关于将均匀延伸率纳入管线钢管技术指标的探讨

李记科，杨红兵，梁明华

（1.中国石油集团石油管工程技术研究院，陕西西安710077；2.西安三环科技开发总公司，陕西西安710077；3.北京隆盛泰科石油管科技有限公司，北京100101）

关于将均匀延伸率纳入管线钢管技术指标的探讨

李记科1，2，杨红兵1，3，梁明华1

（1.中国石油集团石油管工程技术研究院，陕西西安710077；2.西安三环科技开发总公司，陕西西安710077；3.北京隆盛泰科石油管科技有限公司，北京100101）

针对APISpec 5L—2012标准10.2.4条对拉伸试验要求不严密，Oliver伸长率换算公式不适用于高钢级管线钢管的问题，探讨了将均匀延伸率（即最大力总延伸率）纳入管线钢管技术指标的优点。分析认为：均匀延伸率与试样的形式、尺寸没有关系；将均匀延伸率作为管线钢管的技术指标进行要求，可以避开不同类型尺寸拉伸试样断后伸长率的换算问题。建议将均匀延伸率纳入管线钢管技术指标。

管线钢管；拉伸试验；伸长率；均匀延伸率；断后伸长率

1 管线钢管与APISpec 5L标准

管线钢管是用于油气长输管道建设用的钢管。由于输送的油、气介质的易燃易爆性质，管线钢管比一般低压流体输送用钢管的质量水平要求高。目前，国内外应用最为广泛的管线钢管技术标准是APISpec 5L《管线钢管规范》。APISpec 5L最新的有效版本为APISpec 5L—2012（45版）。与之相应国际标准化组织管线钢管的技术标准为ISO 3183—2012《石油与天然气工业管道输送系统用钢管》［1］，与APISpec 5L—2012的技术要求一致。国内管线钢管标准为GB/T 9711—2011《石油天然气工业管线输送系统用钢管》，对应的是ISO 3183—2007。GB/T 9711—2011与APISpec 5L—2007（44版）、ISO 3183—2007的技术要求一致，API Spec 5L—2007（44版）与ISO 3183—2007为完全相同文本，采用同一技术标准由API和ISO共同署名标志方式。

文献［2］指出：APISpec 5L—2012（45版）10.2.4试验方法中有关拉伸试验“应报告标距长度为50mm（2 in）试样的断后伸长率。试样标距长度小于50 mm试样，应按照ISO 2566-1［3］或ASTM A 370［4］，将断裂后测得的伸长率转换为50 mm长度上的伸长率”，这一要求不严密，Oliver伸长率换算公式不适用于高钢级管线钢管。这一问题在ISO 3183—2012、GB/T 9711—2011中同样存在。

就此高钢级管线钢管伸长率遇到的问题，本文认为ASTM E 8/E 8M—2015a《金属材料拉伸试验方法》中均匀延伸率（GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》［5］称为最大力总延伸率）指标具有易获得，工程含义明确，易于相互比较的特点。将均匀延伸率纳入管线钢管技术指标具有实际意义。

2 伸长率是管线钢管重要技术指标

伸长率是反映管线钢管塑性的重要指标，在APISpec 5L—2012（45版）及以前版本中曾有相当大篇幅专门罗列对钢管伸长率的要求值。例如，APISpec 5L—2012（45版）标准（含附录）共155页，其中的附录D就有3页，以表格形式专门列出了对不同规格钢管采用不同拉伸试样时伸长率的要求值。可见，APISpec 5L对伸长率非常重视。API Spec 5L—2004（43版）及以前版本中有关伸长率要求的描述是明确、清楚的；但从API Spec 5L—2007（44版）开始，ISO 3183—2012、GB/T 9711—2011对伸长率的要求均存在可能产生矛盾的描述。

3 断后伸长率和均匀延伸率

APISpec 5L及其他技术标准中要求的伸长率，其实质是对钢管材料塑性的一种要求。塑性是材料在某种给定载荷下，产生永久变形的材料特性。伸长率可以表征材料塑性；此外，表征材料塑性还可用其他指标，比如断面收缩率、形变硬化指数等，屈强比在一定程度上也能反映出材料塑性。但伸长率也可分为断后伸长率、均匀延伸率、塑性均匀延伸率（GB/T 228.1—2010中的最大力塑性延伸率）等。目前APISpec 5L及其他技术标准中要求的伸长率为断后伸长率。

断后伸长率指拉伸试样受拉力作用断裂时，试样伸长的长度与原来长度的百分比。计算公式为：

式中Lu——最终标距长度，试件断裂后将断裂部分仔细地对合在一起使之处于同一直线上的标距长度，mm；

L0——试件变形前的标距长度，mm。

断后伸长率在试样拉断后的实物试样上测量，不需要借助拉伸曲线，且简便易行，APISpec 5L及其他技术标准中长期将断后伸长率作为其重要指标的一个原因恐怕也与此有关。现在随着计算机技术的应用、信息采集技术的发展，普通钢管企业在进行钢管拉伸试验时，也很容易得到拉伸试验曲线。钢管的拉伸曲线与特征参数如图1所示。从图1可以明确最大力总延伸率、最大力塑性延伸率的概念及确定方法。总延伸率指的是最大力时原始标距的总延伸（弹性延伸+塑性延伸）与引伸计标距Le之比的百分率。最大力塑性延伸率是最大力时原始标距的塑性延伸与引伸计标距Le之比的百分率。

图1 钢管的拉伸曲线与特征参数

4 均匀延伸率指标的优点

管道基于应变设计对管线钢管最重要的技术指标要求就是均匀延伸率，只是指的是其纵向的均匀延伸率，表征着钢管抵御纵向（轴向）变形的能力。将均匀延伸率（横向）作为对管线钢管的技术指标，均匀延伸率（横向）当然也能表征钢管抵御横向（周向）变形的能力。

从上述对拉伸变形的讨论中可以看出，均匀延伸率是材料未完全破坏（发生局部变形）前测得的指标，存在将这一指标用于管道设计的可能性。例如，在评价钢管局部过压造成钢管胀管、评价局部胀管钢管是否适用情况下也具有实际意义。

在大直径用高强高韧输送管的延性止裂研究中，依照Battle双曲线预测的夏比冲击吸收功值与全尺寸爆破试验得到的止裂夏比冲击吸收功值存在较大偏差。文献［6-7］指出，大直径高强高韧输送管裂纹的延性扩展与裂纹扩展前端的塑性塌陷（ductile collapse）有关，塑性指标在评价预测输送管裂纹的延性扩展/止裂中具有重要意义，均匀延伸率是表征高强高韧输送管塑性的重要指标。

在输送管拉伸试验中纳入均匀延伸率指标要求，再加上通常拉伸试验中要求的屈服强度、抗拉强度、断后伸长率，这些参数可以体现出完整拉伸曲线上的特征点，这对后期在役管道的评价，可以直接获得材料的一些特征性能指标，减少估算值带来的误差，具有重要意义。

Barba公式指出：拉伸试样断后的绝对伸长ΔL由均匀塑性伸长ΔLB和局部颈缩伸长ΔLU两部分组成；ΔLB与L0成正比，即ΔLB=βL0；局部颈缩伸长ΔLU与试样截面积S0的平方根成正比，即ΔLU=。则绝对伸长ΔL为：式中β、γ——材料参数。

断后伸长率为：

可见，同一材料只要保持试样比例系数K相同，不管试样截面积大小，所测得的断后伸长率均相同。各K值相同的试样称为比例试样，公式（4）是比例试样伸长率具有可比性的理论根据。同时，从公式（4）的推导过程可以看出，断后伸长率同样由均匀塑性伸长率和局部颈缩伸长率两部分组成，前一部分与试样类型尺寸没有关系，后一部分与试样类型尺寸有关系。

由GB/T 228.1—2010可知，最大力总延伸率Agt与抗拉强度Rm对应，是从均匀塑变向集中塑变过渡的临界点，表征材料的最大均匀塑性变形能力，测量在没形成颈缩前的均匀延伸阶段完成，因而其大小应与试样标距尺寸无关［8］。最大力总延伸率Agt包含两部分，分别为最大力塑性延伸率和最大力弹性延伸率。从Barba公式可知，试样的最大力塑性延伸率是材料固有特性，与试样的截面无关。从图1可以看出，最大力弹性延伸率仅与试样的抗拉强度和弹性模量相关。因此，最大力塑性延伸率和最大力弹性延伸率均为材料的固有特性，与试样的截面无关。可见，最大力总延伸率包含的两部分均为材料的固有特性，与试样的截面无关。

从公式（4）的推导可以看出，相比断后伸长率，最大力总延伸率舍弃了与试样类型尺寸相关的部分，所对应的是与试样类型尺寸没有关系的部分。均匀延伸率最可贵的特点是与试样的形式、尺寸没有关系。将最大力总延伸率作为管线钢管的技术指标进行要求，可以避开不同类型尺寸拉伸试样断后伸长率间要不要换算、能不能换算的问题。

以现在试验技术的发展，进行拉伸试验时很容易得到拉伸试验曲线，从拉伸曲线很容易获得最大力总延伸率（即均匀延伸率）。

建议将均匀延伸率纳入管线钢管技术指标。

5 结语

均匀延伸率指标具有工程含义明确、易于获得，不受试样类型尺寸影响而易于相互比较的特点，且均匀延伸率指标在后续的安全评价中有一定的工程意义。建议将均匀延伸率纳入高钢级管线钢管的技术指标。

6参考文献

［1］ISO 3183—2012石油与天然气工业管道输送系统用钢管［S］.2012.

［2］李记科，梁明华.Oliver伸长率换算公式在X80管线钢中的适用性探讨［J］.钢管，2016，45（4）：71-73.

［3］ISO 2566-1—1984钢伸长率换算第1部分：碳钢和低合金钢［S］.1984.

［4］ASTM A 370—2015钢产品力学性能试验的标准试验方法和定义［S］.2015.

［5］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，国家标准化管理委员会.GB/T 228.1—2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法［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］罗五四.冷轧薄钢板拉伸试样尺寸对断后伸长率和最大力总伸长率影响的对比［J］.理化检验（物理分册），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）

李记科（1965-），男，教授级高级工程师，主要从事石油管工程技术研究和石油管材质量监督检验工作。