基于标准的内衬复合钢管选材及紧密度分析探讨

杨勤祥， 廖青云， 谢 挺， 王晓峰

（上海海隆复合钢管制造有限公司， 上海200949）

0 前 言

内衬复合钢管的紧密度是衡量其产品质量的一项重要指标。 一般来说， 复合管的紧密度越高， 结合力越大， 可认为产品的质量、 性能越好。 无论是水压复合， 还是拉拔和旋压复合， 影响紧密度的因素主要有基衬管材料的弹性模量、力学性能、 复合间隙、 几何尺寸、 表面缺陷、 复合压力等。 国内外许多研究成果[1-13]对复合钢管紧密度的主要影响因素及其产生紧密度的判据已有较多的描述。

分析总结国内外关于复合钢管的标准， 其中对材料范围的界定、 紧密度的测量方法和验收指标各不相同， 衡量指标有的用强度 （MPa）， 有的直接用推出力F （kN 或N）， 有时还需要换算。 国内复合管设计人员也许出于引用标准的不同， 或对标准理解的差异， 又或是由于成本方面的考虑， 往往在制定项目技术文件时对紧密度指标要求不切实际， 盲目追高， 造成制造商在生产中根本无法实现， 以至于产品无法通过验收。 如何在设计技术文件时制定一个比较合理可行的紧密度指标， 笔者通过对国内外相关标准中规定的基衬材料性能、 紧密度试验方法及指标、 计算公式的差异等进行了对比， 以实际生产中应用比较多的L245+316L 复合管为例， 对国内外现存标准中基管选材范围和紧密度指标方面存在及需要改进的问题进行了分析， 提出了复合钢管在选材和紧密度指标方面应注意的问题， 希望对标准编制人员、 设计人员和生产技术人员有一定的参考。

1 对国外标准紧密度的分析

目前， 随着复合钢管的不断发展， 国内外关于复合钢管的标准逐渐增多。 美国API SPEC 5LD—2015 《内覆或衬里耐腐蚀合金复合钢管》[14]作为发布较早又比较系统的内衬和内覆复合钢管规范， 被各国石油公司所借鉴、 引用， 并以此进行补充、 修改和完善， 从而形成了各自的企业标准。 比如挪威船级社DNVVGL-ST-F101 （2017）《海底管道系统》 规范[15]、 沙特阿美01-SAMSS-04 （2018） 规范、 TechnipFMC 的OED-GPS-238（2018） 规范及巴西石油公司技术标准等， 在规定内衬复合钢管结合力的指标时都参照了API 5LD 的要求。 API 5LD 标准中对于衬里钢管的紧密度规定的是应变片法测量接触应力， 标准中只规定了测量的方法， 没有对衡量指标做具体的规定， 下面做一些具体分析和比较。

1.1 应片法存在的弊端

API 5LD 测量紧密度推荐做法是应变法测定接触应力 （gripping force）， 其计算方法见公式 （1）， 即

式中： σy—— 接触应力；

E——弹性模量；

ν——泊松比；

η——拉力计数量；

εy——环向拉力；

εx——轴向拉力。

其具体做法是： 从衬里复合钢管上切取一小段钢管， 将2～4 个双轴应变片放置在防腐蚀合金层的内表面； 通过切割基体钢管使合金层与基体钢管剥离， 随后分别测量合金层剥离前和剥离后的环向应力和轴向应力， 接触应力σy则由该环向应力和轴向应力的平均值计算得出。

应变片法的指标除TechnipFMC 规定 “夹持力不小于CRA 衬垫SMYS 的5%” 以外， 其他标准均由供需双方协商确定， 没有规定具体的指标。

对于紧密度这一章节的要求， API 5LD 标准从第一版1998 标准， 历经2009、 2012、 2015 版修订， 更改了许多内容， 但始终没有修订这方面的内容。

关于API 5LD 推荐的应变片测量紧密度的方法， 在实际操作中存在诸多不确定因素， 容易产生分歧和争议[16]， 对此， 文献[17]也提出了新的计算方法。 这些不确定因素包括：

（1） 实际操作时锯切对应变的影响较大， 基管锯开瞬间， 测量的衬管应变不一定是最大值。

（2） 应变片布置的位置不同而应变不同。

（3） 贴在衬管内表面的应变片反映的不是基衬管之间的真实应力。

（4） 公式中的接触应力包含了环向应力和轴向应力， 但推出法考虑的力应该为环向正应力，两者换算时无法准确计算推出力。

由于以上原因， 在项目验收时， 用户或客户及检测机构之间常常会产生较大意见分歧和争议。

1.2 对国外标准推出法的对比

由于国外几个石油天然气行业标准中应变法都依据API 5LD 标准， 若以应变法分析各个标准紧密度的差别， 无法直观区分。 壳牌、 沙特阿美、 TechnipFMC 等标准在应变法之外， 针对结合力又附加提出了推出法， 并推荐并列选用。 而壳牌公司DEP31.40.20.32 （2011） 《耐蚀合金层內覆或衬里钢管》 规范则完全规定推出法为结合力的唯一测量方法。

以推出法为例， 对以上标准中关于材料范围的界定及推出法测紧密度的方法和指标进行的对比分析见表1。

表1 国外标准中推出法对紧密度的要求

1.3 选材范围界定

通过表1 可以看出， 对于基、 衬管的选材，壳牌、 TechnipFMC 基本以API 5LD 或NDVGLST-F101 为基础。 基管为X42、 X46、 X52、 X56、X60、 X65、 X70 和X80 及其中间钢级， 最低钢级X42 （L290）； 衬 管 材 料 为LC1812、 LC2205、LC2506、 LC2242、 LC2262、 UNS S31703。 单 纯从基管材料的规定来看， 以上标准中都规定基管最低钢级X42， 未包含L245 钢级。

基于目前关于内衬复合钢管结合力判据的理论研究成果， 相关文献[1-6]表明， 只有在基、 衬管的屈服强度之比≥弹性模量之比时， 两层之间才能产生结合力。 API 5LD 和以上标准虽然没有给出基管和衬管的选配原则， 但是从给定范围内基衬管的力学性能来看， 依据API 5L （2018）[18]，X42 （L290） 的最小屈服强度为290 MPa， 实际屈服强度一般在370 MPa 以上； 依据API 5LC（2017）[18]， 其 中 衬 管LC1812、 LC2242、 UNS S31703 的最小屈服强度分别为207 MPa、 274 MPa和207 MPa， 一般卷管后的实际屈服强度为280～350 MPa， 除最小屈服强度为448 MPa 的LC2205、LC2506 材料和最小屈服强度为414 MPa 的N06625 之外， 无论基管和衬管怎样选配， 因为基、 衬管材料的弹性模量比接近于1， 所以基、衬管的屈服强度之比都大于弹性模量之比， 符合产生紧密度的力学条件。 而且由于不同钢级的力学性能不同， 在选择基、 衬管时， 其屈服强度比值越大， 紧密度越高。

而如果基管最低钢级选用L245， 其最小屈服强度为245 MPa， 无缝管热处理后实际屈服强度一般为280～350 MPa， 其基管屈服强度≤衬管屈服强度， 所以基本上不能产生结合力。

同样， 对于内衬LC2205、 LC2506、 LC2262材料复合管， 由于其本身屈服强度较高， 如果基管选择X70 以下钢级， 也产生不了紧密度。

API 5LD 标准只规定了材料的范围， 没有给出材料的匹配原则， 这虽然给设计者提供了一定自由设计的空间， 但在实际设计中， 设计人员或是出于制造成本考虑， 或是只考虑强度和耐腐蚀性， 往往会忽略材料力学性能对紧密度的影响，无论基、 衬管选用什么材料， 紧密度值都规定同样的指标， 这是不合理的。

1.4 推出法测量及指标的异同

从表1 可看出， 针对推出法， 各个标准中推出法的取样长度规定是不同的， 其中壳牌、TechnipFMC、 沙特阿美规定试样最小长度分别为200 mm、 250 mm、 280 mm， 衡量的指标都为推出力F， 推出力的指标也不相同。

如果以推出力为指标， 因为推出力的大小与两层之间的接触面积成正比关系， 推出力大小也与样品的长度成正比关系， 同样规格、 同样材质、 同一工艺生产的复合管， 取样长度不同， 其推出力也会不同。 把各个标准要求的样品长度与推出力做横向对比 （见表2）， 反而发现， 不同公司之间的紧密度指标与长度不成正比， 长度越大， 反而要求的紧密度值越小。

表2 同一规格同材料不同标准紧密度

由表1、 表2 可以看出， 各企业对于内衬复合钢管的紧密度指标要求不是统一的。 除了试样长度和指标及其计算方面的差别外， 壳牌和沙特阿美的指标考虑到了管径的影响， TechnipFMC 标准则没有对管径分类。 但是， 即使对于同一规格复合管， 如果引用不同的标准， 需要达到的推出力也会不同。 因此， 紧密度指标只能作为参考， 实际应用时就不能生搬硬套。

同时， 以上3 个标准中存在的统一不足是对推出力都没有给出具体定义。 在实际判定时， 也会因测量和计算方法不同导致结果不同。

另外， 相对于其他标准， 壳牌标准还考虑了涂覆和非涂覆状态对紧密度指标的影响， 对推出力要求做了更详细的要求。

如果需要推出力和推出强度的换算， 还应该注意推出力与两层钢管之间的摩擦系数正相关的关系， 摩擦系数越大， 需要的推出力越大。 TechnipFMC 标准考虑到了摩擦系数的影响因素， 而其他两个标准都没有考虑到摩擦系数的影响。

1.5 依据标准对L245+316L 材料的计算分析

由于其他标准排除了L245 钢级， 而沙特阿美标准的制定虽然也是基于API 5LD （2015），但是对基管范围条款更改为符合其内部标准01-SAMSS-035 （2018） 及API 5L -2018 PSL2， 没有明确基管最低钢级， 其紧密度的验收只与管径有关。 单纯以其标准内的定义， 依据其“不小于毫米直径15N” 的判断标准， 假设基、 衬管材料配合为L245+316L， 按照沙特阿美标准， 举例计算不同规格复合管的紧密度见表3。

表3 不同管径紧密度计算结果（按沙特阿美指标计算）

由表3 可以看出， 即使允许采用L245 钢级，规格为114.3 mm×（8+2） mm 复合管其推出力只有1.5 kN， 规格为610 mm×（15+3） mm 复合管其推出力只有8.7 kN， 量值很小。 与壳牌标准规定的50 kN 和TechnipFMC 标准规定的40 kN 相比， 相差甚远。

2 对国内标准结合力指标的分析

2.1 国内主要标准中紧密度测量方法和指标的比较

国内对双金属复合管研究和应用较晚。 目前制定并升级发布的主要有石油天然气行业标准SY/T 6623—2018 《内覆或衬里耐腐蚀合金复合钢管》[20]、 SY/T 10037—2010 《海底管道系统》[21]、 国家标准GB/T 37701—2019《石油天然气行业用内覆或衬里耐腐蚀合金》[22]和GB/T 31940 2015 《流体输送用复合钢管》[23]、 城建标准SY/T 6855—2012 《含H2S/CO2天然气集输管网用双金属复合管》[24]和CJ/T 192—2017《内衬不锈钢复合钢管》[25]等复合钢管规范。 其中SY/T 6623、 SY/T 10037 基本是API 5LD 和DNVST-F101 的翻版。 对于紧密度的测量和指标，完全采用应变片法， 指标由供需双方协商。GB/T 37001—2019 进一步完善了复合管制造、检验及验收等方面的要求， 但是， 也没有形成紧密度统一的衡量指标。 国内几个主要标准对紧密度的具体要求见表4。

表4 国内标准对紧密度的要求

2.2 国内标准中基、 衬管适用范围

由表4 可以看出， 国内标准对结合力的规定和描述与国外标准一样， 对紧密度的定义、 测量方法和指标规定也不统一。 其中石油天然气行业标准SY/T 6855—2012 中对基管材料的规定， 不同章节描述甚至互相矛盾。

CJ/T 192—2017 标准适用于工作压力不大于2.0 MPa， 公称通径不大于500 mm， 输送冷热水、 饮用净水、 消防给水、 燃气、 空气、 油和蒸汽等低压流体或其他用途的复合钢管。

GB/T 31940—2015 标准既适用于石油天然气输送、 油井集输、 化工管道， 还适用于民用建设、 市政建设流体输送用双金属复合耐腐蚀钢管。 其中石油天然气输送、 油井集输、 化工管道用钢管的基层牌号为L245～L555。 民用建设、 市政建设用钢管的基层牌号符合GB/T 700 中Q235、Q275 或GB/T 159—2008 中Q345、 Q390、 Q420、Q460 的规定。

GB/T 37701—2019 《流体输送用复合钢管》则完全规定了石油天然气工业管道输送系统用内覆和内衬用双金属复合钢管。 基管依照API 5L 2018 PSL2 要求。 如果协商， 可以采用API 5L 2018 以外的碳钢和低合金材料。 衬管同样依照API 5LD 要求。

按照以上各个标准的适用范围， SY/J 6623—2018 （与API 5LD 2015 完全等同）、 SY/T 6855—2012 和GB/T 37701—2019 都适用于石油天然气行业。 唯有CJ/T 192—2017 标准属于普通工业低压流体的输送， 而GB/T 31940—2015 则既适用于石油天然气也适用于民用建设和市政建设。

目前， 对于石油天然气行业， 设计部门的复合管规格书要求执行的标准基本都是SY/J 6623，SY/T 6855—2012 和GB/T 31940—2015 未见采用， GB/T 37701—2019 还未正式推广使用。

从以上分析来看， 除SY/J 6623—2018 和SY/T 6855—2012 标准规定基管最低钢级X42，GB/T 37701—2019 未提及L245/20 钢级， 其余的标准对内衬复合钢管的基管选材都没有排除L245/20 钢级。

2.3 依据标准对结合力的分析计算

从 表4 看 出， GB/T 31940—2015 和SY/T 6855—2012 两个标准都规定了应变法和推出法两种测量紧密度的方法， 但是， 对于验收指标， 都规定由供需双方协商。 CJ/T 192—2017 （7.3.2 条） 规定对于≤DN250 mm， 结合强度≥0.3 MPa； 对于＞DN250 mm， ≤DN600 mm， 结合强度≥0.3 MPa，并采用应变法测量时不小于20 MPa。 GB/T 37701—2019 （6.10.1 条、 6.10.2 条、 7.9 条） 对D≤273.1 mm， 规定采用推出法， 验收指标≥0.2 MPa，如果采用应变法， 指标由供需双方协商确定。

暂且不考虑L245 材料的适用性， 依据以上给出推出强度指标的两个标准， 对规格为114.3 mm×（8+2）mm 及基、 衬管材料为L245N+316L 复合管，其推出力进行分析测算， 结果见表5。

表5 114.3 mm×（8+2）mm 规格L245N+316L 复合管推出力计算结果

由表5 计算看出， 按照GB/T 37701—2019 提供的计算公式， L245N+316L 推出法的推出力F≥12.3 kN， 也没有达到30 kN。 这里需要指出的是虽然GB/T 37701—2019 和SY/T 6855—2012 两个标准给出了推出力的计算公式， 但是给出的公式中并未考虑基、 衬管之间的摩擦系数， 如果考虑摩擦系数的影响， 计算的推出力会更小。 文献[7]指明， 碳钢管+不锈钢管的摩擦系数μ=0.5～0.577， 甚至有的文献建议摩擦系数按照0.15 取值。 如果考虑摩擦系数， 这里暂且取最大值0.577， 则F=12.3 kN （不加摩擦系数的值） ×摩擦系数， 按GB/T 37701 计算出的验收指标应该是≥7.1 kN， 远远小于30 kN。

由以上对各类国内标准的分析来看， 国内标准制定方对于内衬复合管基管的材料使用范围基本没有考虑材料性能对结合力的影响， 但对于紧密度指标， 与国外标准相比， 已经降低很多。 其中GB/T 31940—2015 和SY/T 6855—2012 则明确规定由供需双方确定。

目前， 油气工程设计院设计的复合管技术规格书大多依据的还是API 5LD 或SY/J 6623 标准。 该标准中对于复合钢管的紧密度推荐采用应变法测量接触应力， 基管的最低钢级应是X42（L290）。 但设计方在技术规格书中设计的规格却是L245 材料偏多， 而且要求的紧密度值远大于以上常用标准要求， 见表6。

表6 国内典型项目要求的紧密度值

3 结束语

内衬复合钢管的紧密度与基衬管材料的弹性模量、 力学性能、 复合压力值， 原材料的几何形状及使用环境温度等都有一定的关系， 在实际设计中需要综合考虑。

复合管使用环境比较复杂， 如在需要卷曲铺设的海底管道及钢管运行温度较高的场合， 须考虑热涨冷缩对紧密度的影响， 可以要求紧密度高一些； 对于一般环境， 如果只为达到耐蚀性目的，按照GB/T 37701—2019 要求的指标执行即可。

对于内衬材料为不锈钢316L 或镍基合金N08825 的复合钢管， 外基管材料一般选用API 5L 或GB/T 9711 L360 钢级以上。 如果设计基管为L245， 就不能要求有较高的结合力， 可以根据项目实际所做紧密度结果协商许可。 对于内衬材料为N06625 或不锈钢2205 或更高屈服强度的复合钢管， 如果对紧密度有要求， 则基管的选择建议在X80 钢级以上。