關于將均勻延伸率納入管線鋼管技術指標的探討

李記科，楊紅兵，梁明華

（1.中國石油集團石油管工程技術研究院，陜西西安710077；2.西安三環科技開發總公司，陜西西安710077；3.北京隆盛泰科石油管科技有限公司，北京100101）

關于將均勻延伸率納入管線鋼管技術指標的探討

李記科1，2，楊紅兵1，3，梁明華1

（1.中國石油集團石油管工程技術研究院，陜西西安710077；2.西安三環科技開發總公司，陜西西安710077；3.北京隆盛泰科石油管科技有限公司，北京100101）

針對APISpec 5L—2012標準10.2.4條對拉伸試驗要求不嚴密，Oliver伸長率換算公式不適用于高鋼級管線鋼管的問題，探討了將均勻延伸率（即最大力總延伸率）納入管線鋼管技術指標的優點。分析認為：均勻延伸率與試樣的形式、尺寸沒有關系；將均勻延伸率作為管線鋼管的技術指標進行要求，可以避開不同類型尺寸拉伸試樣斷后伸長率的換算問題。建議將均勻延伸率納入管線鋼管技術指標。

管線鋼管；拉伸試驗；伸長率；均勻延伸率；斷后伸長率

1 管線鋼管與APISpec 5L標準

管線鋼管是用于油氣長輸管道建設用的鋼管。由于輸送的油、氣介質的易燃易爆性質，管線鋼管比一般低壓流體輸送用鋼管的質量水平要求高。目前，國內外應用最為廣泛的管線鋼管技術標準是APISpec 5L《管線鋼管規范》。APISpec 5L最新的有效版本為APISpec 5L—2012（45版）。與之相應國際標準化組織管線鋼管的技術標準為ISO 3183—2012《石油與天然氣工業管道輸送系統用鋼管》［1］，與APISpec 5L—2012的技術要求一致。國內管線鋼管標準為GB/T 9711—2011《石油天然氣工業管線輸送系統用鋼管》，對應的是ISO 3183—2007。GB/T 9711—2011與APISpec 5L—2007（44版）、ISO 3183—2007的技術要求一致，API Spec 5L—2007（44版）與ISO 3183—2007為完全相同文本，采用同一技術標準由API和ISO共同署名標志方式。

文獻［2］指出：APISpec 5L—2012（45版）10.2.4試驗方法中有關拉伸試驗“應報告標距長度為50mm（2 in）試樣的斷后伸長率。試樣標距長度小于50 mm試樣，應按照ISO 2566-1［3］或ASTM A 370［4］，將斷裂后測得的伸長率轉換為50 mm長度上的伸長率”，這一要求不嚴密，Oliver伸長率換算公式不適用于高鋼級管線鋼管。這一問題在ISO 3183—2012、GB/T 9711—2011中同樣存在。

就此高鋼級管線鋼管伸長率遇到的問題，本文認為ASTM E 8/E 8M—2015a《金屬材料拉伸試驗方法》中均勻延伸率（GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》［5］稱為最大力總延伸率）指標具有易獲得，工程含義明確，易于相互比較的特點。將均勻延伸率納入管線鋼管技術指標具有實際意義。

2 伸長率是管線鋼管重要技術指標

伸長率是反映管線鋼管塑性的重要指標，在APISpec 5L—2012（45版）及以前版本中曾有相當大篇幅專門羅列對鋼管伸長率的要求值。例如，APISpec 5L—2012（45版）標準（含附錄）共155頁，其中的附錄D就有3頁，以表格形式專門列出了對不同規格鋼管采用不同拉伸試樣時伸長率的要求值。可見，APISpec 5L對伸長率非常重視。API Spec 5L—2004（43版）及以前版本中有關伸長率要求的描述是明確、清楚的；但從API Spec 5L—2007（44版）開始，ISO 3183—2012、GB/T 9711—2011對伸長率的要求均存在可能產生矛盾的描述。

3 斷后伸長率和均勻延伸率

APISpec 5L及其他技術標準中要求的伸長率，其實質是對鋼管材料塑性的一種要求。塑性是材料在某種給定載荷下，產生永久變形的材料特性。伸長率可以表征材料塑性；此外，表征材料塑性還可用其他指標，比如斷面收縮率、形變硬化指數等，屈強比在一定程度上也能反映出材料塑性。但伸長率也可分為斷后伸長率、均勻延伸率、塑性均勻延伸率（GB/T 228.1—2010中的最大力塑性延伸率）等。目前APISpec 5L及其他技術標準中要求的伸長率為斷后伸長率。

斷后伸長率指拉伸試樣受拉力作用斷裂時，試樣伸長的長度與原來長度的百分比。計算公式為：

式中Lu——最終標距長度，試件斷裂后將斷裂部分仔細地對合在一起使之處于同一直線上的標距長度，mm；

L0——試件變形前的標距長度，mm。

斷后伸長率在試樣拉斷后的實物試樣上測量，不需要借助拉伸曲線，且簡便易行，APISpec 5L及其他技術標準中長期將斷后伸長率作為其重要指標的一個原因恐怕也與此有關。現在隨著計算機技術的應用、信息采集技術的發展，普通鋼管企業在進行鋼管拉伸試驗時，也很容易得到拉伸試驗曲線。鋼管的拉伸曲線與特征參數如圖1所示。從圖1可以明確最大力總延伸率、最大力塑性延伸率的概念及確定方法。總延伸率指的是最大力時原始標距的總延伸（彈性延伸+塑性延伸）與引伸計標距Le之比的百分率。最大力塑性延伸率是最大力時原始標距的塑性延伸與引伸計標距Le之比的百分率。

圖1 鋼管的拉伸曲線與特征參數

4 均勻延伸率指標的優點

管道基于應變設計對管線鋼管最重要的技術指標要求就是均勻延伸率，只是指的是其縱向的均勻延伸率，表征著鋼管抵御縱向（軸向）變形的能力。將均勻延伸率（橫向）作為對管線鋼管的技術指標，均勻延伸率（橫向）當然也能表征鋼管抵御橫向（周向）變形的能力。

從上述對拉伸變形的討論中可以看出，均勻延伸率是材料未完全破壞（發生局部變形）前測得的指標，存在將這一指標用于管道設計的可能性。例如，在評價鋼管局部過壓造成鋼管脹管、評價局部脹管鋼管是否適用情況下也具有實際意義。

在大直徑用高強高韌輸送管的延性止裂研究中，依照Battle雙曲線預測的夏比沖擊吸收功值與全尺寸爆破試驗得到的止裂夏比沖擊吸收功值存在較大偏差。文獻［6-7］指出，大直徑高強高韌輸送管裂紋的延性擴展與裂紋擴展前端的塑性塌陷（ductile collapse）有關，塑性指標在評價預測輸送管裂紋的延性擴展/止裂中具有重要意義，均勻延伸率是表征高強高韌輸送管塑性的重要指標。

在輸送管拉伸試驗中納入均勻延伸率指標要求，再加上通常拉伸試驗中要求的屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率，這些參數可以體現出完整拉伸曲線上的特征點，這對后期在役管道的評價，可以直接獲得材料的一些特征性能指標，減少估算值帶來的誤差，具有重要意義。

Barba公式指出：拉伸試樣斷后的絕對伸長ΔL由均勻塑性伸長ΔLB和局部頸縮伸長ΔLU兩部分組成；ΔLB與L0成正比，即ΔLB=βL0；局部頸縮伸長ΔLU與試樣截面積S0的平方根成正比，即ΔLU=。則絕對伸長ΔL為：式中β、γ——材料參數。

斷后伸長率為：

可見，同一材料只要保持試樣比例系數K相同，不管試樣截面積大小，所測得的斷后伸長率均相同。各K值相同的試樣稱為比例試樣，公式（4）是比例試樣伸長率具有可比性的理論根據。同時，從公式（4）的推導過程可以看出，斷后伸長率同樣由均勻塑性伸長率和局部頸縮伸長率兩部分組成，前一部分與試樣類型尺寸沒有關系，后一部分與試樣類型尺寸有關系。

由GB/T 228.1—2010可知，最大力總延伸率Agt與抗拉強度Rm對應，是從均勻塑變向集中塑變過渡的臨界點，表征材料的最大均勻塑性變形能力，測量在沒形成頸縮前的均勻延伸階段完成，因而其大小應與試樣標距尺寸無關［8］。最大力總延伸率Agt包含兩部分，分別為最大力塑性延伸率和最大力彈性延伸率。從Barba公式可知，試樣的最大力塑性延伸率是材料固有特性，與試樣的截面無關。從圖1可以看出，最大力彈性延伸率僅與試樣的抗拉強度和彈性模量相關。因此，最大力塑性延伸率和最大力彈性延伸率均為材料的固有特性，與試樣的截面無關。可見，最大力總延伸率包含的兩部分均為材料的固有特性，與試樣的截面無關。

從公式（4）的推導可以看出，相比斷后伸長率，最大力總延伸率舍棄了與試樣類型尺寸相關的部分，所對應的是與試樣類型尺寸沒有關系的部分。均勻延伸率最可貴的特點是與試樣的形式、尺寸沒有關系。將最大力總延伸率作為管線鋼管的技術指標進行要求，可以避開不同類型尺寸拉伸試樣斷后伸長率間要不要換算、能不能換算的問題。

以現在試驗技術的發展，進行拉伸試驗時很容易得到拉伸試驗曲線，從拉伸曲線很容易獲得最大力總延伸率（即均勻延伸率）。

建議將均勻延伸率納入管線鋼管技術指標。

5 結語

均勻延伸率指標具有工程含義明確、易于獲得，不受試樣類型尺寸影響而易于相互比較的特點，且均勻延伸率指標在后續的安全評價中有一定的工程意義。建議將均勻延伸率納入高鋼級管線鋼管的技術指標。

6參考文獻

［1］ISO 3183—2012石油與天然氣工業管道輸送系統用鋼管［S］.2012.

［2］李記科，梁明華.Oliver伸長率換算公式在X80管線鋼中的適用性探討［J］.鋼管，2016，45（4）：71-73.

［3］ISO 2566-1—1984鋼伸長率換算第1部分：碳鋼和低合金鋼［S］.1984.

［4］ASTM A 370—2015鋼產品力學性能試驗的標準試驗方法和定義［S］.2015.

［5］中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，國家標準化管理委員會.GB/T 228.1—2010金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法［S］.2010.

［6］Zhu Xiankui.Review of fracture control technology for gas transmission pipelines［C］//Proceedings of IPC Ineternational Pipeline Conference 2014.

［7］Lei B N.A lternative view of fracture propagation in pipelines［C］//Proceedings of the 6th International Pipeline Technology Conference 2013.

［8］羅五四.冷軋薄鋼板拉伸試樣尺寸對斷后伸長率和最大力總伸長率影響的對比［J］.理化檢驗（物理分冊），2011，47（8）：469-475.

Discussion on Fitting Uniform Elongation into Technica l Spec ification of Steel Linep ipe

LIJike1，2，YANG Hongbing1，3，LIANGMinghua1
（1.CNPC Tubular Goods Research Institute，Xi’an 710077，China；2.Xi’an Tri-circle Technology Development Co.，Xi’an 710077，China；3.Beijing Longshine Oil Tubular Science&Technology Co.，Ltd.，Beijing 100101，China）

The requirement for the tensile test as specified under Article 10.2.4 of APISpec 5L—2012 is not strict，while the conversion equation for Oliver elongation rate is not applicable to the high grade steel linepipe. Addressing the problems，here in the essay the advantages as possibly to be brought about by fitting the uniform elongation rate（i.e.，themaximum force general elongation rate）into the technical specification for the steel linepipe are analyzed.As a result，the conclusion ismade as follows.The uniform elongation rate has nothing to do with the shape and size of the specimen.And if the uniform elongation rate is taken as a technical target，and specified under app licable technical specification for the steel linepipe，it is possible to avoid any trouble caused by conversion of the elongation rate as resulting from breaking of tensile test specimenswith different sizes.Therefore it is suggested to fit the uniform elongation rate into applicable technical specification for the steel linepipe.

steel linepipe；tensile test；elongation rate；uniform elongation rate；after-break elongation rate

TG115.5+2

B

1001-2311（2016）06-0074-03

2016-09-26）

李記科（1965-），男，教授級高級工程師，主要從事石油管工程技術研究和石油管材質量監督檢驗工作。