經(jīng)過多次討論、論證，并在歐、美、日等國家共同推動下，獲得ISO和API的共同立項，制定基于應變設計用鋼管的技術標準。目前，2018年發(fā)布的最新API 5L標準增加了一個關于應變設計用鋼管的附錄N“PSL 2 pipe ordered for applications requiring longitudinal plastic strain capacity”，規(guī)范基于應變設計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級鋼管的基礎上補充要求，是一套完整的產(chǎn)品標準，但指標不嚴格，需要結合工程制定具體的指標。鋼管部分鋼級的化學成分與普通PSL-2鋼管的對比見表3?，F(xiàn)將標準的主要內容介紹如下。

1) 總要求 明確了訂貨要求采用PSL-2鋼管，用于要求高縱向應變能力的鋼管，對此進行了附注說明：不包含對管道承受縱向應變(應變基礎設計)設計的指導。由于管道的要求和特定的應用程序所需的應變能力會有所不同，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計者確定的，并由管道的買方指定。

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

3)化學成分 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量CEIIW和CEPcm上限都有所降低，見表3。

4)力學性能 增加縱向拉伸性能試驗要求，并控制屈服強度Rt0.5的上限和下限、抗拉強度Rm的的上限和下限、屈強比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，因為涉及到具體管道的參數(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度的波動范圍，這是為了保證環(huán)焊縫強度匹配和焊接工藝。CTOD屬于協(xié)議試驗項目，要包括母材，焊縫和/或HAZ。

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

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

對比SY/T 7042和API 5L大應變管附錄，總體上來講，我國石油行業(yè)大應變鋼管在技術指標體系方法與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性能指標、時效性能要求、尺寸精度和無損探傷方面均較API 5L更具體和嚴格，但在個別指標(如個別合金元素上限、壁厚偏差下限)低于API 5L要求。

5 結束語

基于應變設計管道用鋼管標準的發(fā)展，從工程技術標準開始，到行業(yè)標準，以及積極參與國際標準化，體現(xiàn)了標準發(fā)展的思路，是科研成果與標準化工作結合的典范，也在國際標準標準化工作中體現(xiàn)了我國的實力和話語權。建議：

1)大應變管材有許多特殊性能要求，除了應力比、均勻延伸率、應力-應變曲線形狀等指標外，還要考慮各向異性、質量控制等方面的因素，繼續(xù)加強試驗研究，提高技術指標的科學性。

2)與國外先進標準相比，我國的工程和行業(yè)標準要求更嚴格，建議科研和標準化工作緊密結合，分析工程實際的需求，提高技術標準的適用性。

3)繼續(xù)跟蹤研究和參與國際標準化工作，吸收國外先進技術，修訂我國大應變鋼管標準，提高管道工程技術標準的先進性、適用性。